浸没冷却散热结构、散热器、散热系统及其制作方法技术方案

本发明专利技术公开了一种浸没冷却散热结构、散热器、散热系统及其制作方法。所述浸没冷却散热结构包括沸腾换热单元，所述沸腾换热单元包括相背对设置的第一面和第二面，所述第一面分布有由多个相对凸起部和/或多个相对凹下部组成的微结构，所述第一面至少用以与电绝缘性的浸没冷却介质接触，所述第二面为光滑面并用以与发热元件贴合，或者所述第二面与发热元件一体设置。本发明专利技术提供的浸没冷却散热结构具有更高的换热面积、更多的成核位点、更强的毛细补液能力，沸腾换热性能卓越，传热系数以及临界热流密度高、核态沸腾起始点过热度低，在小空间高热流散热应用场景极具优势，同时制造工艺相对灵活而且可控，成本低廉，可工业化规模应用、市场竞争力强。

【技术实现步骤摘要】
浸没冷却散热结构、散热器、散热系统及其制作方法
本专利技术涉及一种高效传热结构，具体涉及一种浸没冷却散热结构、散热器、散热系统及其制作方法，属于微纳结构设计与加工

技术介绍
近年来，伴随电子芯片朝集成化、微型化、高功率方向发展，传统的散热技术越来越难以满足小空间高热流散热需求。针对这一问题，浸没式冷却技术应运而生。这种新技术直接将电子芯片等发热元件浸入到FC-72、Novec7100等有机工质冷却液中，冷却液在芯片表面发生剧烈的核态沸腾从而带走热量实现高效电子冷却。针对电子芯片紧邻外罩金属表面光滑不利于汽化、沸腾传热系数低的技术问题，曙光节能技术股份有限公司公开了一种基于金属颗粒烧结产生多孔金属覆盖层的冷却装置(CN106455446A)。这种多孔膜层相比光滑金属表面尽管能够形成更多的汽化核心，有利于强化沸腾传热，但这种多孔金属冷却装置散热性能有限，仍不能满足高功率CPU、GPU等电子芯片的散热需求。针对这一问题，曙光节能技术股份有限公司2017年进一步提出了一种基于平板热管与烧结铜粉联用的CPU散热装置(CN107168493A)，在铜片表面烧结铜粉并低温焊接在热管表面。相比直接在光滑实心铜片表面烧结多孔金属覆盖层，这种散热器拥有相对较高的散热性能，但其散热能力仍旧难以满足更高功率GPU等高热流发热元件的散热需求，当配套350W以上GPU电子芯片时，其产品性能一致性也难以保障。针对上述问题，如何开发结构设计紧凑、重量更轻、能满足不同功率尤其350W以上更高功率电子芯片小空间高热流散热需求且产品性能一致性更好的新型散热器已成为业界当前亟须解决的重大技术挑战。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种浸没冷却散热结构、散热器、散热系统及其制作方法，以克服现有技术中的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术的一些实施例提供的一种浸没冷却散热结构包括沸腾换热单元，所述沸腾换热单元包括相背对设置的第一面和第二面，所述第一面分布有由多个相对凸起部和/或多个相对凹下部组成的微结构，所述第一面至少用以与电绝缘性的浸没冷却介质接触，所述第二面为光滑面并用以与发热元件导热连接，或者，所述第二面与发热元件一体设置。在一些实施方式中，所述相对凸起部包括微柱，所述相对凹下部包括微槽，所述微槽、微柱为规则或不规则形状的，多个微槽和/或多个微柱在所述第一面离散分布或紧密排列。例如，前述的微柱可以是圆柱、方柱、多棱柱等规则形状的，也可以是具有渐变直径的柱(例如上细下粗或者上粗下细的柱)等，其可以是竖立形态的，也可以是倾斜的，且不限于此。例如，前述的微槽可以是方槽、V型槽等规则形状的，也可以是其它不规则形状的槽，且不限于此。在一些实施方式中，所述微槽的宽度为50μm～600μm、深度为0.15mm～20mm，相邻微槽的间距为50μm～600μm。在一些实施方式中，所述微柱的直径为50μm～600μm、高度为0.15mm～20mm，相邻微柱的间距为50μm～600μm。在一些实施方式中，所述微槽的槽壁为实心结构。在一些实施方式中，所述微槽的槽壁表面和/或内部具有多孔结构。在一些实施方式中，所述微柱的柱体为实心结构。在一些实施方式中，所述微柱的柱体表面和/或内部具有多孔结构。在一些实施方式中，所述微结构上还形成有微纳结构。在一些实施方式中，所述微纳结构包覆所述微结构。在以上的实施方式中，通过在所述沸腾换热单元的第一面设置前述微结构或者微结构及微纳结构，可以为沸腾换热单元提供更高换热面积、更多成核位点、更强毛细补液能力，尤其是对于电绝缘性的浸没冷却介质来说，其可以形成更小的气泡脱离尺寸、更快的更新频率、大大减低核态沸腾所需的起始过热度，从而带来更好的散热效果。其中，所述微结构、微纳结构的构型可以根据不同散热需求而调整。附及，这些微纳构型同样可用于其它传热应用场景，包括但不限于空气对流散热、冷凝与沸腾传热等。在一些实施方式中，所述微纳结构形成在所述相对凸起部和/或相对凹下部的表面，例如所述相对凸起部的外壁上，或者所述相对凹下部的内壁上，或者其它表面或内部位置，或者，也可以分布在各相对凸起部和/或各相对凹下部之间的区域。在一些实施方式中，所述微纳结构包括纳米森林、微纳突起、微纳孔结构中的任意一种或多种的组合，但不限于此。在一些实施方式中，所述纳米森林包括多个规则或不规则形状的针、锥、线、棒或其它一维、二维、三维形态中的任意一种或多种的组合，其构筑单元可以是实心或中空。进一步的，所述针、锥、线、棒或其它形态中任一者的直径为50～3000nm，高度为0.2～30μm。在一些实施方式中，所述微纳突起包括多个规则或不规则形状的锥、柱、片或其它其它一维、二维、三维形态中的任意一种或多种的组合，但不限于此。进一步的，所述锥、柱、片或其它形态中任一者的特征长度为0.05～30μm。在一些实施方式中，所述微纳孔包括多个规则或不规则形状的孔洞，其中各孔洞彼此独立或者相互连通。进一步的，所述孔洞的深度为0.1～12μm、孔径为0.1～12μm。在一些实施方式中，所述微结构、微纳结构可以是多级的，例如可以将纳米森林、微纳突起、微纳孔结构等与微槽或微柱结构等进行组合而形成复合微纳结构，在此基础上，还可以进一步复合更精细的纳米森林、微纳突起、微纳孔结构等。这些组合而成的分级微纳结构可以全部是由铜或其它任意单一材质组成也可以根据需要选配异种材质组成。在一些实施方式中，所述沸腾换热单元第二面为平滑面，以更紧密的与发热元件贴合。在一些实施方式中，所述沸腾换热单元第二面的平面度小于0.03mm，以尽可能减少与发热元件的界面接触热阻。在一些实施方式中，也可以将所述沸腾换热单元第二面与发热元件一体设置。例如，对于一些需要散热的半导体器件来说，可以直接在其一侧表面形成前述的微结构或微结构与微纳结构，即，使半导体器件本身构成前述沸腾换热单元。这些半导体器件可以是化合物半导体器件(如InP、GaAs等)、宽禁带半导体器件(如GaN、SiC等)、Si集成器件、其它III-V族半导体器件等，也可以是其它微机电系统(MEMS)等等。在一些实施方式中，所述电绝缘性的浸没冷却介质可以选用本领域已知的类型，例如FC-72、Novec7100等，且不限于此。在一些实施方式中，所述沸腾换热单元的基材包括高导热金属平板或高导热平板热管。其中，所述高导热金属平板可以是实心的或空心的。在一些实施方式中，所述沸腾换热单元的材质包括铜、其它高导热金属或非金属材料，例如陶瓷、半导体材料等或前述材料的复合材料。在一些实施方式中，所述微结构、微纳结构的材质可以是铜或其他材料，例如陶瓷、半导体材料等或前述材料的复合材料。在一些实施方式中，所述微结构、微纳结构可以采用本领域已知的多种物理、化学加工方式制作形成，例如机械加工方法、激光雕刻、干法化学刻蚀、湿法化学腐蚀、磁控溅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种浸没冷却散热结构，其特征在于包括沸腾换热单元，所述沸腾换热单元包括相背对设置的第一面和第二面，所述第一面分布有由多个相对凸起部和/或多个相对凹下部组成的微结构，所述第一面至少用以与电绝缘性的浸没冷却介质接触，所述第二面为光滑面并用以与发热元件导热连接，或者，所述第二面与发热元件一体设置。/n

【技术特征摘要】
1.一种浸没冷却散热结构，其特征在于包括沸腾换热单元，所述沸腾换热单元包括相背对设置的第一面和第二面，所述第一面分布有由多个相对凸起部和/或多个相对凹下部组成的微结构，所述第一面至少用以与电绝缘性的浸没冷却介质接触，所述第二面为光滑面并用以与发热元件导热连接，或者，所述第二面与发热元件一体设置。


2.根据权利要求1所述的浸没冷却散热结构，其特征在于：所述相对凸起部包括微柱，所述相对凹下部包括微槽，所述微槽、微柱为规则或不规则形状的，多个微槽和/或多个微柱在所述第一面离散分布或紧密排列；和/或，所述沸腾换热单元第二面的平面度小于0.03mm；和/或，所述沸腾换热单元的基材包括高导热金属平板或高导热平板热管。


3.根据权利要求2所述的浸没冷却散热结构，其特征在于：所述微槽的宽度为50μm～600μm、深度为0.15mm～20mm，相邻微槽的间距为50μm～600μm；和/或，所述微柱的直径为50μm～600μm、高度为0.15mm～20mm，相邻微柱的间距为50μm～600μm；和/或，所述微槽的槽壁为实心结构，或者，所述微槽的槽壁表面和/或内部具有多孔结构；和/或，所述微柱的柱体为实心结构，或者，所述微柱的柱体表面和/或内部具有多孔结构。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的浸没冷却散热结构，其特征在于：所述微结构上还形成有微纳结构，所述微纳结构包括纳米森林、微纳突起、微纳孔结构中的任意一种或多种的组合。


5.根据权利要求4所述的浸没冷却散热结构，其特征在于：所述纳米森林包括多个规则或不规则形状的针、锥、线、棒中的任意一种或多种的组合，且所述针、锥、线、棒中任一者的直径为50～3000nm，高度为0.2～30μm；和/或，所述微纳突起包括多个规则或不规则形状的锥、...

【专利技术属性】
技术研发人员：高雪峰，王睿，陈诗翰，高志强，吴菲菲，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32