一种具有热管散热结构的印刷电路板及其制造方法与流程

本发明涉及微电子电路散热技术领域，特别是涉及一种具有热管散热结构的印刷电路板及其制造方法。

背景技术：

为了确保PCB上元器件的工作可靠性和寿命，必须对元器件进行有效的散热，以确保元器件工作温度不会超过其许可温度。目前PCB的散热主要通过一下两种方式实现，一种是如申请号为CN201521115555.7的中国专利《一种散热型PCB板》和申请号为CN201611040364.8的中国发明《一种具有良好散热性能 的印刷电路板》那样优化PCB上元器件的布局，将发热元件与其他器件尤其是对温度敏感器件区分布置，或者发热元件分隔错开排布，预留空气散热通道，来实现降温的目的；另一种是采用导热系数较高的材料作为PCB基材以提高PCB自身散热能力。这两种散热方式的散热系数低，均是针对元器件发热功率不高的PCB或元器件热流密度不大的PCB。然而，随着信息技术的高速发展，芯片的封装体积越来越小，处理能力却越来越强，随之而来的是芯片的热流密度越来越大，甚至达到了几十到上百W/cm²，此时，封装有高热流密度元器件的PCB散热依赖传统散热方式难以解决，会造成PCB局部温升过高，直接影响板上元器件的正常工作和寿命。

热管作为一种相变传热元件，热响应速度快；导热系数高，一般为几千到几万W/(m·℃)，远远超过现有金属材料的导热系数；自驱动传热，无需额外能量；因此，热管散热技术应用在PCB散热上，能有效解决PCB上高热流密度元器件的散热难题。

申请号为201610351651.4的中国专利发明了《一种在印刷电路板内制造热管的方法》，该专利是将整个PCB制造成类似热管的结构，但热管制造需要经过吸液芯的烧结、注液、真空、定长、密封等工艺，因此该专利实际实施难度巨大，而且受限于PCB的形状尺寸，导致产品适应性非常弱，难以实现量产。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于克服现有技术的缺点和不足，提出一种散热高效，反应迅速的具有热管散热结构的印刷电路板。

本发明的目的之二在于克服现有的技术缺点和不足，提出一种制造工艺简单，制造成本较低，生产效率较高的具有热管散热结构的印刷电路板的制造方法。

为达到上述目的之一，本发明通过以下技术方案来实现：

一种具有热管散热结构的印刷电路板，包括多层的印刷电路基板、镶嵌在所述印刷电路基板上的热管模组，所述热管模组包括热沉、热盘和内设吸液芯的热管，所述热管的冷凝段和蒸发段分别与所述热沉、热盘相连接。

进一步地，所述的印刷电路基板中部设置有矩形镂空槽，所述热管模组完全镶嵌于所述镂空槽内。

进一步地，所述热沉、热盘紧密镶嵌在镂空槽中仅上表面外露，所述热管的绝热段裸露在镂空槽的空隙中。

进一步地，所述热管模组的热沉和热盘均镶嵌在印刷电路基板中，所述热管的绝热段裸露在外界空气中并分布在印刷电路板一侧外部。

进一步地，所述热管为一根以上，各热管整体呈“凹”字形状平行设置，每根热管的蒸发段和冷凝段以圆角过渡折弯90°。

进一步地，所述的吸液芯为双层铜丝网烧结而成的双层铜丝网复合结构或泡沫铜和铜丝网烧结而成的泡沫铜丝网复合结构。

进一步地，所述热沉上设置有用于装配热管冷凝段的热沉通孔，所述热盘上设置有用于装配热管蒸发段的热盘通孔，装配后通过焊接牢固结合。

为达到上述目的之二，本发明通过以下技术方案实现：

一种如所述具有热管散热结构的印刷电路板的制造方法，包括步骤：

步骤1、热管的制造，包括：

(1)铜管与中心棒的预处理：剪切并清洗铜管和中心棒，去除中心棒和铜管表面的油污，再将铜管材和中心棒烘干处理；将烘干后的中心棒进行热处理，避免铜管与中心棒在后续烧结工艺中发生黏结现象，提高中心棒的使用寿命；

(2)吸液芯的制备：通过烧结处理得到吸液芯，然后将该吸液芯剪切成条状备用；

(3)先将条状的吸液芯穿入铜管，再将中心棒插入铜管，使吸液芯紧贴铜管内壁，然后进行烧结处理；

(4)将中心棒拔出，对铜管的尾部进行焊接封口，然后对铜管进行退火处理；

(5)依序对铜管进行工质灌注、抽真空、二除定长、头部焊接封口处理；

(6)热管后续处理，包括检测、表面处理；

步骤2、热管模组的制造，包括：

(1)通过机加工分别得到热盘和热沉，热盘和热沉分别各加工热盘通孔和热沉通孔；

(2)将热管的蒸发段与热盘的热盘通孔进行轴孔配合，再用焊接工艺将热管和热盘结合；将热管的冷凝段和热沉的热沉通孔进行轴孔配合，再用焊接工艺将热管和热沉结合；

步骤3、印刷电路板的制造，包括：

(1)通过印刷电路工艺得到印刷电路基板的内层基板和外层基板，通过机加工得到锣带；

(2)将内层基板、外层基板、锣带以及热管模组在高温高压条件下进行压合工艺处理，使其结合成整体；

(3)通过机加工将锣带取下，露出热管模组。

一种如所述具有热管散热结构的印刷电路板的制造方法，包括步骤：

步骤1、热管的制造，包括：

(1)铜管与中心棒的预处理：剪切并清洗铜管和中心棒，去除中心棒和铜管表面的油污，再将铜管材和中心棒烘干处理；将烘干后的中心棒进行热处理，避免铜管与中心棒在后续烧结工艺中发生黏结现象，提高中心棒的使用寿命；

(2)吸液芯的制备：通过烧结处理得到吸液芯，然后将该吸液芯剪切成条状备用；

(3)先将条状的吸液芯穿入铜管，再将中心棒插入铜管，使吸液芯紧贴铜管内壁，然后进行烧结处理；

(4)将中心棒拔出，对铜管的尾部进行焊接封口，然后对铜管进行退火处理；

(5)依序对铜管进行工质灌注、抽真空、二除定长、头部焊接封口处理；

(6)热管后处理，包括将热管的蒸发段和冷凝段进行折弯90°，再进行检测、表面处理；

步骤2、热管模组的制造，包括：

(1)通过机加工分别得到热盘和热沉，热盘和热沉分别各加工若干热盘通孔和热沉通孔；

(2)将热管的蒸发段与热盘的热盘通孔进行轴孔配合，再用焊接工艺将热管和热盘结合；将热管的冷凝段和热沉的热沉通孔进行轴孔配合，再用焊接工艺将热管和热沉结合；

步骤3、印刷电路板的制造，包括：

(1)通过印刷电路工艺得到印刷电路基板的内层基板和外层基板，通过机加工得到锣带；

(2)将内层基板、外层基板、锣带以及热管模组在高温高压条件下进行压合工艺处理，使其结合成整体；

(3)通过机加工将锣带取下，露出热管模组。

进一步地，所述吸液芯的制备的步骤具体为：

清洗铜丝网，去除铜丝网表面的油污；用两块石墨块将两层铜丝网压合，并进行烧结处理，使两层铜丝网烧结成复合双层铜丝网结构的吸液芯；最后将该吸液芯剪切成条状；

或者

清洗铜丝网，去除铜丝网表面的油污；用两块石墨块将一层铜丝网和一层泡沫铜压合，并进行烧结处理，使一层铜丝网和一层泡沫铜烧结成泡沫铜丝网复合结构的吸液芯；最后将该吸液芯剪切成条状。

相比现有技术，本发明的有益效果如下：

(1)本发明的一种具有热管散热结构的印刷电路板，由于热管的导热系数比金属和石墨材料高，当CPU工作温度升高时，热管能快速响应并热量将扩散分布到热管模组的其他部位，CPU的温度迅速降低。

(2)本发明的一种具有热管散热结构的印刷电路板，有两种情况，一种情况是热管模组完全嵌入印刷电路板中，该情况用于尺寸较小、热流密度较小的印刷电路板。另一种情况是热管模组的热盘和热沉嵌入印刷电路板中，热管的绝热段裸露在印刷电路板外面，该情况用于尺寸较大、热流密度较大的印刷电路板，这种情况可以提高印刷电路板的空间使用率。

(3)本发明的一种具有热管散热结构的印刷电路板，散热模组可以根据印刷电路板的不同的散热需求和散热空间限制，调整热管的形状、尺寸、数量和安装位置，较大地提高了电路设计的丰富性和灵活性。

(4)本发明的一种具有热管散热结构的印刷电路板的制造方法，具有结构简单、质量轻巧，散热效果明显，稳定性高，传热无需外部驱动的优点，特别是对于热流密度较高的CPU散热问题具有优越的散热效果，在5G通信的发展具有积极意义和很好的价值。

(5)本发明的一种具有热管散热结构的印刷电路板的制造方法，制造工艺简单，能够适用于大批量生产制造。

附图说明

图1是本发明实施例一的一种具有热管散热结构的印刷电路板结构示意图。

图2是本发明实施例一的热管模组结构示意图。

图3是本发明实施例一的热管轴向剖视结构示意图。

图4是本发明实施例一的热管径向剖视结构示意图。

图5是本发明实施例二的一种具有热管散热结构的印刷电路板结构示意图。

图6是本发明实施例二的热管模组结构示意图。

图7是本发明实施例二的热管轴向剖视结构示意图。

图8是本发明实施例三的热管径向剖视结构示意图。

图9是本发明实施例四、五中插中心棒工艺的结构示意图。

图10是本发明实施例四的电路板压合工艺图(小尺寸电路板)。

图11是本发明实施例五的电路板压合工艺图(大尺寸电路板)。

图中所示为：

1—热管；11—蒸发段；12—冷凝段；2—热沉；3—热盘；4—热沉通孔；5—热盘通孔；6—绝热段；7—镂空槽；8—管壳；9—热管空腔；10—吸液芯；101—双层铜丝网复合结构；102—泡沫铜丝网复合结构；103-泡沫铜；13—中心棒；14—铜丝网；15—印刷电路基板；16—内层基板；17—外层基板；18—锣带；19—热管模组。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

实施例1

见图1至图4所示，一种具有热管散热结构的印刷电路板，包括多层的印刷电路基板15、镶嵌在所述印刷电路基板15上的热管模组19，所述热管模组19包括热沉2、热盘3和一根内设吸液芯10的热管1，所述热沉2上设置有一个用于装配热管1冷凝段12的热沉通孔4，所述热盘3上设置有一个用于装配热管1蒸发段11的热盘通孔5，装配后通过焊接牢固结合，所述热管1的冷凝段12和蒸发段11分别与所述热沉2、热盘3相连接。所述的印刷电路基板15中部设置有矩形镂空槽7，所述热管模组19完全镶嵌于所述镂空槽7内。所述热沉2、热盘3紧密镶嵌在镂空槽7中仅上表面外露，所述热管1的绝热段6裸露在镂空槽7的空隙中。所述热管模组19的热沉2和热盘3均镶嵌在印刷电路基板15中，所述热管1的绝热段6裸露在外界空气中并分布在印刷电路板一侧外部。

本实例的热管模组19完全镶嵌在印刷电路板中，在后续组装中热盘3与电路的CPU接触；热盘3和热沉2分别只露出一个面，其他面镶嵌在印刷电路板以内，热管的绝热段6悬露在热盘3和热沉2之间，裸露在空气中，形成间隙空间；本实施例的结构相对简单且尺寸较小，线路可以穿过模组的镂空槽7，可应用于线路简单、热流密度较小的印刷电路板，同时由于热管1的导热率比金属和石墨高很多，CPU的工作温度能够保持在较低的水平，故CPU的工作寿命得到了提高。当CPU工作产生热量时，热量由CPU传递到热盘3，再传递到热管1的蒸发段11，然后热量从热管1的蒸发段11传递到冷凝端12，最后热量传递到热沉2；

如图3和图4所示，在本实施例中，热管1包括管壳8和开设于管壳内的空腔9，所述空腔9内设置有紧贴管壳8内壁的吸液芯10，吸液芯10填充有变相工质；本实例中，吸液芯10是复合双层铜丝网结构101，该吸液芯10具有孔隙率高，制造工艺简单的优点。

在本实施例中，所述热管1的尺寸、数目还可以根据散热空间的限制和散热需求选用。在此不再赘述。

实施例2

如图5至图7所示，一种具有热管散热结构的印刷电路板，包括多层的印刷电路基板15、镶嵌在所述印刷电路基板15上的热管模组19，所述热管模组19包括热沉2、热盘3和内设吸液芯10的热管1，所述热管1为七根，各热管1整体呈“凹”字形状平行设置，每根热管1的蒸发段11和冷凝段12以圆角过渡折弯90°；所述热沉2上设置有七个用于装配热管1冷凝段12的热沉通孔4，所述热盘3上设置有七个用于装配热管1蒸发段11的热盘通孔5，装配后通过焊接牢固结合，所述热管1的冷凝段12和蒸发段11分别与所述热沉2、热盘3相连接。所述热管模组19的热沉2和热盘3均镶嵌在印刷电路基板15中，所述热管1的绝热段6裸露在外界空气中并分布在印刷电路板一侧外部。

本实施例的部分热管模组镶嵌在印刷电路板中，该热管模组包括7根热管1、1块热沉2、1块热盘3。热管1的蒸发段11和冷凝段12以圆角过渡的形式折弯90°，热管整体呈“凹”字形状；在后续组装中热盘3与电路的CPU接触；热管1的冷凝段12与热沉2的通孔4轴孔配合，并通过焊接工艺将热管1与热沉2结合；热管的绝热段6裸露在外界空气中，分布在印刷电路板一侧外面，热沉2和热盘3镶嵌在印刷电路板中，并分别只露出一个面。本实施例的结构相对复杂且尺寸较大，适用于线路复杂，热流密度较大的印刷电路板，同时由于热管的绝热段6分布在印刷电路板外界，可节省较大的空间，增大电路板的利用空间。当CPU工作产生热量时，热量由CPU传递到热盘3，在传递到热管1的蒸发段11，然后热量从热管1的蒸发段11传递到冷凝端12，最后热量传递到热沉2；

如图7所示，在本实施例中，，在本实施例中，热管1包括管壳8和开设于管壳内的空腔9，所述空腔9内设置有紧贴管壳8内壁的吸液芯10，吸液芯10填充有变相工质；本实例中，吸液芯10是复合双层铜丝网结构101，该吸液芯10具有孔隙率高，制造工艺简单的优点。

在本实施例中，热管1的尺寸、数目和折弯形状可以根据散热空间的限制和散热需求选用，如热管形状并不限定为90°圆角过渡折弯，热管1的数量也不限定为七根，在此不再赘述。

实施例3

如图8所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中，吸液芯10是泡沫铜丝网复合结构102，该吸液芯10具有热阻小，渗透率高的优点。本实施例的其他结构及工作原理与实施例1相同，在此不再赘述。

实施例4

一种如实施例1所述具有热管散热结构的印刷电路板的制造方法，包括步骤：

步骤1、热管的制造，包括：

(1)铜管与中心棒13的预处理：剪切并清洗铜管和中心棒13，去除中心棒13和铜管表面的油污，再将铜管材和中心棒13烘干处理；将烘干后的中心棒13进行热处理，避免铜管与中心棒13在后续烧结工艺中发生黏结现象，提高中心棒13的使用寿命；

(2)吸液芯10的制备：清洗铜丝网14，去除铜丝网14表面的油污；用两块石墨块将两层铜丝网14压合，并进行烧结处理，使两层铜丝网14烧结成复合双层铜丝网结构12的吸液芯10；最后将该吸液芯10剪切成条状；

(3)先将条状的吸液芯10穿入铜管，再将中心棒13插入铜管(见图9)，使吸液芯10紧贴铜管内壁，然后进行烧结处理；

(4)将中心棒13拔出，对铜管的尾部进行焊接封口，然后对铜管进行退火处理；

(5)依序对铜管进行工质灌注、抽真空、二除定长、头部焊接封口处理；

(6)热管后续处理，包括检测、表面处理；

步骤2、热管模组的制造，包括：

(1)通过机加工分别得到热盘3和热沉2，热盘3和热沉2分别各加工热盘通孔5和热沉通孔4；

(2)将热管1的蒸发段11与热盘3的热盘通孔5进行轴孔配合，再用焊接工艺将热管1和热盘3结合；将热管1的冷凝段12和热沉2的热沉通孔4进行轴孔配合，再用焊接工艺将热管和热沉结合；

步骤3、印刷电路板的制造，包括：

(1)通过印刷电路工艺得到印刷电路基板15的内层基板16和外层基板17，通过机加工得到锣带18；

(2)将内层基板16、外层基板17、锣带18以及热管模组19在高温高压条件下进行压合工艺处理，使其结合成整体，锣带18在压合工艺后的后处理工艺中起保护热管模组19的作用(见图10)；

(3)通过机加工将锣带18取下，露出热管模组。

实施例5

一种如实施例2所述具有热管散热结构的印刷电路板的制造方法，包括步骤：

步骤1、热管的制造，包括：

(1)铜管与中心棒13的预处理：剪切并清洗铜管和中心棒13，去除中心棒13和铜管表面的油污，再将铜管材和中心棒13烘干处理；将烘干后的中心棒13进行热处理，避免铜管与中心棒13在后续烧结工艺中发生黏结现象，提高中心棒13的使用寿命；

(2)吸液芯10的制备：清洗铜丝网14，去除铜丝网14表面的油污；用两块石墨块将两层铜丝网14压合，并进行烧结处理，使两层铜丝网14烧结成复合双层铜丝网结构101的吸液芯10；最后将该吸液芯10剪切成条状；

(3)先将条状的吸液芯10穿入铜管，再将中心棒13插入铜管(见图9)，使吸液芯10紧贴铜管内壁，然后进行烧结处理；

(4)将中心棒13拔出，对铜管的尾部进行焊接封口，然后对铜管进行退火处理；

(5)依序对铜管进行工质灌注、抽真空、二除定长、头部焊接封口处理；

(6)热管后处理，包括将热管的蒸发段和冷凝段进行折弯90°，再进行检测、表面处理；

步骤2、热管模组的制造，包括：

(1)通过机加工分别得到热盘3和热沉2，热盘3和热沉2分别各加工若干热盘通孔5和热沉通孔4；

(2)将热管1的蒸发段11与热盘3的热盘通孔5进行轴孔配合，再用焊接工艺将热管1和热盘3结合；将热管1的冷凝段12和热沉2的热沉通孔4进行轴孔配合，再用焊接工艺将热管1和热沉2结合；

步骤3、印刷电路板的制造，包括：

(1)通过印刷电路工艺得到印刷电路基板15的内层基板16和外层基板17，通过机加工得到锣带18；

(2)将内层基板16、外层基板17、锣带18以及热管模组19在高温高压条件下进行压合工艺处理，使其结合成整体；锣带18在压合工艺后的后处理工艺中起保护热管模组19的作用(见图11)。

(3)通过机加工将锣带18取下，露出热管模组。

实施例6

本实施例与实施例4或5的区别在于：所述吸液芯10的制备的步骤具体为：清洗铜丝网14，去除铜丝网14表面的油污；用两块石墨块将一层铜丝网14和一层泡沫铜103压合，并进行烧结处理，使一层铜丝网14和一层泡沫铜103烧结成泡沫铜丝网复合结构102的吸液芯10；最后将该吸液芯10剪切成条状；

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。