大功率LED相变热沉强化沸腾结构交错犁削与烧结复合成形

针对大功率LED高热流密度导致对散热系统的极端要求，申请人提出利用内圆交错犁削技术在大直径铜管内表面加工出具有粗糙形貌特征的三维翅结构，进一步在其表面复合铜粉颗粒烧结层形成强化沸腾结构并应用于大功率相变热沉，实现在有限空间内获取极高传热效率。项目将建立不同加工条件下内圆交错犁削形成三维翅结构的加工模型，研究多种工艺因素下三维翅结构表面烧结铜粉颗粒的成形机理，探索三维翅结构对复合铜粉颗粒烧结粘结力的影响机制以及所成形的微孔或通道中毛细吸力和渗透率之间的作用关系。同时研究不同强化沸腾结构对相变热沉传热性能以及工质沸腾的影响规律，寻求三维翅结构与铜粉颗粒在传热性能最佳前提下的最优化组合，并根据散热需求确定大功率LED一体化封装相变热沉的最佳尺寸。项目的实施将促进相变热沉强化沸腾结构成形理论的进一步发展，使我国大功率LED制造技术以及热控设计理论水平达到国际先进水平。

大功率LED具有节能、环保和长寿命等优势，随着LED光源向小型化、大功率化方向发展，散热问题已成为大功率LED应用亟需解决的难题。本课题以大功率LED热沉为研究对象，提出了一种新型三维翅表面复合铜粉颗粒烧结而成强化沸腾结构。通过实验测试，数值仿真，数学建模等方法研究大功率LED相变热沉强化沸腾结构的成形机理及其传热性能。主要研究成果如下：. (1) 具有粗糙形貌特征的三维翅结构交错犁削加工机理研究.提出了相变热沉三维强化沸腾结构加工方法，采用犁切-挤压的方法研究了热沉微沟槽的成形，蒸发端表面的微沟槽由环状沟槽及径向沟槽组成，建立了犁切-挤压速度和周向螺旋状微沟槽成形时间与进给量之间的关系模型；采用冲压成形方法加工放射状径向微沟槽，建立了干涉长度和进给角度、冲压深度以及刀具夹角之间的关系模型，最终形成的三维微沟槽强化沸腾结构在蒸发端平面内实现径向和周向之间的相互连通。冷凝端表面的微沟槽采用交错犁削成形方法，犁切挤压深度、环状进给量及轴向进给量共同影响冷凝端微沟槽的表面形貌。结果表明：蒸发端毛细芯采用犁切挤压深度0.3mm，环状沟槽间距0.4mm，径向沟槽夹角为3°时，取得了较好的强化沸腾结构。冷凝端毛细芯采用犁切挤压深度为0.3mm，环状进给量为0.4mm，轴向沟槽间距为2°时，取得了较好的冷凝强化结构。. (2) 三维翅结构表面烧结铜粉颗粒层成形机理研究.采用固相烧结方法制造了三维翅表面烧结吸液芯；提出了将吸液芯烧结制造工艺：还原除气阶段，烧结开始阶段，烧结保温阶段，烧结冷却阶段，探讨了烧结温度，烧结时间，烧结气氛等对沟槽内烧结吸液芯的影响；观察了三维翅表面烧结吸液芯微观结构；结果表明：烧结温度提高，降低了吸液芯孔隙率，加大了径向收缩率及促进了烧结颈长大，烧结时间影响较小；氧化铜粉的烧结还原过程中易产生铜粉表面龟裂纹；烧结后，吸液芯晶粒长大数目变少，晶界形状变简单。. (3) 三维翅表面复合铜粉颗粒烧结层强化沸腾与传热作用机理研究.对焊接后的相变热沉进行排气、工质灌注、抽真空，搭建了相变热沉热响应红外测试系统和传热性能测试系统。测试了维翅表面复合铜粉烧结吸液芯相变热沉的启动性能、等温性能。结果发现：三维翅表面烧结复合吸液芯相变热沉具有良好的启动性能和等温性能；吸液芯烧结厚度对热阻影响最大；球形铜粉粒径对极限功率影响最大，吸液芯烧结厚度也有较大影响。