一种金属纤维多孔骨架复合相变材料热沉及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种相变热沉，特别是涉及一种金属纤维多孔骨架复合相变材料热沉及其制造方法。
【背景技术】
[0002]由于集成化技术的飞速发展，电子芯片越来越趋向于高功率密度和小尺寸。随之带来电子器件的热管理问题不容忽视，只有将电子器件的工作温度稳定在临界范围之下，才能保证其运行性能的正常。然而传统的电子器件主动冷却系统由于系统复杂性强导致运用成本偏高，同时运行条件复杂导致可靠性相对较低，因此基于相变蓄能材料的被动冷却方式在近年来逐渐成为一种热门的电子器件温控途径。
[0003]石蜡，作为一种有机相变材料，凭借着其同时具有高相变潜热潜热、固-液体积变化小、化学稳定性高且无腐蚀性这些优越热性能，早已被认为是用于能量储存系统的最合适的材料之一。采用基于相变蓄能材料的热沉同传统的依靠显热储存的热沉相比，在管理相同热量时能够明显地减小温控系统整体尺寸。但是，在大体积规模使用或者运用于大功率器件时，石蜡本身热导率低(仅有0.1?0.3ff/mK)的这一固有缺陷会导致从热源吸收的热量不能及时地扩散到整个相变材料中，出现靠近热源部分的相变材料在吸收足够的热量完成液化时，其余部分的相变材料仍处于固态的情况，不能在时间和空间上均匀地利用相变材料的蓄能能力，严重影响相变热沉的温控性能。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是克服现有用于相变热沉的相变材料(如石蜡)本身导热率的不足，提出一种金属纤维多孔骨架复合相变材料热沉及其制造方法，该复合相变热沉具有导热率高、相变潜热大、温控性能好、制造工艺简单可行、适用于批量制造等优点。
[0005]本发明通过如下技术方案实现:
[0006]—种金属纤维多孔骨架复合相变材料热沉，包括金属纤维多孔骨架、相变材料、热沉基体、散热翅片，所述热沉基体内设空腔且顶面设置有开口 ；所述金属纤维多孔骨架为填充于所述空腔内的金属纤维烧结而成，其孔隙率范围为75 %?98 %，且与热沉基体烧结成一体；所述相变材料采用真空加热灌注的方式被填充于金属纤维多孔骨架内部的孔隙中，灌注率为95 %?100 %，所述散热翅片密封设置于热沉基体的上方开口处，且与热沉基体焊接为一体。
[0007]进一步地，所述金属纤维多孔骨架没有完全占据所述热沉基体的空腔，所述金属纤维多孔骨架上方保留有一小部分空间，保留的空间的高度为空腔高度的1/15?1/6。
[0008]进一步地，所述相变材料为有机相变材料，熔点范围为30?90°C。
[0009]进一步地，烧结所用金属纤维的直径为50?400um，长度为15_30mm，可由多齿刀具切削法、拉拔法或者熔丝法制得。
[0010]进一步地，所述金属纤维多孔骨架由具有单一直径值的金属纤维烧结而成，或由具有若干不同直径值的金属纤维烧结而成。
[0011]进一步地，所述金属纤维多孔骨架、热沉基体和散热翅片的材料为同一种导热金属。
[0012]进一步地，所述导热金属为铝、铝合金或铜。
[0013]—种如所述金属纤维多孔骨架复合相变材料热沉的制造方法，包括以下步骤:
[0014](1)根据所需金属纤维多孔骨架的孔隙率，用天平秤量出所需金属纤维的质量；
[0015](2)将热沉基体放置于下模上，将金属纤维一层层地填充进热沉基体的空腔内，保持每层的金属纤维随机分布，再将凸模压合进热沉基体的空腔，然后使用螺栓将下模、热沉基体和凸模固定；所述凸模的凸头横截面与热沉基体的空腔的横截面一致，凸头高度等于空腔上部将保留的空间的高度；
[0016](3)将采用螺栓固定好的下模、热沉基体和凸模一起置于真空烧结炉升温加热，烧结炉的真空度范围为0?0.05Mpa，升温速度为5°C /min?10°C /min,并在加热至750°C?800 °C时保温30-40分钟，然后在850 °C?900°C保温30min?60min ；
[0017](4)烧结完成后，水冷至室温，取出螺栓固定好的下模、热沉基体和凸模，松开螺栓得到和热沉基体烧结成一体的金属纤维多孔骨架；
[0018](5)根据所需金属纤维多孔骨架的孔隙体积，用天平秤量出所需固态相变材料的质量；
[0019](6)将所称得的相变材料铺堆于与热沉基体烧结成一体的金属纤维多孔骨架上，再一起放入真空脱泡机中进行抽真空加热灌注，保温温度设置为比相变材料熔点高10?15°C，真空度为1000?1500pa，保温时间为90min?120min，随后在保持真空自然冷却至室温，随后取出已填充有固体相变材料的烧结有金属纤维多孔骨架的热沉基体；
[0020](7)在散热翅片和热沉基体的接触面涂上一层低温焊膏，所述低温焊膏的焊接温度为120°C?180°C，再将散热翅片置于热沉基体的上方的开口处，放入焊接炉内在相应的焊接温度下保温进行焊接。
[0021]本发明适用于各种尺寸和形状的相变热沉，可应用于高热流密度的电子芯片的热管理。本发明制造工艺具有制造工艺简单可行、适用于批量制造、导热率高、相变潜热大、温控性能好、等优点。
[0022]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0023](1)与热沉基体烧结成一体的金属纤维多孔骨架所形成的三维网络化交错连接的多孔结构，为相变材料的填充提供了足够内部孔隙空间，保证相变热沉具有足够的相变潜热。同时，本身具有高导热率的金属纤维所形成的三维网络化交错连接的骨架又能充当热量传递的途径，提高复合相变材料的有效热导率，从而克服了相变材料热导率低所带来的缺陷，因此使得此相变热沉具有高相变潜热和高热导率的综合优势，确保了其热控性能；
[0024](2)金属纤维多孔骨架复合相变材料热沉的各种参数都可以优化，如:金属纤维多孔骨架的孔隙率、金属纤维的直径、相变材料的熔点，以使相变热沉的性能达到最佳；
[0025](3)金属纤维多孔骨架复合相变材料热沉在控制相同热量的情形下能明显减小热沉的体积，更为紧凑。
【附图说明】
[0026]图1是本发明金属纤维多孔骨架复合相变材料热沉的结构示意图。
[0027]图2是本发明金属纤维多孔骨架复合相变材料热沉制造工艺中的填充金属纤维时模具装配示意图。
[0028]图中所示为:1-散热翅片；2_相变材料；3_热沉基体；4_金属纤维多孔骨架；5-热源；6_下模；7_螺栓；8_凸模。
【具体实施方式】
[0029]为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的说明，但本发明的实施方法不限于此。
[0030]如图1所示，一种金属纤维多孔骨架复合相变材料热沉，包括金属纤维多孔骨架
4、相变材料2、热沉基体3、散热翅片1，所述热沉基体3内设空腔且顶面设置有开口 ；所述金属纤维多孔骨架4为填充于热沉基体3的空腔内的金属纤维烧结而成，其孔隙率范围为75%~98%，且与热沉基体3烧结成一体；烧结所用金属纤维的直径的范围为50~400um，长度为15-30mm ;所述相变材料2采用真空加热灌注的方式被填充于金属纤维多孔骨架4内部的孔隙中，灌注率为95%~100% ;所述金属纤维多孔骨架4、热沉基体3和散热翅片1的材料为同一种金属，如铜、铝、或铝合金。本实施方式中，综合考虑金属纤维多孔骨架4的等效热导率和渗透率，选定金属纤维多孔骨架4的孔隙率为95%，采用当量直径为150um的金属纤维作为烧结原材料；实际应用中，金属纤维多孔骨架所采用的金属纤维的当量直径可变，也可以由具有若干不同直径值的金属纤维烧结而成，可根据实际情况采用不同的孔隙率及金属纤维的直径值。所用金属纤维为紫铜纤维，采用多齿刀具切削法加工而成，因此散热翅片1和热沉基体3的材料也为紫铜。如图2所示，金属纤维多孔骨架4没有完全占据所述热沉基体3的空腔，空腔上面保留有一小部分空间，保留的空间的高度为空腔高度的1/14 ;实际应用中，空腔保留的空间的高度根据相变材料2的填充体积及固液膨胀率确定，需保证保留的空间大于等于相变材料2完全液化后体积