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紅外激光刻蝕微熱管復(fù)合溝槽的工藝研究

發(fā)布時(shí)間:2024-01-31 來源:元祿光電

微熱管技術(shù)是隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展而興起的一門新技術(shù),它利用工質(zhì)液體在微小空間內(nèi)的相變過程進(jìn)行熱量傳遞,具有優(yōu)越的導(dǎo)熱性能和等溫特性,被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍用武器、LED照明、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的電子設(shè)備,已成為現(xiàn)代散熱技術(shù)重要的發(fā)展方向。微熱管的傳熱性能主要取決于管內(nèi)吸液芯的結(jié)構(gòu),目前吸液芯主要采用燒結(jié)式和溝槽式兩大類。溝槽式微熱管具有壁薄、重量輕、不存在接觸熱阻、熱響應(yīng)快、吸液芯不易損壞等優(yōu)點(diǎn),符合電子元器件輕薄短小化的發(fā)展趨勢,是熱管技術(shù)領(lǐng)域中重要的發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)。

目前廣泛應(yīng)用于制備微熱管溝槽的方法有旋壓成形法、覆蓋式微溝槽加工法、銅箔折疊焊接法、深反應(yīng)蝕刻法、電火花加工法、電解加工法等,這些方法加工的溝槽表面光滑,為微熱管工質(zhì)回流提供的毛細(xì)壓力不足,難以支持較高的工質(zhì)回流量,限制了溝槽式微熱管的廣泛應(yīng)用。為此,TANG等人提出一種擠壓-犁削成形的方法加工微熱管內(nèi)壁溝槽,生成的擠壓-犁削復(fù)合溝槽由主溝槽和次溝槽組成,主溝槽和次溝槽共同提供毛細(xì)壓力,參與熱流的傳遞過程。實(shí)驗(yàn)研究表明,這種復(fù)合溝槽結(jié)構(gòu)能顯著改善微熱管的傳熱性能。但使用擠壓-犁削法加工微熱管復(fù)合溝槽時(shí),多齒刀具結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜,設(shè)計(jì)、制造困難,翅結(jié)構(gòu)成形機(jī)理復(fù)雜,成形過程難以控制,加工過程產(chǎn)生刀具磨損的同時(shí)會對微熱管管壁造成損害。更重要的是,受多齒刀具加工能力的限制,微熱管復(fù)合溝槽的尺寸受限,生成的主溝槽和次溝槽深寬比均較小。

目前,國內(nèi)外對于激光制備微熱管毛細(xì)溝槽已有廣泛的研究。XIE等人采用波長為1064nm的納秒紅外光纖激光在微熱管紫銅基板表面進(jìn)行刻槽,加工出深度為100μm、寬度為30μm的毛細(xì)溝槽,該深寬比的微溝槽具有較強(qiáng)的毛細(xì)力。OH等人采用激光濕法刻蝕的方法,將波長為532nm的全固態(tài)半導(dǎo)體激光器(diode pumped solid-state laser,DPSSL)激光聚焦在浸泡于循環(huán)蝕刻液的不銹鋼基板表面,通過控制激光的掃描路徑刻蝕出所需的毛細(xì)結(jié)構(gòu),最終獲得了寬度為15μm、深寬比為10的微溝槽。綜合國內(nèi)外研究,關(guān)于激光制備微熱管毛細(xì)溝槽的研究主要集中在增大毛細(xì)溝槽的深寬比,從而提高溝槽提供的毛細(xì)壓力。如果激光刻蝕的過程中能形成類似擠壓-犁削法加工的復(fù)合溝槽,將能進(jìn)一步增大微溝槽提供的毛細(xì)壓力。

本文中結(jié)合激光刻蝕法和犁削成形法的特點(diǎn),在激光刻蝕法制備大深寬比毛細(xì)溝槽的基礎(chǔ)上,對擠壓-犁削法加工的復(fù)合溝槽進(jìn)行改進(jìn)。通過激光刻蝕的方法,在加工出主溝槽的同時(shí),利用相鄰主溝槽表面之間的相鄰熔凝物形成次溝槽,由此加工出主溝槽和次溝槽寬度小、深寬比大的微米級復(fù)合溝槽,增加工質(zhì)回流的截面積,降低工質(zhì)的回流阻力,大幅提高毛細(xì)壓力,從而提高微熱管的傳熱性能。此外,借助激光非接觸式加工的特點(diǎn),不會對微熱管管壁造成損害。因此,使用激光刻蝕的方法制備微熱管復(fù)合溝槽是一種可行高效的方案,研究激光刻蝕微熱管復(fù)合溝槽的加工工藝,對提高溝槽式微熱管的傳熱性能具有重要意義。

1.   實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1   實(shí)驗(yàn)材料

本文中所采用的銅基板是由泉州金屬材料有限公司生產(chǎn)的紫銅板,銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.99,尺寸為100mm×15mm×1mm。實(shí)驗(yàn)前,用1000目的SiC砂紙將銅基板表面打磨到無明顯劃痕,將銅基板放置在超聲波清洗儀中,依次用去離子水和無水乙醇清洗15min,去除銅基板表面的粉塵和油污,然后用丙酮溶液清洗5min去除銅基板表面的有機(jī)雜質(zhì),最后用去離子水清洗10min去除殘留在基底表面的物質(zhì)。

1.2   實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本文中所采用的加工設(shè)備是型號為HT-20F的多功能可調(diào)諧脈沖光纖激光加工設(shè)備。所用激光器波長為1064nm;光束質(zhì)量因子M21.5;光斑直徑為30μm;脈沖寬度4ns~200ns可調(diào);輸出功率為20W;重復(fù)頻率為1000kHz;掃描速率為2000mm/s,如圖 1所示。圖 1a所示為軟件顯示界面;圖 1b所示為激光器控制面板,可以對激光功率、脈寬、重復(fù)頻率、掃描速率和掃描次數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié);圖 1c所示為X-Y運(yùn)動平臺,包括激光頭、工作臺等。

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Figure 1.  Processing equipment of pulse fiber laser

 

為獲得理想的復(fù)合溝槽尺寸及形貌,實(shí)驗(yàn)后需要對復(fù)合溝槽的形貌進(jìn)行觀測,獲得復(fù)合溝槽的相關(guān)尺寸數(shù)據(jù),進(jìn)而對刻蝕結(jié)果進(jìn)行分析。本文中采用OLYMPUS公司的OLS4000激光共聚焦顯微鏡觀測復(fù)合溝槽的3維形貌,并測量復(fù)合溝槽的幾何尺寸。OLS4000激光共聚焦顯微鏡的放大倍率為108~17280倍,平均分辨率為120nm,垂直分辨率為0.01μm,可實(shí)現(xiàn)微米和亞微米級非破壞3-D表面形貌觀察,并進(jìn)行高度、寬度、體積、面積等數(shù)據(jù)的測量。

1.3   復(fù)合溝槽刻蝕效果的評價(jià)指標(biāo)

微熱管的傳熱存在著一系列的工作峰值,其中較主要的工作峰值為毛細(xì)峰值。毛細(xì)峰值是指微熱管毛細(xì)溝槽為工質(zhì)液體循環(huán)提供的較大毛細(xì)壓力不足以克服各阻力而導(dǎo)致的傳熱峰值。本文中用激光刻蝕法制備的微熱管復(fù)合溝槽,旨在增大毛細(xì)溝槽能提供的較大毛細(xì)壓力,從而提高微熱管的毛細(xì)峰值。因此,以復(fù)合溝槽為工質(zhì)液體循環(huán)提供的較大毛細(xì)壓力作為其刻蝕效果的評價(jià)指標(biāo)。本文中推導(dǎo)出計(jì)算復(fù)合溝槽較大毛細(xì)壓力Δpcap,max的公式如下:

Δpcap,max=4σ(4δ12?w12)w1(4δ12+w12)+4σ(4δ22?w22)w2(4δ22+w22)Δpcap,max=4σ(4δ12?w12)w1(4δ12+w12)+4σ(4δ22?w22)w2(4δ22+w22)

(1)

式中,σ為工質(zhì)液體的表面張力系數(shù);δ1δ2分別為主溝槽和次溝槽的深度;w1w2分別為主溝槽和次溝槽的寬度。

2.   實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1   激光重復(fù)頻率對復(fù)合溝槽尺寸的影響規(guī)律

選用不同的激光重復(fù)頻率,其余激光工藝參量不變,在微熱管銅基板表面進(jìn)行復(fù)合溝槽的刻蝕。實(shí)驗(yàn)條件為:激光平均功率20W,脈寬100ns,掃描速率200mm/s,掃描次數(shù)20次,掃描間距95μm。使用激光共聚焦顯微鏡測量主溝槽和次溝槽的深度和寬度,繪制復(fù)合溝槽的幾何尺寸隨激光重復(fù)頻率的變化曲線,如圖 2所示。

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Figure 2.  Effect of laser repetition frequency on the size of composite groove

 

當(dāng)激光重復(fù)頻率在10kHz~40kHz時(shí),雖然單脈沖能量隨著激光重復(fù)頻率的增大而減小,但激光光斑的重疊率增大,作用在材料上的激光脈沖個數(shù)增加,導(dǎo)致材料去除率增大,產(chǎn)生氣相材料的比重提高,材料的蒸汽壓力隨之增大,使得氣相材料在噴濺過程中帶走的液相物質(zhì)增多,堆積在主溝槽表面的熔凝物高度和厚度變大,因此主溝槽和次溝槽的深度增加。由于掃描間距不改變,而構(gòu)成次溝槽的熔凝物厚度變大,故相鄰熔凝物間的距離減小,即次溝槽的寬度減小。受激光光斑直徑大小的限制,主溝槽寬度變化不大。

當(dāng)激光重復(fù)頻率增大至50kHz時(shí),雖然激光光斑的重疊率增大,但此時(shí)單脈沖能量減小到了一定程度,材料的去除率降低,材料的蒸汽壓力下降,噴濺堆積在主溝槽表面的熔凝物高度和厚度均減小。此外,由于激光重復(fù)頻率增加,相鄰脈沖的間隔時(shí)間縮短,當(dāng)前一個脈沖產(chǎn)生的等離子體和氣相物質(zhì)尚未從溝槽中完全排除時(shí),下一個脈沖就已經(jīng)開始作用在材料上,上一個脈沖未排完的等離子體和氣相物質(zhì)就會吸收其中的一部分能量,增加了激光能量的損耗,也會影響復(fù)合溝槽的幾何尺寸。因此,主溝槽和次溝槽的深度減小,次溝槽的寬度增大。

當(dāng)激光重復(fù)頻率繼續(xù)增大至60kHz時(shí),此時(shí)由于單脈沖能量過小,激光能量密度低于材料的損壞閾值,故達(dá)不到去除材料的效果。

利用(1)式計(jì)算不同激光重復(fù)頻率下制備的微熱管復(fù)合溝槽提供的較大毛細(xì)壓力,如表 1所示(其中σ為微熱管工質(zhì)液體的表面張力系數(shù),隨微熱管的工作溫度變化)。由表 1可知,當(dāng)激光重復(fù)頻率為40kHz時(shí),微熱管復(fù)合溝槽提供的較大毛細(xì)壓力較大。

Table 1.  Maximum capillary pressure of composite groove under different laser repetition frequency

laser repetition frequency/kHz

10

20

30

40

50

maximum capillary pressure/Pa

60084σ

98088σ

112893σ

129656σ

90484σ

 

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2.2   激光掃描速率對復(fù)合溝槽尺寸形貌的影響規(guī)律

掃描速率為50mm/s~300mm/s時(shí),在微熱管銅基板表面進(jìn)行復(fù)合溝槽的刻蝕。實(shí)驗(yàn)條件為:激光平均功率20W,脈寬100ns,重復(fù)頻率40kHz,掃描次數(shù)20次,掃描間距95μm。使用激光共聚焦顯微鏡觀察不同激光掃描速率下復(fù)合溝槽的形貌,如圖 3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)激光掃描速率為50mm/s時(shí),無法加工出復(fù)合溝槽,如圖 3a所示; 當(dāng)激光掃描速率不小于100mm/s時(shí),復(fù)合溝槽形貌良好,如圖 3b所示。

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Figure 3.  Effect of laser scanning velocity on the morphology of composite groove

 

當(dāng)激光掃描速率為50mm/s時(shí),輻照區(qū)域內(nèi)材料接收到的脈沖個數(shù)過多,較大的激光能量使得材料表面發(fā)生劇烈的熔化汽化現(xiàn)象,過量的熔凝物噴濺堆積在主溝槽表面,不利于形成次溝槽。當(dāng)激光掃描速率不小于100mm/s時(shí),熔化汽化作用減弱,堆積在主溝槽表面的熔凝物減少,此時(shí)可形成次溝槽。

使用激光共聚焦顯微鏡測量主溝槽和次溝槽的深度和寬度,繪制復(fù)合溝槽的幾何尺寸隨激光掃描速率的變化曲線,如圖 4所示。

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Figure 4.  Effect of laser scanning velocity on the size of composite groove

 

當(dāng)激光掃描速率為100mm/s時(shí),熔化汽化作用仍較強(qiáng),噴濺堆積在主溝槽表面的熔融物較多,造成次溝槽的寬度較小。由于熱累積效應(yīng)明顯,重新回流到主溝槽內(nèi)的熔融物較多,因此主溝槽和次溝槽的深度均較小。當(dāng)激光掃描速率增大至150mm/s以上時(shí),輻照區(qū)域內(nèi)材料吸收的激光能量減少,材料的去除率降低,因此主溝槽深度減小。此時(shí)熔化汽化作用減弱,噴濺堆積在主溝槽表面的熔凝物減少,熔凝物高度、厚度相應(yīng)減小,因此次溝槽深度減小、寬度增大。受激光光斑直徑的限制,主溝槽寬度變化不大。

利用(1)式計(jì)算不同激光重復(fù)頻率下制備的微熱管復(fù)合溝槽提供的較大毛細(xì)壓力,如表 2所示。由表 2可知,當(dāng)激光掃描速率為150mm/s時(shí),微熱管復(fù)合溝槽提供的較大毛細(xì)壓力較大。

Table 2.  Maximum capillary pressure of composite groove under different laser repetition frequency

laser scanning velocity/(mm·s -1)

100

150

200

250

300

maximum capillary pressure/Pa

128926σ

145777σ

130383σ

113643σ

108041σ

 

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2.3   激光掃描次數(shù)對復(fù)合溝槽尺寸形貌的影響規(guī)律

研究不同激光掃描次數(shù)對復(fù)合溝槽尺寸形貌的影響規(guī)律,只改變激光掃描次數(shù),進(jìn)行激光刻蝕微熱管復(fù)合溝槽的單因素實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件為:激光平均功率20W,脈寬100ns,重復(fù)頻率40kHz,掃描速率150mm/s,掃描間距95μm。使用激光共聚焦顯微鏡觀察不同激光掃描次數(shù)下復(fù)合溝槽的形貌,如圖 5所示。

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Figure 5.  Effect of laser scanning times on the morphology of composite groove

 

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)激光掃描次數(shù)小于等于30次時(shí),復(fù)合溝槽形貌良好,如圖 5a所示。當(dāng)激光掃描次數(shù)大于35次時(shí),主溝槽表面兩端的熔凝物會出現(xiàn)一高一低的現(xiàn)象,無法形成次溝槽,如圖 5b所示。原因在于:激光掃描次數(shù)過多時(shí),材料吸收的激光能量較多,熱累積效應(yīng)明顯,熱影響區(qū)較大。沿激光掃描方向,加工下一條主溝槽時(shí)的熱影響區(qū)覆蓋了上一條主溝槽較近一端的熔凝物,使其重新熔化后回流到主溝槽中,因此出現(xiàn)一高一低的現(xiàn)象。

6所示為1064nm紅外光纖激光刻蝕微熱管復(fù)合溝槽后,主溝槽和次溝槽的幾何尺寸隨激光掃描次數(shù)的變化規(guī)律曲線。

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Figure 6.  Effect of laser scanning times on the size of composite groove

 

當(dāng)激光掃描次數(shù)在10~25次時(shí),隨著激光掃描次數(shù)增加,輻照區(qū)域內(nèi)材料接收到的激光能量增多,材料的去除率提高,熔化汽化作用增強(qiáng),導(dǎo)致堆積在主溝槽表面的熔凝物高度和厚度變大,因此主溝槽和次溝槽的深度增加,次溝槽的寬度減小。由于激光掃描次數(shù)的改變并不改變單脈沖能量和激光光斑直徑的大小,所以主溝槽的寬度變化不大。

主溝槽的深度并不會隨激光掃描次數(shù)的增加而無限增大,將到達(dá)一定峰值。當(dāng)激光掃描次數(shù)增大至30次時(shí),造成深度峰值的原因可能有以下幾點(diǎn):(1)由于激光掃描過程焦點(diǎn)位置不移動,激光到達(dá)主溝槽底部時(shí)的光斑直徑較大,較低的激光能量密度不足以引起對材料的刻蝕;(2)隨著刻蝕過程的進(jìn)行,主溝槽的深度已達(dá)一定程度,溝槽底部產(chǎn)生的熔融物排除難度增大;(3)隨著激光掃描次數(shù)的增加,熱影響區(qū)增大,主溝槽表面的熔凝物重新熔化后回流到主溝槽內(nèi),造成主溝槽和次溝槽的深度減小,次溝槽寬度增大。

當(dāng)激光掃描次數(shù)大于35次時(shí),主溝槽表面兩端的熔凝物會出現(xiàn)一高一低的現(xiàn)象,無法形成次溝槽。

計(jì)算不同激光掃描次數(shù)下制備的微熱管復(fù)合溝槽提供的較大毛細(xì)壓力,如表 3所示。由表 3可知,當(dāng)激光掃描次數(shù)為25次時(shí),微熱管復(fù)合溝槽提供的較大毛細(xì)壓力較大。

Table 3.  Maximum capillary pressure of composite groove under different laser scanning times

laser scanning times

10

15

20

25

30

maximum capillary pressure/Pa

83296σ

125350σ

144855σ

157282σ

133478σ

 

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3.   結(jié)論

通過單因素實(shí)驗(yàn)法研究了不同激光工藝參量(激光重復(fù)頻率、掃描速率、掃描次數(shù))1064nm紅外光纖激光刻蝕微熱管復(fù)合溝槽尺寸及形貌的影響規(guī)律。

(1) 當(dāng)激光重復(fù)頻率為10kHz~50kHz時(shí),隨著激光重復(fù)頻率的增加,主溝槽的深度先增大后減小,寬度變化不大;次溝槽的深度先增大后減小,寬度先減小后增大。當(dāng)激光重復(fù)頻率為60kHz時(shí),激光對材料起不到刻蝕的效果。激光重復(fù)頻率增大,單脈沖能量減小,但光斑重疊率變大,熔化汽化作用增強(qiáng);激光重復(fù)頻率過大時(shí),單脈沖能量過小,刻蝕效果減弱。當(dāng)激光重復(fù)頻率為40kHz時(shí),復(fù)合溝槽提供的較大毛細(xì)壓力較大。

(2) 當(dāng)激光掃描速率為50mm/s時(shí),無法加工出復(fù)合溝槽。隨著激光掃描速率的增加,主溝槽深度先增大后減小,寬度變化不大;次溝槽深度先增大后減小,寬度增大。當(dāng)激光掃描速率過小時(shí),熱累積效應(yīng)明顯,熔凝物堆積嚴(yán)重,且存在熔融物回流的現(xiàn)象,不利于次溝槽的形成和主溝槽深度的提高;激光掃描速率增大,輻照區(qū)域內(nèi)材料接收的脈沖個數(shù)減少,熔化汽化作用減弱。當(dāng)激光掃描速率為150mm/s時(shí),復(fù)合溝槽提供的較大毛細(xì)壓力較大。

(3) 當(dāng)激光掃描次數(shù)為10~30次時(shí),隨著激光掃描次數(shù)增加,主溝槽深度先增大后減小,寬度變化不大;次溝槽深度先增大后減小,寬度先減小后增大。當(dāng)激光掃描次數(shù)大于35次時(shí),會出現(xiàn)主溝槽表面兩端熔凝物一高一低的現(xiàn)象,無法形成次溝槽。激光掃描次數(shù)增加,材料吸收的激光能量增多,熔化汽化作用增強(qiáng),但也存在深度峰值。激光掃描次數(shù)過多時(shí),熱影響區(qū)過大,熔融物回流的現(xiàn)象嚴(yán)重,不利于次溝槽的形成。當(dāng)激光掃描次數(shù)為25次時(shí),復(fù)合溝槽提供的較大毛細(xì)壓力較大。

 

注明 文章來源:激光技術(shù)網(wǎng) http://www.jgjs.net.cn/cn/article/doi/10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.02.026


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