一種通過還原氧化銅粉制造微型熱管的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電子元件進行快速散熱用微型熱管的制造方法，特別涉及通過還原氧化銅粉制造具有高孔隙率的燒結(jié)多孔銅為吸液芯的微型熱管的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電子熱管理是半導(dǎo)體和電子行業(yè)中的一個重要領(lǐng)域，因為熱管理就是對半導(dǎo)體電子設(shè)備的運行溫度進行有效的熱控制，以保證其工作的穩(wěn)定性和可靠性。隨著IT、通訊、LED和太陽能等微電子技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，半導(dǎo)體電子元器件尺寸已經(jīng)從微米量級進入亞微米和納米量級。隨著電子器件集成化的程度越來越高，電子器件的高頻、高速以及集成電路的高密度和體積趨于微小化使得單位容積的電子元件發(fā)熱量和單個芯片的能耗加大，設(shè)備緊湊化結(jié)構(gòu)的設(shè)計又使得散熱更加困難，因而迫切需要解決高效散熱技術(shù)難題。這一問題對高速發(fā)展的便攜電子和通訊設(shè)備、電子元件、高電壓大功率電子器件以及軍事裝備上的電子元器件至關(guān)重要。熱管技術(shù)的發(fā)明與發(fā)展，為半導(dǎo)體和電子散熱提供了重要的解決方法和途徑。
[0003]熱管技術(shù)是1963年美國洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)國家實驗室的喬治格羅佛(George Grover)發(fā)明的一種稱為“熱管”的傳熱元件，它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導(dǎo)熱能力超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。
[0004]為什么熱管會擁有如此良好的導(dǎo)熱能力呢？因為物體的吸熱、放熱是相對的，凡是有溫差存在的時候，就必然出現(xiàn)熱從高溫處向低溫處傳遞的現(xiàn)象。從熱傳遞的三種方式來看(輻射、對流、傳導(dǎo))，其中熱傳導(dǎo)最快。熱管就是利用蒸發(fā)制冷，使得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導(dǎo)。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內(nèi)部是被抽成負壓狀態(tài)，充入適當?shù)囊后w介質(zhì)，這種液體沸點低，容易揮發(fā)。管壁有吸液芯，其由毛細多孔材料構(gòu)成。熱管一端為加熱端或蒸發(fā)端，另外一端為冷凝端，當熱管一端受熱時，毛細管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)端，如此循環(huán)不止，熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環(huán)是快速進行的，熱量可以被源源不斷地傳導(dǎo)開來。
[0005]熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的新型傳熱元件，它通過在全封閉真空管內(nèi)的液體介質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，它利用毛細吸附作用等流體原理，起到良好的制冷效果。具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、溫度可控制等特點。將熱管散熱器的基板與晶閘管、IGBT、IGCT等大功率電力電子器件的管芯緊密接觸，可直接將管芯的熱量快速導(dǎo)出。
[0006]吸液芯是熱管的一個重要組成部分。吸液芯的結(jié)構(gòu)形式將直接影響到熱管和熱管換熱器的性能。近年來隨著熱管技術(shù)的發(fā)展，各國研究者在吸液芯結(jié)構(gòu)和理論研究方面做了大量工作，一個性能優(yōu)良的管芯應(yīng)具有:(I)足夠大的毛細抽吸壓力，或較小的管芯有效孔徑；(2)較小的液體流動阻力，即有較高的滲透率；(3)良好的傳熱特性，即有小的徑向熱阻；(4)良好的工藝重復(fù)性及可靠性，制造簡單，價格便宜。
[0007]針對目前普遍直接采用微米級銅粉制成的燒結(jié)銅吸液芯熱管，其燒結(jié)銅粉的孔隙率大致在40-50%，孔隙率相對低，循環(huán)過程中回流熱阻相對大。為了解決這兩個吸液芯存在的關(guān)鍵問題，提出本
【發(fā)明內(nèi)容】
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對目前直接用銅粉進行燒結(jié)作為吸液芯，存在孔隙率低影響液體介質(zhì)相變循環(huán)速度和相對增大冷凝端液體回流阻力，提出采用氧化銅粉或以不同顆粒尺寸的氧化銅粉混合后進行還原燒結(jié)，可制成高孔隙率的燒結(jié)多孔銅為吸液芯的熱管。與現(xiàn)有用銅粉制成的燒結(jié)銅熱管相比，經(jīng)氧化銅粉代替銅粉后，還原燒結(jié)后燒結(jié)銅的孔隙率可高達60-80%，孔徑大小即顆粒間隙也發(fā)生明顯變化，使得液體介質(zhì)產(chǎn)生較強的毛細吸力，促使相變過程和液-汽循環(huán)速度加快，特別是大大加快了氣體在冷凝端轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗪蟮幕亓魉俣?，降低冷凝后液體介質(zhì)回流的熱阻，提高了散熱效率，有效解決高發(fā)熱量電子元件所需快速散熱問題。
【附圖說明】
[0009]圖1是銅管置于通孔的多孔陶瓷模板上的示意圖(具有通孔結(jié)構(gòu)的支撐模板)
圖2是不銹鋼或陶瓷中間柱放入后的結(jié)構(gòu)，氧化銅粉將注入其間隙中并振實(由氧化銅粉制成的高孔隙率燒結(jié)銅管結(jié)構(gòu)簡圖)
【具體實施方式】
[0010]常規(guī)微型熱管的直徑4、5、6、8、10、16mm,根據(jù)吸液芯的厚度要求,分別選用不同直徑不銹鋼或氧化鋁陶瓷中間柱，銅管切割并清洗干燥后，置于圖1所示的支撐模板上，模板采用開孔的多孔陶瓷板，如多孔的堇青石、莫來石等作為模板。
[0011]根據(jù)最后所需高孔隙率燒結(jié)銅的厚度，確定所需加入氧化銅粉的數(shù)量，精確稱量所需的氧化銅粉的量，在銅管與不銹鋼或氧化鋁陶瓷中間柱之間的孔隙中注入氧化銅粉并進行振動緊實。其中氧化銅粉可以由下列兩種組成:
(i)氧化銅粉可以是相近顆粒大小的微米級氧化銅粉組成
(ii)氧化銅粉也可以由毫米、微米和納米級不同粒度大小的混合粉末組成
按照圖2結(jié)構(gòu)加入上述粉末，振動緊實后，將其推入還原爐內(nèi)，爐子用氮氣充分洗爐，保證后續(xù)通入氫氮混合氣體時的安全。還原氣氛用氫氮混合氣，混合氣中氫的含量可以在10%-75%之間均可。通常在溫度為500°C以上時，通入氫氮混合氣。還原溫度在850°C到1050°C之間，還原時間在20分鐘至2小時，還原后隨爐冷卻至室溫(實際操作在小于等于80°C即可取出)。制備所需的高孔隙率的燒結(jié)銅為吸液芯的厚度從0.15毫米到1.5毫米進行調(diào)節(jié)和控制。
[0012]然后進入常規(guī)熱管封裝和散熱性能測試過程。首先是取出中間柱，檢測經(jīng)氧化銅還原后的高孔隙燒結(jié)銅在熱管中位置是否滿足要求，因為氧化銅粉的還原過程中由于重力作用，實際高孔隙率的燒結(jié)銅的高度會有少量下降。檢測滿足要求后，進行下端的保護氣氛下的摩擦焊合。上端后續(xù)進行拉拔縮頸后，進行抽真空注液，然后封裝焊合。注液量