一种抗重力、低膨胀率均热板及其制备方法与流程

1.本发明属于热管技术领域，特别涉及一种抗重力、低膨胀率均热板及其制备方法。


背景技术：

2.电子器件向着高集成度、高性能、使用场景广泛的方向发展。高热流、小空间、适用范围广成为电子器件散热技术的发展必然趋势。对于不同的使用场景而言，电子器件对散热系统也具有不同的要求。
3.均热板作为一种被动相变换热元件，采用液体相变传热技术，通过相变将热量迅速传至整个表面，具有散热能力强、传热温差小、无需额外维护等优点，多用于需要高效散热的场景，能够迅速降低热源的温度，改善了电子器件的散热问题，延长了电子产品的使用寿命。
4.传统的均热板大多只能在顺重力和低功率的条件下进行工作，在逆重力的条件下具有较差的均温性能，并且在高功率高温的条件下容易出现膨胀等问题，这大大限制了其使用的场景。同时，对于半导体功率器件，其膨胀系数较低，热膨胀匹配是保证其稳定运行的关键，目前的热管制作中常用膨胀系数较大的金属作为壳体材料，无法满足热膨胀匹配要求。为满足高功率器件的散热需求，现有技术方案多采用导热性能较好的金刚石铜、金刚石铝等实体材料，重量较大，成本高昂。对于航天航空领域中零重力条件下高功率电子封装器件的热控需求，如何设计一种稳定可靠的抗重力、低膨胀率均热板进行快速传热，仍是业界所需解决的技术瓶颈。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一在于：提供一种梯度丝网加粉环结构，在热源安装面设计向内的凸台结构，提高腔体工质回流速率，在逆重力姿态下仍可促进液体回流，提高均热板的性能，能够使其在逆重力条件下具有较好的均温性能，克服均热板逆重力效果差的技术难题。
6.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之二在于：在上壳体和下壳体连接处，设计支撑柱结构，采用低膨胀率的金属材料进行壳体加工制备，在高功率高温条件下均热板仍可正常工作，保持较低的膨胀率，解决了传统均热板与半导体封装器件热膨胀特性不匹配的技术难题。
7.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之三在于：提供一种抗重力、低膨胀率均热板的制备方法。
8.本发明提供的技术方案如下：
9.第一方面，一种抗重力、低膨胀率均热板，包括：
10.上壳体，其与下壳体对接形成容纳吸液芯、粉环和工质的腔体；上壳体的内侧面设有凸台和多个第一支撑柱，凸台的正后方形成容纳热源的凹槽；
11.下壳体，其内侧面分布有多个与第一支撑柱对应的第二支撑柱，外侧面与外部冷
却工装相接；
12.吸液芯，其为片状结构，开设有使第一支撑柱穿过的第一通孔，并与上壳体的内侧面紧密贴合；
13.粉环，其嵌套于下壳体的第二支撑柱上，上端对接第一支撑柱，将下壳体内侧冷凝后的工质输送给吸液芯后回流至凸台处；
14.工质，其为流动的相变液体，将凸台处热量传递至整个均热板。
15.第二方面，一种抗重力、低膨胀率均热板的制备方法，包括如下步骤：
16.步骤1：通过铣削工艺或者蚀刻工艺加工上壳体和下壳体，上壳体外侧面热源安装处向内加工凹槽，内侧面相应形成凸台，上壳体或下壳体边缘处设置注液孔，上壳体和下壳体内侧阵列排布支撑柱结构；
17.步骤2：采用还原气氛烧结法将至少一层金属丝网烧结成一体，并加工成与上壳体内侧型面相同的吸液芯结构；
18.步骤3：将吸液芯压置于上壳体内，采用还原气氛烧结法连接吸液芯与上壳体；
19.步骤4：将粉环嵌套于下壳体的第二支撑柱上，将上壳体与下壳体拼合，通过焊接方式进行连接；
20.步骤5：将注液管与上壳体或下壳体上预留的注液孔连接，将工质通过注液管灌注于上壳体和下壳体形成的腔体中；
21.步骤6：将腔体内部抽真空处理，并实施液压封口，完成均热板制备。
22.根据本发明提供的一种抗重力、低膨胀率均热板及其制备方法，具有以下有益效果：
23.(1)本发明提供的一种抗重力、低膨胀率均热板，采用梯度丝网加粉环结构，在热源安装面设计向内的凸台结构，提高腔体工质回流速率，在逆重力姿态下仍可促进液体回流，在逆重力条件和顺重力的条件下均具有较好的均温性能，克服了传统均热板热源只能置于均热板下方的技术难点；
24.(2)本发明提供的一种抗重力、低膨胀率均热板，采用梯度丝网加粉环结构，在上壳体和下壳体连接处，设计支撑柱结构，采用低膨胀率的金属材料进行壳体加工制备，在高功率高温条件下，均热板仍然具有较低的膨胀率，与半导体封装功率器件的膨胀特性相匹配，可与功率器件的可靠焊接，实现功率器件的直接冷却，解决了传统均热板与半导体封装器件热膨胀特性不匹配的技术难题；
25.(3)本发明提供的一种抗重力、低膨胀率均热板的制备方法，与现有均热板工艺性兼容较佳，实现方法简单，适合用于工业生产。
附图说明
26.图1为本发明一种优选实施方式中抗重力、低膨胀率均热板的立体结构分解示意图。
27.图2为完成密封连接后的均热板示意图。
28.图3为上壳体的结构示意图。
29.图4为下壳体的结构示意图。
30.图5为吸液芯的结构示意图。
31.图6为完成密封连接后的均热板工作原理示意图；
32.图7为使用均热板与金刚石铜的热源温度对比；
33.图8为不同测试状态(顺重力、逆重力)下的热源温度。
34.附图标号说明：
35.1-上壳体、11-凸台、12-第一支撑柱、13-凹槽、2-注液管、3-吸液芯、31第一通孔、32第二通孔、4-粉环、5-下壳体、51-第二支撑柱、52-第三支撑柱、6-变功率器件、7-水冷板。
具体实施方式
36.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
37.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
38.根据本发明的第一方面，提供了一种抗重力、低膨胀率均热板，如图1和图2所示，包括对应连接的上壳体1和下壳体5，上壳体1和下壳体5均为金属材料；上壳体1和下壳体5对接形成的腔体内部设有吸液芯3、粉环4和工质；上壳体1和下壳体5连接处通过焊接连接。焊接封装后，将均热板灌注工质，内部抽真空并密封实现抗重力、低膨胀率均热板制造。
39.如图3所示，上壳体1采用低膨胀率金属材料，热膨胀系数低于15ppm/℃，包括但不限于钼铜、可伐合金、殷钢等低膨胀金属或合金，优选为钼铜。上壳体1的内侧面设有凸台11和多个均布的第一支撑柱12，外侧为热源安装面，设置有凹槽13，凹槽13深度为1-1.5mm。第一支撑柱12用于上下壳体间的对接，可为圆柱形、多边棱柱或不规则柱状等，优选为圆柱形，更优选呈三角阵列排布；凸台11作为加热端，凹槽13设于凸台11的正后方，用于安装热源如电子器件。上壳体1和下壳体5的厚度为1.5-2mm。
40.上壳体1边缘处设置有连通内腔的注液孔，通过注液管2置于上壳体1预留的注液孔内将工质灌注于腔体内部。当然，注液孔也可设在下壳体5上。
41.如图4所示，下壳体5采用低膨胀率金属材料，包括但不限于钼铜、可伐合金、殷钢等低膨胀金属或合金，优选为钼铜。下壳体5的内侧面分布有多个与第一支撑柱12对应的第二支撑柱51，用于上下壳体间的对接。第二支撑柱51可为圆柱形、多边棱柱等，优选为圆柱形，更优选呈三角阵列排布。优选地，下壳体5内侧对应凸台11处设置有条形的第三支撑柱52，宽度对应凸台11宽度。
42.如图5所示，吸液芯3为片状结构，置于上壳体1下方，与上壳体1的内侧面紧密贴合。吸液芯3采用至少一层薄型金属丝网，金属丝网数目为两层以上时烧结为一体，金属丝网的材料包括但不限于铜、不锈钢或钛合金。优选地，金属丝网目数为100-300目，厚度为0.06-2mm，层数为1-7层，烧结后形成的吸液芯3保留了金属丝网的多孔结构，具有较强的结构稳定性和良好的液体扩散能力，有利于对工质的传输。吸液芯3上开设第一通孔31，使第一支撑柱12穿过；对应凸台11处模压形成凹部，凹部上对应下方下壳体5上第三支撑柱52处开设第二通孔32，使凸台11处受热后汽化形成高温水蒸气，较快地在下壳体5处冷凝液化，释放热量。
43.如图1所示，粉环4嵌套于下壳体5的第二支撑柱51上，上端对接第一支撑柱12，其
采用金属粉末烧结而成，金属粉末的材料包括但不限于铜、不锈钢或钛合金，目数为100-200目。优选地，粉环4的高度大于第二支撑柱51的高度，小于等于第一支撑柱12和第二支撑柱51的高度和。
44.粉环4承接第一支撑柱12和第二支撑柱51，内部工质在凸台11处受热后汽化形成高温水蒸气，在下壳体5处冷凝液化，并释放热量，冷凝工质沿着粉环4和吸液芯3回流至凸台11处，往复循环实现对电子器件的相变冷却，粉环4和吸液芯3起到工质引流的作用。
45.粉环4嵌套于第二支撑柱51上后，相邻粉环4之间留有空隙，形成工质流道，加快换热。
46.工质采用去离子水、丙酮、乙醇或甲醇，优选为去离子水。
47.根据本发明的第二方面，提供了一种抗重力、低膨胀率均热板的制备方法，包括如下步骤：
48.步骤1：壳体制备。通过铣削工艺或者蚀刻工艺加工上壳体和下壳体，上壳体外侧面热源安装处向内加工凹槽13，内侧面相应形成凸台11，上壳体或下壳体边缘处设置注液孔，上壳体和下壳体内侧阵列排布支撑柱结构；
49.步骤2：吸液芯制备。采用还原气氛烧结法将至少一层薄型金属丝网烧结成一体，通过激光加工得到与上壳体内侧型面相同的吸液芯结构；
50.步骤3：吸液芯3烧结于上壳体1内。将吸液芯3压置于上壳体1内，采用还原气氛烧结法连接吸液芯3与上壳体1；
51.步骤4：均热板焊接。将粉环4嵌套于下壳体5的第二支撑柱51上，将上壳体1与下壳体5拼合，通过焊接方式进行连接；焊接方式包括但不限于硬钎焊、扩散焊或激光焊接；
52.步骤5：工质灌注。将注液管2与上壳体1或下壳体5上预留的注液孔连接，将工质通过注液管2灌注于上壳体1和下壳体5形成的腔体中；
53.步骤6：真空封口。将腔体内部抽真空处理，真空度小于10pa，并实施液压封口，完成均热板制备。
54.实施例
55.实施例1
56.一种抗重力、低膨胀率均热板的制作方法，包括如下步骤：
57.s1.壳体制备。上下壳体均采用铣削工艺加工，上壳体1尺寸为70
×
50
×
1.85mm，上壳体内部腔体高度为1mm，下壳体5尺寸为70
×
50
×
1.2mm，下壳体内部腔体高度为0.7mm；上下壳体内部呈三角阵列排布一一对应的支撑柱结构，支撑柱的直径为2.8mm，间距为8mm，高度为与腔体高度一致；上壳体1热源安装面设有凹槽13。
58.s2.吸液芯3制备。采用还原气氛烧结法将多层薄型铜丝网烧结形成吸液芯3结构。吸液芯3采用5层薄型铜丝网烧结而成，铜丝网目数为250目，厚度为0.06mm。烧结采用氢气还原气氛，烧结温度为800℃，保温时间为1小时。采用激光加工的方式对多层铜丝网进行激光切割，得到适用于上壳体1的吸液芯3结构。吸液芯3上开设呈三角阵列排布的第一通孔31，使第一支撑柱12穿过；对应凸台11处模压形成凹槽，凹槽上对应下方下壳体5上第三支撑柱52处开设第二通孔32，使凸台11处受热后汽化形成高温水蒸气，较快地在下壳体5处冷凝液化，释放热量。
59.s3.吸液芯3烧结于上壳体1上。使用石墨模具将吸液芯3压置于上壳体1内，并施加
1.5kpa的压力将吸液芯3与上壳体1紧密贴合，采用还原气氛烧结法将吸液芯3结构与上壳体1连接。烧结采用氢气还原气氛，烧结温度为650℃，保温时间为1小时。
60.s4.均热板焊接。粉环4嵌套于下壳体5的第二支撑柱51上。进一步，焊接采用焊膏进行硬钎焊，将焊膏置于下壳体5边缘处和第二支撑柱51之上，将上、下壳体拼合定位、夹紧，夹紧压力为1.5kpa。采用还原气氛烧结法进行上、下壳体间的焊接，通过焊接工艺完成均热板的壳体制作。烧结采用氢气还原气氛，烧结温度为650℃，保温时间为1小时。
61.s5.工质灌注。注液管2置于上壳体1预留注液孔位置，采用焊接工艺进行注液管2与上壳体1的连接，适量工质通过注液管2灌注于腔体内部。工质采用去离子水，充液量为1ml。
62.s6.真空封口。将腔体内部抽真空处理，并且在抽真空状态下待真空度为6pa时，实施液压封口，保证腔体内部处于高真空状态，即可完成整个均热板的制备工艺。
63.经过上述步骤s1-s6，可获得本发明所述的一种抗重力、低膨胀率均热板，如图6所示。本发明均热板在抗重力工作时，变功率器件6置于上壳体1的凹槽13之上，水冷板7置于下壳体5的底部，内部工质在凸台11处受热后汽化形成高温水蒸气，在下壳体5处冷凝液化，并释放热量，冷凝工质沿着粉环4和吸液芯3回流至凸台11处，往复循环实现对变功率器件6相变冷却。
64.将本发明的均热板与金刚石铜进行对比测试，结果见图7。从数据可以看出，相同功率下，均热板的热源温度要低于金刚石铜，说明均热板比金刚石铜具有更好的热扩散性能，可以有效降低热源温度。
65.对本发明的抗重力、低膨胀率均热板分别在顺重力和逆重力状态下进行测试，在不同的功率条件下的热源温度如图8所示。可知，本发明均热板在顺重力与逆重力条件下具有相当的传热性能，在逆重力条件下的传热性能略优于顺重力条件。
66.上述实施例为本发明较佳的实施方法，但本发明的实施方法并不受上述实施例的限制，其中上、下壳体是相对空间上的命名，以方便对实施例的说明，并非对其进行空间限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
67.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。