類熱管并行結(jié)構(gòu)泡沫銅均熱板的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種臺階式泡沫銅為吸液芯制成類熱管并行結(jié)構(gòu)均熱板的方法。該均熱板根據(jù)結(jié)構(gòu)設計由上下銅蓋板與臺階式或平面結(jié)構(gòu)泡沫銅燒結(jié)，按幾何形狀形成類熱管結(jié)構(gòu)蒸汽腔，并注入液相工質(zhì)組成。其中泡沫銅臺階呈矩形或梯形狀，分別與平面或?qū)_階式泡沫銅按幾何結(jié)構(gòu)燒結(jié)在上下銅蓋板上，其中臺階式泡沫銅凸臺部分起支撐柱作用，上下銅蓋板經(jīng)銅銀或擴散焊接結(jié)合后，抽真空注液封裝。這種臺階式泡沫銅具有高的孔隙率和好的毛細特性以及蒸汽腔結(jié)構(gòu)相互連通，確保蒸發(fā)端液相介質(zhì)快速高效的液-汽轉(zhuǎn)化、氣相快速擴散以及減少冷凝端汽-液轉(zhuǎn)化后快速回流阻力。制成的類熱管并行結(jié)構(gòu)均熱板，能夠滿足半導體電子裝備所需的快速高效導熱和散熱要求。
【專利說明】
類熱管并行結(jié)構(gòu)泡沬銅均熱板的制造方法
技術(shù)領域
[0001]本發(fā)明是關(guān)于一種快速導熱和散熱的傳熱器件的制造方法，特別涉及到一種通過由呈矩形或梯形狀的臺階結(jié)構(gòu)泡沫銅，根據(jù)結(jié)構(gòu)設計要求，形成的類熱管并行結(jié)構(gòu)均熱板的制造方法，屬于電子器件類。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著通訊信息和裝備的不斷發(fā)展，人們對電子集成系統(tǒng)及產(chǎn)品的要求越來越高，主要朝薄、輕、小、高效、美觀等方面發(fā)展。但在電子集成系統(tǒng)及功能提高、空間尺寸受限的情況下，芯片及系統(tǒng)的功率和熱量將大幅度上升。例如一些電腦的CPU或GPU發(fā)熱量已超過lOOW/cm2，這樣隨之而來的是產(chǎn)品的散熱速率過慢，導致整個產(chǎn)品溫升過快過高，而過高的溫升會極大地影響電子系統(tǒng)的性能和壽命，甚至會燒壞芯片和主板。因而如何使得芯片上的熱量快速導出并散發(fā)出去，有效實現(xiàn)集成電路系統(tǒng)的熱管理已成為電子行業(yè)亟待解決的問題。
[0003]其中應用液體相變可以快速傳遞大量熱量原理制成的相變散熱元件如熱管和均熱板不斷得到研發(fā)和應用。均熱板與熱管的原理是相同的，只有熱傳導的方式有所不同，熱管的熱傳導方式是一維的，是線性熱傳導方式，在某些特定場合會因為較小的散熱面積和較大的熱阻而降低其傳熱性能；而均熱板的熱傳導方式是二維的，是面方向上的熱傳導方式，與熱管相比，測試發(fā)現(xiàn)通常均熱板的散熱效率Qmax要大大高于熱管，并且其熱阻也要小得多，因為均熱板可以迅速將一個或多個熱源的高熱流密度快速且近乎等溫的均勻分布到一個大的平面上，從而迅速導出甚至散出電子設備產(chǎn)生的熱量。因此，均熱板被逐步應用到所需快速高效的電子熱管理領域。
[0004]均熱板的尺寸結(jié)構(gòu)通常需根據(jù)所選芯片的尺寸和集成情況確定，因此多為非標或定制化產(chǎn)品，滿足所需快速高效的散熱要求。決定均熱板熱性能的關(guān)鍵是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)即吸液芯材料與結(jié)構(gòu)，目前的絲網(wǎng)編織結(jié)構(gòu)，毛細特性差，銅粉燒結(jié)結(jié)構(gòu)的孔隙率僅為38-45%，應用時產(chǎn)生熱循環(huán)的回流熱阻相對大。為了克服上述不足并確保均熱板的熱性能，提出采用高孔隙率的臺階式泡沫銅作為均熱板的吸液芯，形成具有類熱管并行結(jié)構(gòu)均熱板的制造方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明公開了一種類熱管并行結(jié)構(gòu)的均熱板制造方法，吸液芯是采用矩形或梯形狀臺階結(jié)構(gòu)泡沫銅，其孔隙率根據(jù)設計要求在40-95%之間選擇，矩形或梯形狀泡沫銅除了燒結(jié)在上下蓋板上，上下對應燒結(jié)在一起或其與平面結(jié)構(gòu)泡沫銅燒結(jié)在一起，臺階將起到良好的支撐柱作用，并形成間隔式蒸汽腔，確保了介質(zhì)氣化后的快速擴散，臺階結(jié)構(gòu)的蒸汽腔與邊沿四周是全部聯(lián)通，注液封裝后確保其溫度均勻和快速高效的的導熱和散熱性能。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)途徑來制得類熱管并行結(jié)構(gòu)泡沫銅均熱板的:
臺階式泡沫銅為吸液芯的類熱管并行結(jié)構(gòu)的均熱板的組成包括:上蓋銅板、下蓋銅板、純的泡沫銅吸液芯和液相工質(zhì)。其中作為吸液芯的臺階式泡沫銅分別燒結(jié)在上下蓋板上，然后根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)的矩形或梯形狀對應燒結(jié)在一起或與平面結(jié)構(gòu)燒結(jié)銅燒結(jié)在一起，同時上下蓋板之間通過銅銀釬焊或直接擴散焊接，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。臺階式泡沫銅的最薄區(qū)厚度為0.1mm,臺階的高度為0.3-1.5毫米。
[0007]所述臺階式泡沫銅作為吸液芯結(jié)構(gòu)如圖2 Ca)和(b)所示，其中圖2 Ca)是上下均為臺階式泡沫銅相對應的組合結(jié)構(gòu)；圖2 (b)是平面結(jié)構(gòu)泡沫銅和臺階式泡沫銅的組合結(jié)構(gòu)。
[0008]所述上下蓋板均為無氧銅板。
[0009]所述的液相工質(zhì)為去離子水、酒精(乙醇)、丙酮、乙醚等其他材料。
[0010]所述上下銅蓋板與泡沫銅之間通過高溫真空或還原燒結(jié)結(jié)合，上下銅蓋板之間也是通過真空或還原氣氛下的銅銀釬料或高溫擴散的焊接實現(xiàn)良好結(jié)合，特別注意的是用于注液相工質(zhì)的毛細銅管的周圍需要確保焊接結(jié)合良好。
[0011]其中吸液芯結(jié)構(gòu)在均熱板設計中起到至關(guān)重要的作用，本發(fā)明采用具有臺階或平面結(jié)構(gòu)泡沫銅作為吸液芯，具有以下優(yōu)點:(I)可根據(jù)需要選擇高孔隙率的泡沫銅，其孔隙率可在4 0 - 9 5 %之間選取，上下泡沫銅可以選用相同孔隙率的材料，也可以選用不同孔隙率的材料。當選用高孔隙率的泡沫銅時，從冷端回流的阻力就大大減??；(2)臺階結(jié)構(gòu)泡沫銅形成的泡沫銅支撐柱具有良好的支撐和回流效果，確保均熱板制造過程的平整度和液相工質(zhì)的相變循環(huán)能夠快速進行；(3 )采用高孔隙率的臺階結(jié)構(gòu)泡沫銅材料，可以更好地簡化均熱板的制備工藝和熱性能的一致性，也可以相對降低均熱板的厚度和減輕均熱板的重量。
[0012]【具體實施方式】:
下面結(jié)合具體實施方案列舉兩例來進一步詳細說明本發(fā)明的制造方法。
[0013]例I，采用本發(fā)明制造的厚度為2.4毫米，外形尺寸為10XlOOmm的均熱板，如圖3所示，具體方法如下:
(I)選取兩塊厚度為0.6 mm的無氧銅薄板，下蓋板外形結(jié)構(gòu)尺寸規(guī)格為10mmX 100mm,上蓋板機加工或沖壓后的尺寸為10mmX 100mm,其中在上下蓋板用于封裝邊沿的尺寸約為4毫米，因此均熱板的有效尺寸約為96mmX96mm。
[0014](2)上蓋板是通過機械加工或沖壓成型制成內(nèi)腔深度為1.2毫米的帶邊沿的平板結(jié)構(gòu)，其中邊沿的寬度為4毫米，外形尺寸為10mmX 10mm如圖3所示。采用的臺階式泡沫銅與平面結(jié)構(gòu)泡沫銅的組合結(jié)構(gòu)如圖3的剖視圖所示，其中臺階式泡沫銅的厚度為0.2mm，臺階處的厚度為1.0 mm,即臺階高度為0.8 mm,平面結(jié)構(gòu)泡沫銅的厚度為0.2 mm。臺階的寬度為3 mm,槽道的寬度為8 mm,呈周期結(jié)構(gòu)。這樣組合后形成的蒸汽腔高度為0.8 mm,寬度為8 mm，如圖3所示。
[0015](3)臺階式泡沫銅選取孔隙率為80%，平面結(jié)構(gòu)泡沫銅也選用相同的孔隙率。其中根據(jù)上下蓋板的結(jié)構(gòu)，機加工或沖切成尺寸為96_X96mm，后續(xù)分別在氫氮混合的還原氣氛下，在950°C保溫30分鐘燒結(jié)在上下蓋板上。
(4)然后將燒結(jié)好的含臺階式泡沫銅和平面泡沫銅的上下蓋板對應，在鐘罩爐980°C保溫I小時的氫還原氣氛下實現(xiàn)上下蓋板擴散燒結(jié)結(jié)合以及泡沫銅之間的臺階接觸處的燒結(jié)結(jié)合，其中注意確保如圖3所示抽真空注液用的毛細銅管的焊接結(jié)合良好。
[0016](5)均熱板的抽真空與灌注工質(zhì):焊接完成后利用抽真空注液設備對均熱板進行抽真空注液工序。當抽真空過程滿足相應的真空度要求后,將根據(jù)吸液芯的孔隙率計算,注入適量的工質(zhì)，例如若采用蒸餾水，經(jīng)計算加入量可在4.4-4.5g的范圍內(nèi)，注入和封裝后并進行二次除氣，盡可能除去不可壓縮氣體，提高均熱板的均溫性，然后對抽真空注液的毛細銅管進行IS弧。
[0017](6)均熱板制成后，需對其熱特性進行測試，同時對均熱板進行老化和可靠性測試。
[0018]例2，采用本發(fā)明制造的厚度為3毫米，直徑為f 100 mm的均熱板，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，具體方法如下:
(I)選取兩塊厚度為0.6 _的無氧銅薄板,下蓋板規(guī)格直徑為flOOmm,其中上蓋板經(jīng)經(jīng)沖壓成形或機械加工后，外直徑同下蓋板直徑相同，均為flOOmm，這樣上下蓋板結(jié)合后，形成直徑為flOOmm的均熱板，其中上下蓋板用于封裝的邊沿尺寸約為4mm，如圖4所示。
[0019](2)將上蓋板通過沖壓成型或機械加工制成內(nèi)腔深度為1.8mm的帶邊沿的圓板結(jié)構(gòu)，其中邊沿的寬度約為4mm，如圖4所示。所用的臺階式泡沫銅結(jié)構(gòu)如圖4的剖視圖所示，其中泡沫銅的厚度為0.3mm,臺階處的厚度為0.9mm,臺階的高度則為0.6mm,臺階的寬度為4mm，槽道的寬度為8mm，呈周期結(jié)構(gòu)。這樣上下臺階凸處對應后，形成的蒸汽腔高度為
1.2mm,如圖4所示。
[0020](3)臺階式泡沫銅選取孔隙率分別為60%和80%，其中上蓋板采用孔隙率為60%的泡沫銅，下蓋板采用孔隙率為80%的泡沫銅，根據(jù)上下蓋板的結(jié)構(gòu)確保上下泡沫銅能完全結(jié)合。然后根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)的對應，分別在氫氮混合的還原氣氛下，經(jīng)950°C保溫30分鐘燒結(jié)在上下蓋板上。
[0021](4)然后將燒結(jié)好的臺階式泡沫銅的上下蓋板對應，在鐘罩爐氫還原氣氛下在980Λ保溫I小時，實現(xiàn)上下蓋板的擴散燒結(jié)結(jié)合以及泡沫銅臺階之間的燒結(jié)結(jié)合，其中包括抽真空注液的毛細銅管與上下蓋板間的良好焊接。
[0022](5)均熱板的抽真空與灌注工質(zhì):焊接完成后利用抽真空注液設備對均熱板進行抽真空注液處理。焊接完成后利用對均熱板首先進行抽真空處理，真空度滿足要求后，將根據(jù)泡沫銅孔隙率進行計算理論的注液量，注入適量的工質(zhì)，例如若采用蒸餾水，經(jīng)計算加入量為4.0-4.lg，注液封裝后并進行二次除氣，盡可能除去不可壓縮氣體，提高均熱板的均溫性。
(6)均熱板制成后，需對其熱特性進行測試，同時對均熱板進行老化和可靠性檢測，然后進行所需的表面處理，完成整個均熱板的制備過程。
[0023]【附圖說明】:
圖1是本發(fā)明的臺階式泡沫銅為吸液芯的均熱板結(jié)構(gòu)示意圖。包括上下蓋板、泡沫銅吸液芯、銅制抽氣和注液管、安裝孔等
圖2是臺階式泡沫銅之間或與平面結(jié)構(gòu)泡沫銅結(jié)合作為吸液芯的結(jié)構(gòu)示意圖圖3是尺寸為100*100_、厚度為2.4mm的均熱板結(jié)構(gòu)及剖視圖圖4是直徑為flOOmm、厚度為3mm的均熱板結(jié)構(gòu)及剖視圖。
【主權(quán)項】
1.一種具有良好毛細現(xiàn)象的臺階式泡沫銅作為吸液芯的類熱管并行結(jié)構(gòu)均熱板的制造方法，其特征在于:所述泡沫銅的外形結(jié)構(gòu)呈矩形或梯形狀臺階結(jié)構(gòu)，按照上下對應或其與平面結(jié)構(gòu)泡沫銅相結(jié)合，形成平行間隔的蒸汽腔，其中臺階作為均熱板的支撐柱。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由臺階式泡沫銅形成類熱管并行結(jié)構(gòu)的均熱板，其特征在于所述泡沫銅呈矩形或梯形狀臺階結(jié)構(gòu)，其中泡沫銅的厚度差即臺階高度為0.3?1.5mm，如上下對應作為支撐柱所形成的蒸汽腔高度為0.6-3.0毫米；如其與平面結(jié)構(gòu)泡沫銅結(jié)合，所形成的蒸汽腔高度為0.3-1.5毫米，具體所需蒸汽腔的尺寸將根據(jù)結(jié)構(gòu)設計要求數(shù)值進行選擇確定。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由臺階式泡沫銅形成的類熱管并行結(jié)構(gòu)均熱板，其特征在于所述上下銅蓋板和相應的泡沫銅材質(zhì)均為純銅即無氧銅。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由臺階式泡沫銅形成的類熱管并行結(jié)構(gòu)均熱板，其特征在于泡沫銅的孔隙率在40-95%可以根據(jù)設計和性能要求選擇，上下泡沫銅可以采用相同孔隙率，也可以采用不同孔隙率。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由臺階式泡沫銅形成的類熱管并行結(jié)構(gòu)均熱板，其結(jié)構(gòu)特征在于所有的蒸汽腔形成并行且間隔的類熱管結(jié)構(gòu)，蒸汽腔通過四周邊貫通連接，確保均熱板的均溫性。
【文檔編號】F28D15/04GK105841532SQ201510014597
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年1月12日
【發(fā)明人】施忠良, 曾金珍, 邱晨陽, 施忠偉
【申請人】江蘇格業(yè)新材料科技有限公司