【封面文章】湖北工业大学娄德元副教授等:飞秒激光选区微织构AlN超浸润平板热管

科技   2024-09-30 14:14   重庆  

















































背景与意义

随着新能源汽车、新一代通讯技术的发展,寿命长、大功率、小型化的IGBTMOSFETLED等器件的应用越来越广泛。高功率集成电路的基板常采用低热阻、热膨胀系数相匹配的陶瓷材料。目前常见的陶瓷基板主要有Al2O3BeOCBNAlN等陶瓷材料。其中AlN陶瓷材料具有导热性好、无毒、绝缘性好、性能稳定等特点,是微电子电路的常用基板。在高频电路升温时,AlN晶体的晶格振动增强,使AlN基板的热损耗较大。

为了提升AlN基板的散热性能,湖北工业大学娄德元副教授团队提出电路陶瓷基板嵌入一体化平板热管的设计,将导热性较好的AlN陶瓷作为平板表面毛细芯的材料,通过飞秒激光微织构技术结合热处理工艺制备出AlN亲疏水组合表面,并组装嵌入式一体化平板热管,测试其传热性能。通过三维表面轮廓仪、SEMEDSXPS分别分析表面的三维轮廓、形貌、元素含量和化学成分,研究表面亲、疏水的形成机理。嵌入一体化AlN平板热管的设计和无化学激光选区微织构方法,为电子陶瓷基板的散热提供了一种新思路。
图文导读

AlN试样的三维表面轮廓,如图1所示。图1a为原始表面,表面沟槽深度为63.88 μm,表面粗糙度Ra8.81μm;图1b为微织构、热处理表面,沟槽深度为210.71 μmRa13.14 μm;图1c为二次选区微织构的超亲水表面,沟槽深度为249.55 μmRa16.58 μm。图1d为选区微织构超疏水-超亲水边界上的三维形貌,可以观察到左右2个部分存在明显的高度差,图中左侧为二次选区微织构的超亲水表面,右侧为未进行二次微织构的超疏水表面,沟槽与凸起的最大高度差为399.29 μmRa19.62 μm

2是微织构并热处理AlN表面的SEM图像,从图2a可明显看出,飞秒激光井字形扫描痕迹,出现了周期性沟槽与凸起结构。从图2b~c可以看出,织构后的AlN表面有很多片状结构,片状结构之间又有大量数微米尺寸的孔洞分布。由图2d可知,有纳米绒毛团簇散布于整个AlN表面,表面呈超疏水状态。

3是二次微织构区域AlN表面的SEM图像。如图3a所示,飞秒激光井字形扫描痕迹明显,有周期性沟槽与凸起结构。由图3b~d可知,激光飞秒激光烧蚀和溅射的孔洞和裂纹分布明显。由图3d可知,热处理产生的纳米绒毛团簇结构几乎全部消失,只剩下“光秃”片状结构。二次织构区域呈现超亲水状态。

3组试样的启动温度曲线如图4所示,在热管达到启动温度之前,管内的工作介质还没有沸腾。因此,蒸发段释放的温度不能使工质汽化,而热管也无法正常工作,所以P1测温区的温度会持续上升。当达到启动温度时,P1测温区的温度会在一个稳态值附近波动,表明此时蒸发段的输入能量和冷凝段的输出能量保持平衡。

由图4可知,#3的启动时间最短,约为80 s,启动温度也最低,约为81.5 ℃;#2次之,启动时间约为86 s,启动温度约为83.7 ℃;#1启动时间最长,约为94 s,启动温度最高,约为86.7 ℃。与#1相比,#3启动时间降低了14.9%,启动温度降低了6.0%,其热响应速度最快。

结论

为提升陶瓷基板的散热性能,提出嵌入式一体化基板热管设计,通过飞秒激光微织构技术制备出AlN亲疏水组合表面,并组装成嵌入式平板热管,研究其传热性能提升的机理,得到主要结论如下:

1)激光微织构并热处理后,AlN表面由原始的亲水状态转化为超疏水状态。这是由于在激光微织构并热处理的过程中,AlN表层氧化为较低表面能的Al2O3。经过二次激光微织构后,AlOx(多价铝氧化物)含量增加,表面能增大,呈超亲水状态。

2)全亲水、矩形亲-疏条纹、楔形亲-疏条纹3组AlN平板热管中,楔形组合热管的响应速度最快,相较于全亲水热管和矩形组合热管分别提升了14.9%和7%,启动温度分别降低了6%和2.6%。楔形组合的热阻最低且热流密度最高,相较于全亲水和矩形组合热管,热阻分别降低了33.3%和16.1%,热流密度分别提升了2%和1.6%。

3)楔形亲疏组合表面充分利用了楔形通道的自输运能力,使热管内液体快速输运,提高了热管传热性能。嵌入一体化平板热管的设计和无化学飞秒激光选区微织构技术,为电子陶瓷基板的散热提供了一种新思路。
文章信息

该文章发表在《表面技术》第53卷第16期。

引文格式:娄德元, 李珩, 邱媛, 等. 飞秒激光选区微织构 AlN 超浸润平板热管[J]. 表面技术, 2024, 53(16): 182-189.

LOU Deyuan, LI Heng, QIU Yuan, et al. AlN Superwet Flat Heat Pipes Fabricated by Femtosecond Laser Selective Micro Texturing[J]. Surface Technology, 2024, 53(16): 182-189.

DOI:10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.16.015

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编辑 | 邓李旸


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审核|汪  潇

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