类热管并行结构泡沫铜均热板的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种台阶式泡沫铜为吸液芯制成类热管并行结构均热板的方法。该均热板根据结构设计由上下铜盖板与台阶式或平面结构泡沫铜烧结，按几何形状形成类热管结构蒸汽腔，并注入液相工质组成。其中泡沫铜台阶呈矩形或梯形状，分别与平面或对应台阶式泡沫铜按几何结构烧结在上下铜盖板上，其中台阶式泡沫铜凸台部分起支撑柱作用，上下铜盖板经铜银或扩散焊接结合后，抽真空注液封装。这种台阶式泡沫铜具有高的孔隙率和好的毛细特性以及蒸汽腔结构相互连通，确保蒸发端液相介质快速高效的液-汽转化、气相快速扩散以及减少冷凝端汽-液转化后快速回流阻力。制成的类热管并行结构均热板，能够满足半导体电子装备所需的快速高效导热和散热要求。
【专利说明】
类热管并行结构泡沬铜均热板的制造方法
技术领域
[0001]本发明是关于一种快速导热和散热的传热器件的制造方法，特别涉及到一种通过由呈矩形或梯形状的台阶结构泡沫铜，根据结构设计要求，形成的类热管并行结构均热板的制造方法，属于电子器件类。
【背景技术】
[0002]随着通讯信息和装备的不断发展，人们对电子集成系统及产品的要求越来越高，主要朝薄、轻、小、高效、美观等方面发展。但在电子集成系统及功能提高、空间尺寸受限的情况下，芯片及系统的功率和热量将大幅度上升。例如一些电脑的CPU或GPU发热量已超过lOOW/cm2，这样随之而来的是产品的散热速率过慢，导致整个产品温升过快过高，而过高的温升会极大地影响电子系统的性能和寿命，甚至会烧坏芯片和主板。因而如何使得芯片上的热量快速导出并散发出去，有效实现集成电路系统的热管理已成为电子行业亟待解决的问题。
[0003]其中应用液体相变可以快速传递大量热量原理制成的相变散热元件如热管和均热板不断得到研发和应用。均热板与热管的原理是相同的，只有热传导的方式有所不同，热管的热传导方式是一维的，是线性热传导方式，在某些特定场合会因为较小的散热面积和较大的热阻而降低其传热性能；而均热板的热传导方式是二维的，是面方向上的热传导方式，与热管相比，测试发现通常均热板的散热效率Qmax要大大高于热管，并且其热阻也要小得多，因为均热板可以迅速将一个或多个热源的高热流密度快速且近乎等温的均匀分布到一个大的平面上，从而迅速导出甚至散出电子设备产生的热量。因此，均热板被逐步应用到所需快速高效的电子热管理领域。
[0004]均热板的尺寸结构通常需根据所选芯片的尺寸和集成情况确定，因此多为非标或定制化产品，满足所需快速高效的散热要求。决定均热板热性能的关键是其内部结构即吸液芯材料与结构，目前的丝网编织结构，毛细特性差，铜粉烧结结构的孔隙率仅为38-45%，应用时产生热循环的回流热阻相对大。为了克服上述不足并确保均热板的热性能，提出采用高孔隙率的台阶式泡沫铜作为均热板的吸液芯，形成具有类热管并行结构均热板的制造方法。
【发明内容】
[0005]本发明公开了一种类热管并行结构的均热板制造方法，吸液芯是采用矩形或梯形状台阶结构泡沫铜，其孔隙率根据设计要求在40-95%之间选择，矩形或梯形状泡沫铜除了烧结在上下盖板上，上下对应烧结在一起或其与平面结构泡沫铜烧结在一起，台阶将起到良好的支撑柱作用，并形成间隔式蒸汽腔，确保了介质气化后的快速扩散，台阶结构的蒸汽腔与边沿四周是全部联通，注液封装后确保其温度均匀和快速高效的的导热和散热性能。
[0006]本发明是通过以下技术途径来制得类热管并行结构泡沫铜均热板的:
台阶式泡沫铜为吸液芯的类热管并行结构的均热板的组成包括:上盖铜板、下盖铜板、纯的泡沫铜吸液芯和液相工质。其中作为吸液芯的台阶式泡沫铜分别烧结在上下盖板上，然后根据其几何结构的矩形或梯形状对应烧结在一起或与平面结构烧结铜烧结在一起，同时上下盖板之间通过铜银钎焊或直接扩散焊接，其结构组成如图1所示。台阶式泡沫铜的最薄区厚度为0.1mm,台阶的高度为0.3-1.5毫米。
[0007]所述台阶式泡沫铜作为吸液芯结构如图2 Ca)和(b)所示，其中图2 Ca)是上下均为台阶式泡沫铜相对应的组合结构；图2 (b)是平面结构泡沫铜和台阶式泡沫铜的组合结构。
[0008]所述上下盖板均为无氧铜板。
[0009]所述的液相工质为去离子水、酒精(乙醇)、丙酮、乙醚等其他材料。
[0010]所述上下铜盖板与泡沫铜之间通过高温真空或还原烧结结合，上下铜盖板之间也是通过真空或还原气氛下的铜银钎料或高温扩散的焊接实现良好结合，特别注意的是用于注液相工质的毛细铜管的周围需要确保焊接结合良好。
[0011]其中吸液芯结构在均热板设计中起到至关重要的作用，本发明采用具有台阶或平面结构泡沫铜作为吸液芯，具有以下优点:(I)可根据需要选择高孔隙率的泡沫铜，其孔隙率可在4 0 - 9 5 %之间选取，上下泡沫铜可以选用相同孔隙率的材料，也可以选用不同孔隙率的材料。当选用高孔隙率的泡沫铜时，从冷端回流的阻力就大大减小；(2)台阶结构泡沫铜形成的泡沫铜支撑柱具有良好的支撑和回流效果，确保均热板制造过程的平整度和液相工质的相变循环能够快速进行；(3 )采用高孔隙率的台阶结构泡沫铜材料，可以更好地简化均热板的制备工艺和热性能的一致性，也可以相对降低均热板的厚度和减轻均热板的重量。
[0012]【具体实施方式】:
下面结合具体实施方案列举两例来进一步详细说明本发明的制造方法。
[0013]例I，采用本发明制造的厚度为2.4毫米，外形尺寸为10XlOOmm的均热板，如图3所示，具体方法如下:
(I)选取两块厚度为0.6 mm的无氧铜薄板，下盖板外形结构尺寸规格为10mmX 100mm,上盖板机加工或冲压后的尺寸为10mmX 100mm,其中在上下盖板用于封装边沿的尺寸约为4毫米，因此均热板的有效尺寸约为96mmX96mm。
[0014](2)上盖板是通过机械加工或冲压成型制成内腔深度为1.2毫米的带边沿的平板结构，其中边沿的宽度为4毫米，外形尺寸为10mmX 10mm如图3所示。采用的台阶式泡沫铜与平面结构泡沫铜的组合结构如图3的剖视图所示，其中台阶式泡沫铜的厚度为0.2mm，台阶处的厚度为1.0 mm,即台阶高度为0.8 mm,平面结构泡沫铜的厚度为0.2 mm。台阶的宽度为3 mm,槽道的宽度为8 mm,呈周期结构。这样组合后形成的蒸汽腔高度为0.8 mm,宽度为8 mm，如图3所示。
[0015](3)台阶式泡沫铜选取孔隙率为80%，平面结构泡沫铜也选用相同的孔隙率。其中根据上下盖板的结构，机加工或冲切成尺寸为96_X96mm，后续分别在氢氮混合的还原气氛下，在950°C保温30分钟烧结在上下盖板上。
(4)然后将烧结好的含台阶式泡沫铜和平面泡沫铜的上下盖板对应，在钟罩炉980°C保温I小时的氢还原气氛下实现上下盖板扩散烧结结合以及泡沫铜之间的台阶接触处的烧结结合，其中注意确保如图3所示抽真空注液用的毛细铜管的焊接结合良好。
[0016](5)均热板的抽真空与灌注工质:焊接完成后利用抽真空注液设备对均热板进行抽真空注液工序。当抽真空过程满足相应的真空度要求后,将根据吸液芯的孔隙率计算,注入适量的工质，例如若采用蒸馏水，经计算加入量可在4.4-4.5g的范围内，注入和封装后并进行二次除气，尽可能除去不可压缩气体，提高均热板的均温性，然后对抽真空注液的毛细铜管进行IS弧。
[0017](6)均热板制成后，需对其热特性进行测试，同时对均热板进行老化和可靠性测试。
[0018]例2，采用本发明制造的厚度为3毫米，直径为f 100 mm的均热板，其结构如图4所示，具体方法如下:
(I)选取两块厚度为0.6 _的无氧铜薄板,下盖板规格直径为flOOmm,其中上盖板经经冲压成形或机械加工后，外直径同下盖板直径相同，均为flOOmm，这样上下盖板结合后，形成直径为flOOmm的均热板，其中上下盖板用于封装的边沿尺寸约为4mm，如图4所示。
[0019](2)将上盖板通过冲压成型或机械加工制成内腔深度为1.8mm的带边沿的圆板结构，其中边沿的宽度约为4mm，如图4所示。所用的台阶式泡沫铜结构如图4的剖视图所示，其中泡沫铜的厚度为0.3mm,台阶处的厚度为0.9mm,台阶的高度则为0.6mm,台阶的宽度为4mm，槽道的宽度为8mm，呈周期结构。这样上下台阶凸处对应后，形成的蒸汽腔高度为
1.2mm,如图4所示。
[0020](3)台阶式泡沫铜选取孔隙率分别为60%和80%，其中上盖板采用孔隙率为60%的泡沫铜，下盖板采用孔隙率为80%的泡沫铜，根据上下盖板的结构确保上下泡沫铜能完全结合。然后根据几何结构的对应，分别在氢氮混合的还原气氛下，经950°C保温30分钟烧结在上下盖板上。
[0021](4)然后将烧结好的台阶式泡沫铜的上下盖板对应，在钟罩炉氢还原气氛下在980Λ保温I小时，实现上下盖板的扩散烧结结合以及泡沫铜台阶之间的烧结结合，其中包括抽真空注液的毛细铜管与上下盖板间的良好焊接。
[0022](5)均热板的抽真空与灌注工质:焊接完成后利用抽真空注液设备对均热板进行抽真空注液处理。焊接完成后利用对均热板首先进行抽真空处理，真空度满足要求后，将根据泡沫铜孔隙率进行计算理论的注液量，注入适量的工质，例如若采用蒸馏水，经计算加入量为4.0-4.lg，注液封装后并进行二次除气，尽可能除去不可压缩气体，提高均热板的均温性。
(6)均热板制成后，需对其热特性进行测试，同时对均热板进行老化和可靠性检测，然后进行所需的表面处理，完成整个均热板的制备过程。
[0023]【附图说明】:
图1是本发明的台阶式泡沫铜为吸液芯的均热板结构示意图。包括上下盖板、泡沫铜吸液芯、铜制抽气和注液管、安装孔等
图2是台阶式泡沫铜之间或与平面结构泡沫铜结合作为吸液芯的结构示意图图3是尺寸为100*100_、厚度为2.4mm的均热板结构及剖视图图4是直径为flOOmm、厚度为3mm的均热板结构及剖视图。
【主权项】
1.一种具有良好毛细现象的台阶式泡沫铜作为吸液芯的类热管并行结构均热板的制造方法，其特征在于:所述泡沫铜的外形结构呈矩形或梯形状台阶结构，按照上下对应或其与平面结构泡沫铜相结合，形成平行间隔的蒸汽腔，其中台阶作为均热板的支撑柱。2.根据权利要求1所述的由台阶式泡沫铜形成类热管并行结构的均热板，其特征在于所述泡沫铜呈矩形或梯形状台阶结构，其中泡沫铜的厚度差即台阶高度为0.3?1.5mm，如上下对应作为支撑柱所形成的蒸汽腔高度为0.6-3.0毫米；如其与平面结构泡沫铜结合，所形成的蒸汽腔高度为0.3-1.5毫米，具体所需蒸汽腔的尺寸将根据结构设计要求数值进行选择确定。3.根据权利要求1所述的由台阶式泡沫铜形成的类热管并行结构均热板，其特征在于所述上下铜盖板和相应的泡沫铜材质均为纯铜即无氧铜。4.根据权利要求1所述的由台阶式泡沫铜形成的类热管并行结构均热板，其特征在于泡沫铜的孔隙率在40-95%可以根据设计和性能要求选择，上下泡沫铜可以采用相同孔隙率，也可以采用不同孔隙率。5.根据权利要求1所述的由台阶式泡沫铜形成的类热管并行结构均热板，其结构特征在于所有的蒸汽腔形成并行且间隔的类热管结构，蒸汽腔通过四周边贯通连接，确保均热板的均温性。
【文档编号】F28D15/04GK105841532SQ201510014597
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年1月12日
【发明人】施忠良, 曾金珍, 邱晨阳, 施忠伟
【申请人】江苏格业新材料科技有限公司