一种具有渐开线蚀刻槽道的超薄VC均热板及其设计方法与流程

一种具有渐开线蚀刻槽道的超薄vc均热板及其设计方法
技术领域
1.本发明涉及精密蚀刻技术领域，尤其涉及一种具有渐开线蚀刻槽道的超薄vc均热板及其设计方法。


背景技术：

2.随着5g的推进及5g移动终端的平板电脑、智能手机功能的多样化、高性能化发展，手机cpu、pcb、电池等电子元器件性能越来越强大，而集成度和组装密度不断提高，导致其工作功耗和发热量的急剧增大，因此对快速导热散热的需求强烈。电子产品的cpu、pcb板、电池等电子元器件使用中的温度控制范围：一般情况下，温度控制在不超过室内温度30度以上，也就是说室温是20度，cpu、pcb、电池等电子元器件温度控制在不超过50度为宜，一旦超温，轻则将影响设备运行速度，重则设备重新启动或死机；长期在超温状态下运行，将严重影响设备的使用寿命；同时因设备超温，导致用户的体验感不佳。
3.目前，普遍采用vc均热板，对cpu、pcb、电池等电子元器件进行散热、温度控制。这种vc均热板，业界一般采用蚀刻工艺，分别在两片铜合金上，蚀刻出真空腔体，再采用电阻焊工艺把200～250目毛细铜网焊接固定在腔体中，然后铜片焊接为一体，并经抽真空、加注冷却液、二次除气、头部点焊等工序，完成vc均热板的制造。
4.如图1所示，现有技术的vc均热板的结构形式主要由3个部件组成，即现有技术vc均热板上盖板1’作为散热面，现有技术vc均热板下盖板2’和发热电子元器件接触，以及放置在现有技术vc均热板下盖板2’的半蚀刻冷却液储液槽6’中部的且厚度0.1mm左右200～250目毛细铜网3’，其中，现有技术vc均热板下盖板2’的一端还设有冷却液加注口4’和排气口5’，现有技术vc均热板下盖板2’与现有技术vc均热板上盖板1’相对的一面为焊接面7’，通过钎焊工艺焊接为一体。
5.采用以上方法无法进一步降低vc均热板的体积、厚度、重量，不利于vc均热板的小型化、轻量化；使用200～250目毛细铜网进行冷却液的储存器，加工工序复杂，成本高；发热表面的温度差5～10度，进一步降低难度大，无法进一步提升用户的体验感。
6.为解决上述问题，有必要提供一种新型的vc均热板的结构，一方面为了避免使用毛细铜网，从而降低成本，另一方面提升散热效率，进一步降低发热表面的温度差。


技术实现要素：

7.根据上述提出的技术问题，而提供一种具有渐开线蚀刻槽道的超薄vc均热板及其设计方法。本发明不使用毛细铜网，在vc均热板下盖板上采用渐开线的方法，根据发热元器件所在位置、形状、工作温度，设计冷却液相变流出通道、相变回流通道、初始储液槽、平衡温度储液槽等结构，下文描述所涉及的初始储液槽、渐开线蚀刻槽道、边缘储液槽、平衡温度储液槽等均采用半蚀刻工艺，本发明可将散热效率提升25～30％，发热表面的温度差控制在1～3度内，有效稳定散热元器件的运行环境，提升运行效率。
8.本发明采用的技术手段如下：
9.一种具有渐开线蚀刻槽道的超薄vc均热板，其特征在于，在vc均热板下盖板上设置有至少一个具有渐开线蚀刻槽道的降温单元，所述降温单元包括初始储液槽、多条与所述初始储液槽相连通的渐开线蚀刻槽道以及设置在所述渐开线蚀刻槽道上的多个平衡温度储液槽。
10.进一步地，所述初始储液槽的位置与电子元器件的高温区为同一位置。
11.进一步地，所述渐开线蚀刻槽道沿所述初始储液槽直径的圆周上进行n等分渐开线设置。
12.进一步地，所述平衡温度储液槽设置在n等分渐开线的节点位置。
13.进一步地，所述渐开线蚀刻槽道的结构形式为等宽、逐渐变窄或逐渐变宽中的一种或一种以上的组合。
14.进一步地，所述降温单元的渐开线蚀刻槽道的总数量为n(n为单双数均可，n为整数)，满足：n＝冷却液相变流出通道数量n
出
冷却液相变回流通道数量n
回
连接相邻降温单元的通道数量n
连
，其中，当所述降温单元为一个时，连接相邻降温单元的通道数量n
连
＝0。
15.进一步地，相邻的降温单元之间相连通的渐开线蚀刻槽道为等宽的结构形式。
16.进一步地，以设置在与电子元器件高温区同一位置处的降温单元为核心降温单元，核心降温单元的渐开线蚀刻槽道中，冷却液相变流出通道数量n
出
＝n*冷却液相变回流通道数量n
回
，冷却液相变回流通道数量n
回
≥1，n≥1；冷却液相变流出通道和冷却液相变回流通道的外展端均与边缘冷却液储液槽相连，用于将冷却液从初始储液槽流出或将冷却液从边缘冷却液储液槽回流。
17.进一步举例说明，不论降温单元的数量是单数还是双数，冷却液相变流出通道和冷却液相变回流通道的数量均满足上述公式。
18.如：当降温单元数量＝1时，蚀刻槽道总数量n≥3，(连接相邻降温单元的通道数量n
连
＝0)，n≥2；当n＝2，蚀刻槽道总数量n＝3时，冷却液相变回流通道数量n
回
＝1时，冷却液相变流出通道数量n
出
＝2。
19.如：当降温单元数量≥2，n＝1时，选取降温单元数量＝2，冷却液相变流出通道数量n
出
＝冷却液相变回流通道数量n
回
＝1时，根据蚀刻槽道总数量n(为已知条件)，可计算连接其他降温区的通道数量n
连
。
20.进一步地，作为冷却液相变流出通道的渐开线蚀刻槽道为逐渐变宽的结构形式，越靠近边缘冷却液储液槽的位置流道越宽；作为冷却液相变回流通道的渐开线蚀刻槽道为逐渐变窄的结构形式，越靠近初始储液槽的位置流道越宽。
21.进一步地，在所述冷却液相变回流通道的入口旁设置有冷却液循环流量调节口。
22.进一步地，所述平衡温度储液槽的直径为所对应位置蚀刻槽道宽度的1.5～2倍。
23.进一步地，当所述渐开线蚀刻槽道的结构形式为逐渐变窄或逐渐变宽时，蚀刻槽道的最宽处宽度为最窄处的2～3倍。
24.进一步地，所述vc均热板还包括与所述vc均热板下盖板焊接固定的vc均热板上盖板，所述vc均热板上盖板表面还设有用于增加散热面积的波浪形槽道。
25.本发明还公开了一种具有渐开线蚀刻槽道的超薄vc均热板的设计方法，其特征在于包括如下步骤：
26.s1、以电子元器件低温区的半径r＝πd，计算出圆形的初始储液槽的直径d；
27.s2、根据初始储液槽的直径d，在vc均热板下盖板上设计出至少一个具有渐开线蚀刻槽道的降温单元；
28.s3、设计多个降温单元时，与电子元器件的高温区位置相对应的为核心降温单元，相邻降温单元的初始储液槽之间采用等宽的渐开线蚀刻槽道连通，连通的蚀刻槽道数量根据电子元器件温控要求，散热面表面温差要求进行设计；
29.s4、流入边缘冷却液储液槽的渐开线蚀刻槽道逐步变宽，回流到初始储液槽的渐开线蚀刻槽道逐步变窄，蚀刻槽道的数量根据电子元器件温控要求，散热面表面温差要求进行设计；
30.s5、每条渐开线蚀刻槽道上均有若干数量的平衡温度储液槽；
31.s6、回流到核心降温单元的初始储液槽的渐开线蚀刻槽道回流入口旁设置冷却液循环流量调节口；s7、vc均热板上盖板蚀刻成波浪形，与vc均热板下盖板焊接固定。
32.本发明具有以下优点：
33.本发明的vc均热板结构及设计方法能够进一步降低vc均热板的体积、厚度、重量，使vc均热板向小型化、轻量化方向发展，在不使用200～250目毛细铜网作为冷却液的储存器前提下，采用渐开线的蚀刻槽道设计方法，根据发热元器件所在位置、形状、工作温度，设计冷却液相变流出通道、相变回流通道、初始储液槽、平衡温度储液槽、边缘冷却液储液槽等，本发明将初始储液槽设置在电子元器件的高温区为同一位置(如图2所示)，强制冷却液由高温区向低温区流动，确定流动方向，将散热效率提升25～30％，发热表面的温度差控制在1～3度内，总的产品厚度从0.3～0.4mm，下降到≤0.2mm，进一步提升用户的体验感。
34.本发明能够有效稳定散热元器件的运行环境，提升运行效率；同时降低了vc均热板加工工序复杂性，成本高的问题。
35.基于上述理由本发明可在精密蚀刻领域广泛推广。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1为现有技术中vc均热板组合示意图。
38.图2为发热电子元器件温度区间示意图。
39.图3为本发明渐开线蚀刻槽道设计示意图。
40.图4为本发明渐开线逐渐变宽蚀刻槽道示意图。
41.图5为本发明渐开线逐步变窄蚀刻槽道示意图。
42.图6为本发明渐开线等宽蚀刻槽道示意图。
43.图7为本发明vc均热板上盖板示意图。
44.图8为本发明vc均热板下盖板冷却液循环流量调节口示意图。
45.图9为本发明渐开线蚀刻槽道vc均热板下盖板示意图。
46.图10为本发明vc均热板下盖板边缘储液槽示意图。
47.图11为本发明vc均热板的组合示意图。
48.图中：1’、现有技术vc均热板上盖板；2’、现有技术vc均热板下盖板；、3’、毛细铜网；4’、冷却液加注口；5’、排气口；6’、半蚀刻冷却液储液槽；7’、焊接面；
49.1、vc均热板上盖板；2、vc均热板下盖板；3、冷却液加注口；4、排气口；5、冷却液循环流量调节口；6、焊接面；7、初始储液槽ⅰ；8、渐开线蚀刻槽道；9、平衡温度储液槽；10、初始储液槽ⅱ；11、初始储液槽ⅲ；12、冷却液相变流出通道；13、冷却液相变回流通道；14、高温区；15、中高温区；16、低温区；17、边缘冷却液储液槽；
50.a、降温单元ⅰ；b、降温单元ⅱ；c、降温单元ⅲ；d、蚀刻槽道连通区ⅰ(1#～5#蚀刻槽道)；e、蚀刻槽道连通区ⅱ(7#～11#蚀刻槽道)；f、冷却液流动方向。
具体实施方式
51.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.如图9所示，本发明以在vc均热板下盖板2上设置3个降温单元为例，进行阐述。vc均热板下盖板2的上端设置有冷却液加注口3和排气口4，下盖板端面为焊接面6(没有进行蚀刻的表面)，在下盖板主体部位设置降温单元和用于承接冷却液的边缘冷却液储液槽17(如图10所示，根据降温单元的设置后呈现的结构形式)。
53.根据发热电子元器件所在位置、形状、工作温度，设计初始储液槽的直径，如附图2所示：发热电子元器件温度区间示意图。高温区14温度区间在50～60℃，中、高温区温度15在40～50℃，低温区温度16在35～40℃。
54.举例说明(如图3所示)：
55.1、以低温区的半径r＝πd，计算出圆形初始储液槽的直径d；
56.2、圆形初始储液槽的位置与电子元器件的高温区为同一位置；
57.3、根据初始储液槽的直径d，采用12等分法(并不局限于12等分法，等分越多，渐开线越精确)设计出渐开线蚀刻槽道尺寸图形。
58.具体地，将圆周分成若干等分(本实施例中为12等分)，将周长πd作相同等分；过周长上各等分点作圆的切线；在第一条切线上，自切点起量取周长的一个等分(πd/12)得点1；在第二条切线上，自切点起量取周长的两个等分(2xπd/12)得点2；依此类推得点3、4、
……
、12；用曲线板光滑连接点1、2、3、
……
、12；即得圆的渐开线。
59.如图4所示，当冷却液受热汽化，从圆形初始储液槽ⅰ7向边缘冷却液储液槽17流动，渐开线蚀刻槽道8逐渐变宽；圆形平衡温度储液槽9在渐开线12等分的节点上，直径是所对应位置蚀刻槽道宽度的1.5～2倍，是进一步均匀、平衡散热面的关键结构形式，其中，f为冷却液流动方向。
60.如图5所示，冷却液冷却液化，从边缘冷却液储液槽17向圆形初始储液槽ⅰ7流动，渐开线蚀刻槽道8逐渐变宽；圆形平衡温度储液槽9在渐开线12等分的节点上，直径是所对应位置蚀刻槽道宽度的1.5～2倍，是进一步均匀、平衡散热面的关键结构形式。
61.如图6所示，冷却液受热汽化，从圆形初始储液槽ⅰ7向圆形初始储液槽ⅱ10、初始储液槽ⅲ11流动，渐开线蚀刻槽道8宽度不变。圆形平衡温度储液槽9在渐开线12等分的节
点上，直径是所对应位置蚀刻槽道宽度的1.5～2倍，是进一步均匀、平衡散热面的关键结构形式。
62.如图9所示，以圆形初始储液槽设作为基圆，在基圆上均布设计出12条渐开线蚀刻槽道，作为一个降温单元。在vc均热板下盖板2的表面蚀刻三个降温单元，如图10所示，为边缘冷却液储液槽17。
63.为保证整个降温区域快速降温、降温区温差控制在1～3℃范围内，与电子元器件的高温区为同一位置为降温单元ⅰa(核心降温区)、紧邻降温单元ⅰa两侧为降温单元ⅱb和降温单元ⅲc(注：本实例的核心降温单元温度高于其他2个降温单元；每个降温单元分别计算初始储液槽ⅰ、ⅱ、ⅲ直径“d”)。核心降温区ⅰ，蚀刻槽道总数量n＝冷却液相变流出通道数量n
出
冷却液相变回流通道数量n
回
连接相邻降温单元的通道数量n
连
。
64.降温单元ⅰa与降温单元ⅱb、降温单元ⅲc，各有5条渐开线蚀刻槽道相连，即连接相邻降温单元的通道数量n
连
＝5(即蚀刻槽道连通区ⅰd和蚀刻槽道连通区ⅱe，1#～5#蚀刻槽道和7#～11#蚀刻槽道)，蚀刻槽道宽度不变，初始储液槽ⅰ7的冷却液分别向初始储液槽ⅱ10、初始储液槽ⅲ11流动，是为了均匀发热元器件整体的温度均衡一致。
65.降温单元ⅰa中n
出
＝1，即有一条冷却液相变流出通道12直接与边缘冷却液储液槽17(6#蚀刻槽道)相连，越接近边缘冷却液储液槽17，渐开线蚀刻槽道越宽；降温单元ⅰa中n
回
＝1，即有一条冷却液相变回流通道13与边缘冷却液储液槽17相连(12#蚀刻槽道)，作为回流到初始储液槽ⅰ7的连通槽道，越接近初始储液槽，渐开线蚀刻槽道越宽，最宽处为最窄处的2～3倍。
66.降温单元ⅱb和降温单元ⅲc，各余下的7条渐开线散热蚀刻槽道出口，均与边缘冷却液储液槽17直接相连，即冷却液相变流出通道数量n
出
＝7，越接近边缘冷却液储液槽17，渐开线蚀刻槽道越宽，最宽处为最窄处的2～3倍。
67.初始储液槽ⅰ7、初始储液槽ⅱ10、初始储液槽ⅲ11中冷却液受热汽化，经过蚀刻槽道、平衡温度储液槽，逐步降温液化，进入到冷却液边缘储液槽17中混合，形成温度一致的液化冷却液，再通过冷却液相变回流通道13回流到初始储液槽ⅰ7中。
68.在本实施例中，初始储液槽ⅰ7、初始储液槽ⅱ10、初始储液槽ⅲ11和冷却液边缘储液槽17之间的冷却液压力关系为：初始储液槽ⅰ7＞初始储液槽ⅱ10、初始储液槽ⅲ11＞冷却液边缘储液槽17，冷却液相变回流通道13入口旁边有一个冷却液循环流量调节口5(在增大回流到初始储液槽ⅰ7的冷却液压力的同时，保证冷却液在边缘冷却液储液槽17中的正常循环)。
69.进一步地，冷却液循环流量调节口5的结构可以为直通道形式(如图9所示)，或者呈沿冷却液流动方向逐步变大的通道形式(如图8所示)，小端和大端宽度比＝1:2～3，根据压力调整需要设计，起中继加压作用。
70.进一步地，阐述一下采用本发明渐开线的蚀刻槽道设计方法加工的vc均热板工作过程。
71.vc均热板加工方面：
72.如图11所示，为本发明的组合示意图，在加工时，蚀刻出下盖板渐开线蚀刻槽道，上盖板波浪形散热面
→
采用原子扩散焊方式将上下盖板焊接为一体
→
抽真空、加注冷却液
→
二次除气
→
注液口、排气口焊接，完成vc均热板的制造。
73.vc均热板上盖板1、vc均热板下盖板2均可使用t＝0.08～0.1mm的铜合金材料，将vc均热板的总厚度降低到0.16～0.2mm，总厚度在原0.3～0.4mm的基础上降低40％～60％；不使用200～250目的毛细铜网、vc均热板上盖板1蚀刻成波浪形(如图7所示)，在增加散热面积，增强散热效果的同时，有效降低重量，综合减轻重量30％以上。
74.vc均热板工作原理：
75.如图9所示，初始储液槽ⅰ7在高温区，冷却液受热汽化压力增加，通过1#～5#、7#～11#渐开线等宽蚀刻槽道向初始储液槽ⅱ10、初始储液槽ⅲ11流动，并通过初始储液槽ⅱ10、初始储液槽ⅲ11各自剩余的7条渐开线蚀刻逐步变宽槽道，流向边缘冷却液储液槽17，这时冷却液冷却并液化，边缘冷却液储液槽17内压力增大；如果初始储液槽ⅰ7所在高温区温度过高，冷却液可直接汽化，通过6#渐开线蚀刻槽道(槽道逐步变宽)出口，直接流入边缘冷却液储液槽17；相应地，如果初始储液槽ⅰ7所在高温区温度不足以使冷却液直接汽化，同样冷却液可以以液化的形态从6#渐开线蚀刻槽道出口，直接流入边缘冷却液储液槽17中。
76.边缘冷却液储液槽17内液化的冷却液，通过12#渐开线逐步变窄蚀刻槽道，回流到初始储液槽ⅰ7；在12#渐开线逐步变窄蚀刻槽道入口旁边，有一个冷却液循环流量调节口5，在增大回流到初始储液槽ⅰ7的冷却液压力的同时，保证冷却液在边缘冷却液储液槽17中的正常循环。初始储液槽ⅰ7与初始储液槽ⅱ10、初始储液槽ⅲ11之间，初始储液槽ⅱ10、初始储液槽ⅲ11与边缘冷却液储液槽17之间，初始储液槽ⅰ7和边缘冷却液储液槽17之间的渐开线蚀刻槽道分别为：等宽、逐步变宽、逐步变窄蚀刻槽道结构形式，可以根据实际电子元器件的温控要求进行调整。
77.每一条渐开线蚀刻槽道上都有12个圆形平衡温度储液槽9，宽度是蚀刻槽道的1.5～2倍，用以平衡局部位置的温差，形成一个暂时性的储液槽，这样等温效果更好(温度均匀性)，具体有以下4中情况：
78.①
汽化的冷却液流经高温区，通过热传导的方式平衡高温区的温度，然后流入到边缘冷却液储液槽中。
79.②
汽化的冷却液流经低温区，通过汽化的冷却液流经低温区放热后液化的方式被带走热量，然后流入到边缘冷却液储液槽中。
80.③
液化的冷却液流经高温区，通过冷却液汽化后方式带走高温区的热量，然后流入到边缘冷却液储液槽中。
81.④
液化的冷却液流经低温区，通过热传导的方式平衡低温区的温度，然后流入到边缘冷却液储液槽中。
82.综上，本发明通过初始储液槽中的冷却液受热汽化与边缘冷却液储液槽冷却液化之间产生的压力差，推动冷却液从高温区域的初始储液槽，通过等宽、逐步变窄、逐步变宽蚀刻槽道向边缘冷却液储液槽流动，通过12#回流入口，回流到初始储液槽ⅰ中。为保证冷却液快速循环所需的压力，在12#回流入口旁边设计冷却液循环流量调节口，增大回流到初始储液槽ⅰ的冷却液压力，同时保证冷却液在边缘冷却液储液槽中的正常快速循环。渐开线蚀刻槽道数量、直接流出通道数量、直接回流通道数量，不同初始储液槽之间的连通通道数量，可以根据产品的温控、表面温差控制要求进行针对性设计。
83.以上各实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明的
精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。