可组合设计的分级构造泡沫铜均热板的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及到一种均热板的制造方法，属于半导体电子元器件领域，是通过采用不同孔隙率的分级构造泡沫铜的组合设计作为吸液芯的均热板及其制法。
【背景技术】
[0002]半导体电子器件的高频、高速以及集成电路的高密度和体积趋于微小化使得单位容积的电子元件发热量和单个芯片的能耗加大，设备紧凑化结构的设计又使得散热更加困难，因此人们一直不断寻求高效散热的器件以满足不断发展的半导体和电子散热要求。热管理器件的设计和研发一直制约半导体和电子器件的快速发展，这一问题对高速发展的便携电子和通讯设备、电子元件、高电压大功率电子器件以及军工和航空航天上的电子元器件等重大装备至关重要。近十年来由热管和均热板构建散热模组的研发与应用使得半导体电子器件得到快速发展。
[0003]半导体电子器件均热板(Vapor Chamber)是一个内壁具微结构的真空腔体，当热由热源传导至蒸发区时，腔体里面的液相介质会在低真空度的环境中，开始发生液相气化，吸收热能并且体积迅速膨胀，并逐步充满整个蒸汽腔，气相的介质快速通过蒸汽腔，传导到一个较冷的区域时便发生凝结现象，借由气-液转变释放出在相变潜热，凝结后的液相介质会借由内壁上微结构的毛细现象再快速回流到热源的蒸发端，此过程将在腔体内周而复始地循环进行，这就是均热板的工作过程。由于介质在蒸发时吸液芯的微结构具有很强的毛细力，所以均热板的工作是不受重力的影响，也称其反重力特性和应用过程中的无方向性。均热板具有扩展热阻低、均匀的热通量、热量快速扩散、重量轻和无噪音等优点，正在得到重视和不断开发之中。
[0004]目前通常的均热板是由形变加工的微型沟槽结构、编织铜网结构或烧结铜粉结构分别作为吸液芯来制造成均热板的毛细结构。然后在铜片/板上加工具有毛细现象的微型沟槽难度大，编织的铜网结构其毛细现象又不如意，烧结铜粉结构又难以控制最后烧结的质量，因而产品的不良率和制造费用较高且效果不尽如意。而江苏格业新材料科技有限公司生产的分级构造泡沫铜均能克服上述三种毛细结构的缺点，具有满足均热板吸液芯的特征和各种性能要求。因此，本发明是利用江苏格业新材料科技有限公司生产的分级构造泡沫铜作为吸液芯的均热板，结合均热板的传热特点，提出可组合设计的分级构造泡沫铜均热板的制造方法。
【发明内容】
[0005]针对目前沟槽结构、编织铜网结构和烧结铜粉结构的均热板存在的问题，本发明提出了一种根据均热板应用特点和结构特征，即蒸发端区域和其他部分液体介质的流动差异，利用不同孔隙率的分级构造泡沫铜进行组合作为吸液芯的均热板的制作方法，该分级构造泡沫铜具有良好的毛细吸力，能够实现液态介质相变和快速循环，且散热功率较高和产品性能一致性好。该分级构造的泡沫铜由江苏格业新材料科技有限公司生产，孔径大小范围在300纳米到I毫米之间可控，孔隙率可根据设计要求在40%-95%范围内选择。具体的设计方法:均热板内腔的吸液芯均采用分级构造泡沫铜和泡沫铜柱，其中受热蒸发端的部分，采用低孔隙率的分级构造泡沫铜，其孔隙率可选择在40-75% ;其他部分采用高孔隙率的分级构造泡沫铜，孔隙率为60-95% ;孔径大小范围从300纳米到I毫米；其厚度一般选择相同厚度，在0.1毫米至3毫米之间根据设计要求选择，但也可以根据设计要求受热蒸发端和其他部分选择相近但不相同的厚度。
[0006]本发明的一种可组合设计的分级构造泡沫铜为吸液芯均热板的制造方法，其分级构造泡沫铜的微结构如图1所示，可以看出其孔的结构和孔径大小是不同的，即分级构造结构特征。不同孔隙率的泡沫铜为吸液芯组合设计的均热板的内部结构示意图根据热源的情况分别如图2、3和4所示，其蒸汽腔的中间支撑柱模板结构如图5所示，具体可组合设计的分级构造泡沫铜均热板制造的主要步骤如下:
(1)模板加工与清洗:根据设计要求，采用材质为紫铜(纯铜)的铜板或铜箔根据设计要求加工成上盖板和下底板，并对其表面在加工后经清洗和烘干处理；
(2)泡沫铜和支撑柱的加工:将不同孔隙率分级构造泡沫铜根据均热板热传导特点进行组合设计，采用模具结合上盖板和下底板内腔结构中的位置和大小要求进行冲切加工，并冲切加工设计所需厚度的分级构造泡沫铜圆柱作为中间支撑柱(厚度通常根据蒸汽腔要求一般大于或等于0.8毫米)，该支撑铜柱的数量根据均热板内腔结构和尺寸布局，通常每根支撑柱间隔为10-12毫米，支撑柱的直径可选择为3至8毫米大小的泡沫铜；
(3)泡沫铜与模板间的组装:将不同孔隙率厚度相同或相近的分级构造泡沫铜按照组合结构要求置入所设计的上盖板和下底板内；并将控制支撑柱布局结构的不锈钢模板置于底板和泡沫铜的上面，将泡沫铜支撑柱置入模板相应的位置，不锈钢模板对下底板的泡沫铜也起到一定的压力作用，保证烧结结合效果；
(4)高温还原烧结处理:通常高温还原设置的最高温度可在850°C-1050°C之间选取，烧结保温时间在30分钟至2小时内选取，目的是实现不同孔隙率的分级构造泡沫铜与上盖板和下底板之间以及泡沫铜及泡沫铜支撑柱之间的有效的烧结结合。具体温度和时间的选择原则可以根据泡沫铜与上盖板和下底板之间结合强度来确定，若需结合强度大，则选择温度高和保温时间相对长；
(5)焊接组装:将不同孔隙率的分级构造泡沫铜已烧结的上盖板和下底板根据焊接的模具或夹具要求，将四周结合边缘(除抽真空注液口外)进行真空或保护气氛下的铜银焊接或扩散焊接；
(6)封装:根据真空度要求，抽真空、注液和封装；
(7)性能测试和检验:封装后进行散热功率Qmax和热阻等热性能的测试和检验，确保均热板的质量；
本发明的可组合设计的分级构造泡沫铜均热板的主要结构组成如图2、3和4所示:
1.壳体结构，其包含材质为纯铜的铜板或铜箔加工成的上盖板及下底板，然后将不同孔隙率的泡沫铜材料和支撑柱烧结在相应的位置通过焊接结合，并形成一个具有蒸汽腔的密封的腔室结构；
2.吸液芯部分的毛细结构和支撑结构，是由不同孔隙率的分级构造泡沫铜，并通过高温还原气氛下的扩散结合在一起，结合良好，吸液芯中不同孔隙率的泡沫铜与上下模板之间的结合良好；
3.液态介质，例如去离子水、酒精、乙醇和醚类，其加入量以充填在毛细结构和支撑柱结构中的孔隙的量为理论推荐值。
[0007]因此本发明的均热板内部是由不同孔隙率的分级构造的泡沫铜之间的组合形成，上盖板和下底板内表面与泡沫铜之间的结合均为良好的扩散结合。由于支撑柱也采用了毛细结构的泡沫铜，起到良好的回流作用，介质汽液转换后液相的回流效果明显，提高了散热