提高表面性能的方法和预成形微界面表面结构

摘要

预成形微界面表面结构和新的散热结构，本发明涉及通过新的方法通过电子元件表面的性能，采用新的通过表面性能方法形成的表面结构，新的结构使散热元件与发热元件之间的直接接触表面的接触紧密配合程度可以低成本达到气密程度。

说明书

技术领域

本发明涉及电子技术领域，提高表面性能的方法、表面形态的测量方法、元件的预成形微界面散热结构、预成形微界面表面结构的组装方法、采用上述方法和结构的元件、组装方法和散热装置；本发明尤其适用于散热领域。

背景技术

现代技术的发展推动了电子技术的飞跃进步，尤其是IC半导体和MEMS技术进步推动了集成电路、芯片、片上系统、系统芯片、合封芯片、应用处理器、人工智能芯片、显示屏、显卡、存储器、射频放大器、LED、功率器件、服务器、功放模块、电源管理和其它电子元件技术的不断进步。电子技术进步的结果就是元件和装置的超薄/小型化、轻量化、高频、高功率和高密度化。GaN半桥电路在10MHz工作频率和400V工作电压时，其每平方厘米发热功率可以达到6400W。单个图形处理器每平方厘米发热功率可以达到40W，单个中央处理器每平方厘米发热功率可以达到30W。将来高功率器件及芯片的每平方厘米发热功率或可以达到500W甚至是1000W。可半导体的耐受温度通常是90度，特殊的是105度，回流焊温度是260度，有统计研究表明，电子产品功能故障或劣化50％与温度升高有关；发热元件大多是电子元件，电子产品的热量管理成为一个具有挑战性的问题。

发热元件大多是电子元件，尤其是小型设备终端；散热结构既可以是多层结构，也可以是单层结构；散热元件既可以是多个散热元件，也可以是一个散热元件具有多个不同形状尺寸的散热表面，不同形状尺寸的散热表面可以对应不同的发热表面。电子产品的热管理过程包括传热、均热和散热。传热过程不仅与材料的性质和结构有关，还与传热材料与发热元件的接触形式有关。有研究表明：接触界面的热阻约占总热阻的50％；现有电子产品传热过程中与发热元件的接触形式主要有两种：直接接触和间接接触；通常的接触形式是间接接触。间接接触就是散热元件表面与发热元件表面通过热界面材料接触，热界面材料常见的包括垫片、凝胶、胶粘剂和相变材料；界面材料还可以分为金属和非金属。有机形式中的热界面材料的导热系数大多不超过10W/m.k的水平；液态金属的导热系数可以达到80W/m.k，液态金属表面张力大且具有粘性，液态金属具有导电性和屏蔽性，液态金属的厚度、温度、结构、合金、种类、基体表面性质都是影响液态金属流动性的因素；热界面的传热性能既与界面材料的传热系数有关，也与界面的厚度有关；如果不特别说明，本专利所述界面材料至少包括纯界面材料、界面材料的复合和化合；比如液态金属包括纯液态金属、液态金属合金和液态金属复合物。采用高分辨率手段观察热接触表面，热接触表面微观呈现的是微米级及以下的凹凸表面，现有技术大多采用粗糙度来表征表面的凹凸程度，平面度(平整度)或轮廓度也可以表征表面程度，晶片的平整度一般在1-20微米，但是粗糙度表征的是几何形状，而热传导是空间或平面接触问题，所以可以说粗糙度只能是间接地表征了热传导；两个表面直接接触后并非百分之一百的表面接触，一般认为大多在2％以内，通常情况下，即使存在压力的情况时直接表面接触的接触面积也不会超过10％；决定散热材料与发热元件接触表面的配合形态由接触面的加工精度和界面材料形态决定；非接触空间内充满了空气，空气是热的不良导体，而且非接触空间内的形状是参差不齐、形状多样；增加接触面的面积可以提高接触面的导热性能。接触面间的配合接触程度既可以通过测量表面加工精度表征，比如通过尺寸公差、轮廓度、平面度或粗糙度的大小来表示；由于流体通过密封空间时表面接触状态可以通过流体压力变化和流动泄漏数量表征；也可以借用密封概念来表征两个表面直接接触后的配合程度对于散热影响的程度；气密或液密接触配合的实现程度可以通过测量气体或液体的密封压力变化，也可以是气体或液体的密封泄漏量大小来表征接触面的接触配合程度；特别是较少采用的真空压力传热和固定组装都可以直接通过测量真空压力大小来表征接触配合程度的大小。现有技术与微界面接触面两者之间不同的传热效果也可以通过直接测量传热效率区分。直接接触密封一般是固-固接触密封，多用于航空航天或深海潜航等极端条件环境中。按接触面的加工精度排序，气密性接触的加工精度最高，液密接触的表面加工精度不高于气密接触；接触面常态配合时，接触面加工精度或配合精度没有提高，接触面直接接触时的传热系数也不会得到提高；接触表面可以是平面，也可以是曲面；精密接触还可以通过研磨方式得到，或是通过置于真空环境中得到，还可以通过液体排气的方式得到；总之接触表面的真空获得不是结构复杂就是难度较大，简便的真空获得是迫切需要的；根据散热元件与发热元件接触表面的配合情况可以有三种形态：表面加工精度配合可达到气密性接触、表面加工精度配合可达到液密性接触和现有技术的低加工精度配合的常态；导热材料与发热元件接触表面的三种形态中传热系数的大小排序，气密性接触最大，常态最小。低粗糙度可以通过精细加工得到，比如研磨、珩磨、镜面加工、超精磨、抛光、电解加工、蚀刻、激光加工等；粗糙度的测量经常采用比较法、触针法、光切法、干涉法和激光测量；在多种粗糙度的表达方法中Rz是比较直接的方式；但现有达到高加工精度表面技术不是设备技术要求高，就是过程繁琐，或者成本高。散热元件与发热元件接触表面的配合大多同时还需要提供固定保持功能，接触面包括密封结构，密封结构可以是聚合物，可以是涂层，可以是密封胶，可以是弹性体，还可以是焊接结构、卡扣结构、螺纹结构等；接触面至少有部分固定结构，固定结构形状可以是各种形状的点，可以是各种形状的边，也可以是各种形状的面；可以是一维、二维或是三维；围绕接触面的侧面至少有部分气密性密封效果。固定保持多通过粘接、焊接、螺纹和卡扣连接；特别的较少采用的是真空压力固定；现有直接接触密封通常都是大压力的密封，而电子领域元件的许用压力一般较小。在散热领域还没有表征两个表面直接接触后的影响散热程度的物理量。高导热材料的导热系数一般都在150W/m.k以上；解决接触面传热效率低下是解决热量管理问题的一个有效途径；若能同时在界面散热方法和散热结构上解决现有存在的问题，可以达到事半功倍的效果。

发明内容

本发明提出一种提高表面性能的方法和采用该方法的预成形微界面结构；一种表面形态的测量方法，一种预成形微界面表面结构的组装方法和采用该方法的结构，一种电子系统或终端。

一种提高表面性能的方法，其特征是当流体材料的表面不高于基体表面最高点，流体材料充分自由流动的条件下，提高表面性能的方法是采用适量熔点低于基体表面熔点的导热材料液体在基体表面流动形成的高精度表面，导热材料的量根据基体表面凹凸不平的粒子间隙体积和值、导热材料在基体表面的覆盖面积、基体表面凹凸的高点在流体表面露出数量、粗糙度、平整度、平面度、轮廓度或者其任意组合，至少其中一种方法确定，导热材料的熔点温度低于基体材料表面的最高工作温度；表面性能包括提高粗糙度、平整度、平面度、轮廓度的精度、提高传热性能和可形成新的组装形式；可以在散热元件与发热元件对应的接触表面之间设置密封结构；密封结构也就是固定结构，固定结构包括粘接、焊接、弹力结构、卡扣结构、螺纹结构、嵌卡结构、铆接结构，至少有一种；根据材料和结构，可以采用现有的各种焊接方式；接触面至少有一个固定结构；散热结构，一般包括散热元件、发热元件和相变材料；散热元件与发热元件通过相变材料组成散热结构；低熔点导热材料相变材料包括有机和无机相变材料，从传热的效果考虑，液态金属是比较好的选择，为了控制流体的流动可以采用至少两种熔点高低不同的相变材料，高熔点相变材料在可能流动方向的最外层；液态金属的厚度可以设置为超薄形态，液态金属这时也可以说是填充散热元件与发热元件间的间隙。

优选的基体表面预先经过处理工艺程序，预处理至少包括清洗、湿润、表面结构改性、亲和处理或者其任意组合，至少其中一种；可以通过融化、研磨、沉积、蚀刻、嵌入、贴合、CNC加工、微机电加工、高能物理等方法形成；表面可以采用物理方式、化学方式、仿生方式、超材料等方法处理设置；表面的设置包括接触面和相邻的表面；可以选择在接触的两个表面中任一表面采用上述方法或结构中的一种、两种及以上种类的结构；为了不同的设置目的，可以选择上述方法或结构中的两种及以上种类的结构用于同一结构。

优选的是在熔点低于基体表面材料的导热材料凝固前任一阶段，设置有强化工艺程序，强化工艺程序至少包括除气、设置压力、升温、添加功能助剂、强化流动性、降低流体的表面张力、高精度表面塑形、高精度表面压制或者其任意组合，至少其中一种；表面可以采用物理方式、化学方式、仿生方式、超材料等方法处理设置；可以添加降低导热材料黏度的添加剂，可以选择在接触的两个表面中任一表面采用上述方法或结构中的一种、两种及以上种类的结构；为了不同的设置目的，可以选择上述方法或结构中的两种及以上种类的结构用于同一结构。

一种表面形态的测量方法，其特征是当流体材料的表面不高于基体表面最高点时，流体材料充分自由流动的条件下，通过测量流体在基体表面上的体积、质量、流体材料在基体表面的表面覆盖面积、基体表面凹凸的高点在流体表面露出数量或者其任意组合，至少其中一种的数量，表征表面凹凸不平的粒子间隙的状态或程度；当流体材料的表面不高于基体表面最高点时，流体材料充分自由流动的条件下，流体在基体表面的参数可以表征基体表面凹凸不平的形态。

一种预成形微界面表面结构，包括散热元件和发热元件，其特征是散热元件和发热元件的接触面中，至少其中一个接触表面预先设置微界面，微界面由填充适量低熔点导热材料组成，低熔点导热材料的填充量根据基体表面凹凸不平的粒子间隙体积和值、导热材料在基体表面的覆盖面积、基体表面凹凸的高点在流体表面露出数量、粗糙度、平整度、平面度或者其任意组合，至少其中一种方法确定，低熔点导热材料的熔点不大于发热元件的最高工作温度；热界面的传热性能既与界面材料的传热系数有关，也与界面的厚度有关；接触面积越大，界面厚度越薄都有利于传热效率的提高；散热元件与发热元件之间任一接触表面的相变接触层内至少由两种不同熔点相变材料组成，熔点越高的相变材料越靠近外侧。性能包括提高导热性能、低粗糙度表面和高平面度表面；预成形元件是单独的散热元件或发热元件分别与相变层的结合。

优选的微界面采用权利要求1-4任一所上述的方法设置形成。

优选的低熔点导热材料的填充厚度为粗糙度、平整度、平面度、轮廓度或者其任意组合，至少其中一种；粗糙度、平整度、平面度、轮廓度的尺寸大多在微米级，精度高时的尺寸则在纳米级。

优选的低熔点导热材料为单体、聚合物、复合物、化合物或者其任意组合，至少其中一种；相变层有功能粒子；接触面内有电磁屏蔽粒子、磁性粒子、导热材料或纤维状粒子；相变层至少由低熔点金属组成；散热结构至少由任意两种权利要求所述散热结构的组合。

一种形成新的散热结构方法，其特征是散热元件和发热元件的接触面采用权利要求5-8所述的预成形微界面接触面结构形成，接触面结合后可以形成气密性接触、液密性接触或者其任意组合，至少其中一种；新的结构用于元件组装固定和传热，由于空间内空气的多少或状态可以通过压力变化和流动泄漏数量表征，接触面间的接触程度既可以通过测量表面加工精度表征，比如通过尺寸公差、轮廓度、平面度或粗糙度的大小来表示，也可以借用密封概念来表征两个表面直接接触后的配合程度对于散热影响的程度；气密或液密接触配合的实现程度可以通过测量气体或液体的密封压力变化，也可以是气体或液体的密封泄漏量大小来表征接触面的接触配合程度；特别的较少采用的是真空压力传热和固定都可以直接通过测量真空压力大小来表征接触配合程度的大小；现有技术与微界面接触面两者之间不同的传热效果可以通过直接测量传热效率区分；散热元件或发热元件的表面加工精度可以达到气密级或液密级；元件之间液密性接触面内至少有部分气密接触；包括两个接触面中一个接触面为气密性表面；元件之间接触面至少部分形成气密性接触，通过使元件之间接触面产生的真空压力固定元件的方法；元件之间接触面至少采用部分形成液密性接触，元件之间液密性接触面内至少可以有部分气密接触；包括两个接触面中一个接触面为气密性表面；接触面间的接触程度既可以直接通过测量表面加工精度表征；更直接的是可以通过测量现有技术与超薄接触面厚度两者之间不同的传热效率区分。液密接触表面可以是平面，也可以是曲面；气密性接触可以通过研磨方式得到，或是通过置于真空环境中得到，或是通过设置压力得到，还可以通过接触面间液体排气的方式得到，至少选择一种方式，接触面的至少一个侧面至少有密封结构；气密性接触面的至少一个面，至少有一个固定结构。

一种新的散热结构，散热元件和发热元件的接触面采用权利要求9所述的形成新的散热结构方法形成，接触面结合后可以形成气密性接触、液密性接触或者其任意组合，至少其中一种；新的结构用于元件组装固定和传热，在散热元件或发热元件的散热接触表面中，散热元件或发热元件的基质表面晶粒最高点露出液态金属相变层外表面；最佳状态是散热元件或发热元件的表面加工精度可以达到气密级或液密级；元件之间液密性接触面内至少有部分气密接触；包括两个接触面中一个接触面为气密性表面；元件之间接触面至少部分形成气密性接触，通过使元件之间接触面产生的真空压力固定元件的方法；接触面的至少一个侧面至少有密封结构；气密性接触面的至少一个面，至少有一个固定结构。

一种壳体，其特征是壳体的表面至少部分是采用任意一种权利要求所述改进型散热结构形成的表面；预成形元件是散热元件或发热元件在组成散热结构前，散热元件或发热元件的接触表面提前进行表面设置。

一种框架，其特征是框架的表面至少部分是采用任意一种权利要求所述改进型散热结构形成的表面。

电子装置防水结构，其特征是元件之间接触面至少采用部分形成液密性接触的防水结构；元件之间接触面至少有部分形成气密性接触的防水结构；元件之间液密性接触面内至少有部分气密接触；包括两个接触面中一个接触面为气密性表面。元件之间接触面至少部分形成气密性接触，通过使元件之间接触面产生的真空压力固定元件的方法。气密性接触面的至少一个侧面至少有密封结构；气密性接触面和侧面中至少一个面，至少有一个固定结构；采用上述权利要求中任一有该方法或该元件制造的防水元件、装置、产品和系统。

一种散热装置，其特征是采用上述权利要求中任一有该方法或该结构元件制造的散热装置和系统。

本发明的有益效果：

1.提出提高表面性能的方法。

2.测量表面凹凸不平形状的方法。

3.提出一种预成形微界面散热结构。

4.提出一种预成形组装方法。

5.采用预成形组装方法形成的产品、装置或系统。

附图说明

图1是微界面表面结构的示意图

1、基体，2、间隙，

具体实施方式

实施例一，预成形发热元件为芯片，首先采用通过测量芯片发热表面的可充分自由流动液体体积表征芯片表面粗糙度和表面凹凸不平的粒子间隙体积和值，芯片表面设置为水平，将去离子水涂于芯片表面，超声振动和真空除气，当液体表面与芯片表面最高点同一平面时，分别称量计算芯片的质量与添加去离子水后芯片的质量差额，根据质量差额计算去离子水的体积，根据去离子水的体积计算芯片表面粗糙度和表面凹凸不平的粒子间隙体积和值，根据芯片表面粗糙度和表面凹凸不平的粒子间隙体积和值再计算需要导热材料的数量，芯片表面超声清洗，在芯片表面采用激光加工深度为粗糙度一半的网格，导热材料选择液态金属合金-In100、Bi62、Sn31、Ga16，熔点47度，称取适量液态金属合金在芯片发热面加热融化，加热温度60度，超声振动强化流动，真空除气，加压强化流动和塑形，然后微界面冷却成形。

实施例二，预成形元件为导热碳化硅热沉板，形状为长方形，首先采用激光系统测量导热碳化硅热沉板接触表面的粗糙度Rz和表面凹凸不平的粒子间隙体积和值，根据体积和值计算需要导热材料的数量，碳化硅热沉板接触表面设置为水平，表面超声清洗，在碳化硅热沉板表面采用激光加工深度为粗糙度一半的网格，有利于流体流动，导热材料选择液态金属合金-In100、Bi66、Sn33、Ga1，熔点63度，称取适量液态金属合金在导热碳化硅热沉板热接触面加热融化，加热温度80度，超声振动强化流动，真空除气，加压强化流动和塑形，冷却成形，表面的相变层厚度还可以比导热碳化硅热沉板表面凹凸最高点高1微米。

实施例三，散热元件为均热板散热器，发热元件为IGBT芯片；均热板的可配合面积大于IGBT芯片的发热表面，导热材料为石蜡和高密度聚氯乙烯塑料混合物，熔点42度，均热板散热器和IGBT芯片接触面均水平设置，首先测量芯片发热表面和均热板散热器接触面的粗糙度和表面凹凸不平的粒子高度分布，根据粗糙度和表面凹凸不平的粒子高度分布计算除最高点占据表面外的填充面积所需要导热材料的数量，根据相变材料亲疏水性对接触表面进行亲疏水性处理，表面超声清洗，称取适量相变导热材料和助剂二苯胺，在均热板散热器和芯片发热面加热融化，加热温度60度，振动强化流动，真空除气除泡，加压强化流动和塑形，预成形微界面均热板散热器与芯片的装配表面配合后可通过相变材料层结合，均热板散热器与芯片的装配表面通过加热相变材料层的融化配合，接触面的侧面有固定结构，均热板散热器接触面内沿IGBT芯片的外形边缘有弹性凸点，凸点与IGBT芯片侧面卡扣接触，IGBT芯片在均热板散热器的接触面内固定。

实施例四，一种电子设备终端，至少包括散热部、后壳、屏蔽罩、电池部和发热部，电池部和发热部位于终端中框支撑部一侧，显示部位于终端中框支撑部的另一侧，发热部是PCB线路板，发热元件以固定在PCB线路板上的中央处理器CPU为例说明，发热元件安装在PCB线路板上，电池部和发热部分别固定于终端中框支撑部上，发热元件发热面朝向后壳，屏蔽罩固定在PCB线路板上形成屏蔽空间，散热部介于屏蔽罩和后壳之间，屏蔽罩介于散热部和发热元件之间，散热元件为均热板，中央处理器CPU发热表面、均热板与屏蔽罩各自的两个接触面都通过加工过程使表面预先设置低熔点微界面相变层，使表面设置成气密级高精度表面，粗糙度小于0.02微米，均热板的与屏蔽罩的发热面通过微界面相变层紧密接触，屏蔽罩另一面通过相变层与中央处理器CPU发热面接触，电池与中框，除固定支撑部外，中框框架之间还设置有导热部与电池接触，中框支撑部与显示屏的接触面加工精度为气密性，显示屏气密性固定在中框支撑部，显示屏与中框支撑部的接触面边缘涂有密封胶；装配表面在装配前各自通过加工过程，使装配面的精度达到双方装配后的结构为气密性接触结构；气密性接触通过液体排气装配的方式得到，所用的液体为无水酒精；两个表面间至少部分形成真空接触，并产生希望大小的大气真空压力，压力的大小与接触面的气密性程度或是气密性接触面积的多少决定；可通过测量两者间的密封受力情况确定装配效果。

实施例五，一种电子设备终端，散热部、后壳、电池部和发热部，电池部和发热部位于终端中框支撑部一侧，显示部位于终端中框支撑部的另一侧，发热部是PCB线路板，发热元件以中央处理器CPU为例说明，发热元件安装在PCB线路板上，电池部和发热元件部分别固定于终端中框支撑部上，发热元件发热面朝向后壳，后壳、散热部、屏蔽罩、发热元件依次相对，散热部为均热板，中央处理器CPU发热面、均热板和屏蔽罩的两个接触面通过加工过程使表面设置成预成形微界面相变层，每两个配合的接触面设置成分别是高低熔点相变层，表面精度达到液密程度，粗糙度小于2微米，在工作温度大于低熔点相变材料的熔点时，设置低熔点相变材料的接触面融化，屏蔽罩的两个接触面上分别有与均热板和发热元件外形适应的弹性固定结构，均热板通过弹性固定结构和相变层与屏蔽罩紧密接触，屏蔽罩与发热元件通过固定结构和相变层相互接触，固定结构在屏蔽罩与发热元件接触边缘的四边，每个边上至少有一个通孔，通过通孔注射密封胶固定，并与发热元件紧密接触，散热元件上有围绕屏蔽罩接触边缘的密封结构，接触面的侧面至少有部分密封结构，侧面包括边部，密封结构是聚合物，围绕接触面的侧面形成气密性密封效果，电池与中框，除固定支撑部外，中框框架之间还设置有导热部与电池接触，显示屏固定在中框支撑部，可通过测量两者间的液体密封泄漏情况确定装配效果。

本说明书只是示范性举例说明，非必要的现有技术多有省略；在现有技术条件下，在权利要求书所确定的范围内，一般人员可能知道的所有的可能形式、方法、形状和结构，都是本发明的保护范围。