一种超薄均热板的制作方法

本实用新型属于热传导技术领域，涉及一种均热板技术，特别是涉及一种超薄均热板。

背景技术：

电子器件的微型化已经成为现代电子设备发展的主流趋势。电子器件特征尺寸不断减小(例如,微处理器的特征尺寸从1990年到2000年内从0.35m减小到0.18m),芯片的集成度、封装密度以及工作频率不断提高,这些都使芯片的热流密度迅速升高。研究表明,超过55％的电子设备的失效形式是由温度过高引起的,因此电子器件的热可靠性设计在电子器件发展中具有举足轻重的作用。

随着手机、平板电脑、oled电视机、可穿戴设备智能化等电子产品集成化和轻薄化程度的提高，人们在期望产品具有更轻薄的的外形以外，还希望它具有更高的计算速度和更好的多媒体性能，以满足高速、便携、移动工作或移动娱乐的要求。在市场需求端的强力引导下，电子器件不断地往高频、高速以及集成电路的密集和小型化的方向发展，使得单位容积电子器件的功耗剧增，带来了发热量快速增大，对散热器件的性能要求也越来越高，传统的散热材料比如金属箔、石墨片等材料已经难以满足要求。

热管是一种相变传热器件，具有较高的导热系数和传热功率，热管工作时，将热源的热流从蒸发端传递到冷凝端，再从冷凝端通过热传导的方式传递到表面积较大的热沉，最后通过对流传热的方式将热量带走，其导热系数是现有金属材料的几十倍到几百倍。但常规热管从直径到厚度都在毫米级以上，难以适应手机内狭小的空间，例如，笔记本电脑或平板电脑的厚度己降低10mm，手机的厚度一般在8mm以下，燃料电池的散热间隙仅有3mm。目前常用的圆柱形热管或者压扁型热管，已经很难满足紧凑型高功率电子设备的散热需求，这促使热管朝着轻薄化方向发展。但随着热管厚度的降低，其内部汽-液高速对流引起的界面剪切力将会增大，传热能力受到限制。因此，热管在保证超薄化的同时，必须同时具有较强的传热能力，这是超薄热管领域的难点，也是热管领域研究的热点。

现代智能手机、平板电脑等设备设计时给散热器件预留的厚度非常小，大多＜1mm，在如此薄的热管内部还需设置相互分离的气液通道，以保证工作时气液循环高效传热，这对普通热管的设计和制造工艺的要求非常高。由于热管的形状所限，其主要实现由热源到热沉的一维方向传热。而在大部分电子元器件中，二维平面上的传热更为常见。针对二维平面散热，另一种相变传热元件——均热板(vaporchamber)应运而生。均热板是平板热管的一种，可以将聚集在热源表面的热流迅速传递并扩散到大面积的冷凝表面上，从而促进热量的散发，降低元器件表面的热流密度，保证其可靠工作。由于较低的热阻、良好的均温性能以及较高的临界热流密度，均热板目前广泛应用于大功率led、cpu、gpu、高速硬盘等电子元器件的散热。

现有技术中均热板的吸液芯一般为铜粉烧结式、或者金属丝网。使用烧结铜粉吸液芯的均热板，其制造过程中需向薄壁金属管内填入金属粉末然后进行烧结，其生产过程十分困难，一致性很难保证，在高温烧结时由于金属外壳层与铜粉烧结层的热膨胀系数不同，极易出现褶皱。而使用金属丝网的均热板，由于丝网结构存在渗透率较大，但毛细力小的特点，同时由于单层丝网烧结容易出现破裂和厚度太小导致工质量过少，因此在一般丝网烧结中，常采用多层结构层叠烧结。多层烧结的丝网结构容易出现层间接触不良，削弱传热性能。

泡沫金属是一种孔隙率较高的多孔材料，其孔隙率一般在70％以上，甚至可达98％，且较易对孔径及孔隙率进行调整，高孔隙率使泡沫金属吸液芯具有较高的渗透率，可有效减小流体阻力；泡沫金属比表面积大，可增大吸液芯与工质之间的接触面积，有利于工质蒸发，减少蒸发热阻；泡沫金属还具有密度小的特点，重量仅为同体积金属的20～60％，而且厚度可低至0.2mm，因此可有效减小传导热阻，有望在超薄均热板中得到大规模应用。

中国专利(cn104764350)公开了“一种泡沫铜为吸液芯的均热板制造方法”,采用泡沫铜(厚度0.1mm～3mm，孔径300nm～1000μm，孔隙率40％～95％)烧结在由相应的不同厚度的铜板或铜箔制成的上盖板和下底板上作为吸液芯，中间蒸汽腔采用一定厚度(≥0.8mm)的圆柱状或方形结构的泡沫铜作为支撑柱，经焊接、抽真空、注液、封装后制成均热板。其中支撑柱的直径为3～8mm，支撑柱之间的间隔为10～15mm。

中国专利(cn104896983)公开了“一种超薄泡沫银为吸液芯的均热板制造方法”，采用泡沫银(厚度0.1mm～2mm，孔径300nm～1000μm，孔隙率40％～95％)烧结在由相应的不同厚度纯铜板或铜箔制成的上盖板与下底板上作为吸液芯，中间蒸汽腔采用一定厚度(≥0.8mm)的圆柱状或方形结构的泡沫银或铜作为支撑柱，经焊接、抽真空、注液、封装等工艺制成均热板。其中支撑柱的直径或尺寸为2～8mm，支撑柱之间的间隔为8～15mm。分离式的支撑柱很难大规模连续生产。

在上述的两个现有技术中，使用了泡沫金属作为吸液芯和支撑柱。支撑柱的作用是支撑中间蒸汽腔，使其在均热板在抽真空除气后的结构不坍塌，由于支撑柱之间的间隔(8～15mm)比较大，如果使用比较比较薄的铜箔作为上下盖板，铜箔就会在支撑柱的间隔出有凹陷，影响均热板的导热性能，因此他使用的盖板厚度不能小于0.1mm，这种结构就限制了均热板的厚度。

另外，现有技术使用的泡沫金属吸液芯是由不同孔径分布的连通孔构成，在泡沫内层的孔是完整的微孔，而最外层的孔是破碎的，以类似于微柱结构的形式附着于完整孔的外边一层，它的芯吸有效半径要大于内层的有效半径，其毛细力小于内层，因此，为了得到泡沫金属吸液芯的良好特性，其内部至少要保留至少一层的完整孔通道。如果为了高的渗透率而使用孔径比较大的泡沫金属吸液芯，那么吸液芯的厚度就会比较厚，同时带来吸液芯的毛细力下降；如果为了较低的厚度和较大的毛细吸力而使用孔径很小的泡沫金属吸液芯，那么液体在毛细芯内部的流动阻力就会很大，从而使均热板的传热能力降低。

现有技术中的吸液芯难以同时满足厚度薄、毛细吸力大、和渗透率高这三个特点。在使用超薄的上下壳板，或是制作具有超薄厚度(＜1mm)的均热板时，其采用独立分离式的支撑柱也很难支撑起均热板的结构而不坍塌。

技术实现要素：

本实用新型公开的一种超薄均热板及其制造方法，所公开的超薄平均热板可以像普通热管一样由热源到热沉的一维方向快速传递热量，也可以使热量快速地沿径向在二维平面上的扩散，从而具有优异的导热、散热效果。

本实用新型的技术方案为：

一种超薄均热板，结构为由上壳板、下壳板、吸液芯、多孔金属支撑层以及工作介质组成的超薄密闭腔室，其特征在于：

由上壳板、下壳板组合形成内部为密闭内腔的壳体，上壳板、下壳板的内表面上设有吸液芯，在吸液芯之间设有多孔金属支撑层，壳体内部填充有工作介质，

所述的上壳板、下壳板的厚度为0.01mm～1.0mm，

所述的吸液芯的厚度为0.02mm～1.5mm，

所述的多孔金属支撑层具有开孔的三维立体网状结构，厚度为0.1mm～15mm，所述的多孔金属支撑层为图案化结构或单一结构，图案化结构是指在多孔金属支撑层上设有凹槽，凹槽深度为0.02mm～14.5mm，槽底宽为0.05～30mm，槽顶宽为0.05～30mm；单一结构是指厚度均匀，没有进行过局部压缩或局部机械减薄加工的多孔金属，

所述工作介质填充于壳体的密闭内腔，工作介质为液体材料，其体积为吸液芯空隙的50％～300％。

所述的吸液芯为多孔介质或毛细层；

所述的多孔金属支撑层的图案化结构的凹槽呈平行于长度或宽度方向排列，或者是在多孔金属支撑层上相互交叉，又或者是在多孔金属支撑层上以某一点为中心点向外辐射状排列。

所述的工作介质的体积为吸液芯空隙的80％-150％。

所述的吸液芯的表面上设有亲水的金属氧化物纳米结构体，所述的金属氧化物纳米结构体的形貌包含纳米线、纳米粒子、纳米片的至少一种。

所述的吸液芯为泡沫金属压缩得到的多孔结构，其内部孔的长径比为1:1～10:1。

所述的多孔金属支撑层内部孔的长径比为1:1～10:1。

吸液芯采用平均粒径为0.01mm～0.5mm的金属粉末烧结得到的多孔介质；或者是在上壳板、下壳板的内表面通过电镀的方式得到的疏松多孔的毛细层；或者由平均厚度为0.4mm～3mm的一层或者两层以上叠加的泡沫金属压缩得到的多孔介质，压缩后的泡沫金属孔隙率为30％～90％；又或者是将平均粒径为0.01mm～0.5mm的金属粉末填充到一层或者两层以上叠加的泡沫金属内部，经过烧结得到的多孔介质，烧结后得到的多孔介质孔隙率为30％～90％，吸液芯的有效毛细孔径越大，其渗透率就越大，但是过大的毛细孔径会导致其产生的毛细抽力变小，不利于工质回流；吸液芯有效毛细孔径越小,其产生的毛细抽力越大,但过小的吸液芯有效孔径会引起毛细芯的渗透率急剧下降,导致工质在毛细芯内的流动阻力陡增。为了使泡沫金属吸液芯能同时具有较大的毛细抽力、渗透率、以及较小的厚度，本实用新型的技术方案中，通过对一层或两层以上的泡沫金属进行压缩，通过选择不同的孔数(ppi)、面密度、厚度的原始泡沫金属，不同的压缩比，以及两层以上泡沫金属层叠进行压缩时选择相同或者不同孔数(ppi)、面密度、厚度的原始泡沫金属进行搭配，以此来调控吸液芯的孔形状、孔径大小和孔径分布，可以得到同时具有较大毛细吸力、渗透率和较小厚度的吸液芯。同时，随着对泡沫金属压缩的进行，外部破碎孔形成的微柱被压缩，重新形成新的封闭小孔，使得泡沫金属外层孔的毛细力增强，促进了液化工质的回流，改善了现有技术中的缺点。这是因为泡沫金属结构呈三维网状，具有随机的拓扑性，金属骨架分枝并互相搭接，构成无数相互连通的胞体(cell)，胞体由10～14个面组成，每个面上各有一个孔，孔的形状大致为3～6边形，孔相连接部分则为孔棱，将两层或者多层的泡沫金属层叠在一起进行压缩时，随着压缩的进行泡沫金属内部的孔会变得越来越扁平，如果不断地压缩，各层泡沫金属的孔棱就会进入相邻泡沫金属的内部，将其内部的孔进行二次分割，形成一种新结构的泡沫金属，经过上述工艺的调控，可以根据不同的均热板工况，设计出具有不同毛细吸力、渗透率和厚度的吸液芯，在制作超薄厚度的均热板时，可以提供同时具有较高毛细吸力、渗透率和超薄厚度的吸液芯。

在采用泡沫金属压缩得到多孔介质吸液芯的加工时，在进行压缩前后或者压缩加工当中，可以对泡沫金属进行轴向拉伸，通过拉伸使泡沫金属的孔形状从近似的圆孔变成细长孔，可以增强吸液芯的毛细吸力。

在本实用新型的技术方案中，为了增强均热板的渗透能力，促进工质快速回流，还可以通过电镀、悬砂法复合电镀等方式，在上、下壳板的其中一个表面上沉积一层疏松多孔的毛细层，并且将具有毛细层这一面作为均热板的吸液芯，通过调控电镀参数，或者悬砂法复合电镀中使用的金属颗粒粒径，来调控毛细层的空隙大小，从而增强液体工质回流的能力。

在本实用新型的技术方案中，为了进一步增强吸液芯的毛细性能，也可以选择在所述的吸液芯的表面上制备金属氧化物纳米结构体，包含纳米线、纳米粒子、纳米片的至少一种，使得吸液芯表面具有超亲水性能。超亲水表面具有优异的浸润性能，两相传热装置中常用的工质液体在其表面可以迅速铺展，进入微结构的孔隙之中，这表明超亲水结构对工质液体具有良好的毛细吸力，浸润性越好，毛细吸力越强。在具有多孔结构的吸液芯的壁面上构筑一层超亲水结构，将极大提升吸液芯的毛细压力，从而打破单一吸液芯结构的局限性，显著提升吸液芯结构的毛细性能。

在本实用新型的技术方案中，所述的多孔金属支撑层起到主要起两个作用，一是作为蒸汽通道，利用泡沫金属孔隙率高，对气体阻力低的特点；二是作为均热板壳体的支撑层，防止均热板在抽气工序和工作时结构坍塌。现有技术是使用一个单独的泡沫金属圆柱块或者方块作为支撑柱，支撑柱之间的间隔较大，因此提供的支撑能力有限，为了防止均热板局部坍塌，其上下壳板也需要选用较厚的金属箔来提供一定的耐压强度，因此现有技术制造的均热板厚度做不到1mm以下。而在本实用新型的技术方案中，是使用整张的泡沫金属加工的支撑层，为了使得减少蒸汽流动的阻力，本实用新型的技术方案也提供了一种通过辊压的方式在泡沫金属上加工出各种图案化结构凹槽的方案，凹槽的中心距仅有0.05mm～3mm，因此可以对上下壳板提供更多的支撑，保证均热板结构在任何时候都不会发生坍塌，因此可以使用厚度在0.1mm以下的金属薄片做成均热板的上下壳板，使得均热板的整体厚度大幅减薄，可以制造出整体厚度＜1mm的均热板。并且通过辊压加工形成于凹槽底部的部分泡沫金属经过压缩之后，其毛细力变大，在均热板工作的时候，槽底部的这一部分泡沫金属又可以作为吸液芯，提供液化工质回流的通道，增强均热板的传热性能。

在本实用新型的技术方案中，所述的多孔金属支撑层可以采用在多孔金属表面辊压出凹槽的加工方式，因此可以使用卷对卷工艺连续加工，与现有技术使用独立的块状支撑柱的方案相比，还具有生产效率高、成本较低的特点。考虑到为了提高多孔金属支撑层的支撑能力，需要使用面密度比较高的多孔金属来提高结构强度，但是面密度越高的多孔金属，就越难进行辊压加工。因此在本实用新型的技术方案中，也可以使用较低面密度的多孔金属，先通过辊压的方式加工出凹槽后，可再继续在多孔金属表面上电沉积更厚的金属层，来提高多孔金属支撑层的结构强度，以此来降低加工难度，便于进行大规模生产。

综上所述，在本实用新型的技术方案中，通过使用电镀、泡沫金属压缩、泡沫金属拉伸、制备表面超疏水结构等方式制备出来的吸液芯具有很高的毛细吸力、渗透率，并且还可以具有较小的厚度。采用整张的多孔金属作为支撑层，与使用相互独立分离的支撑柱相比，具有更强的结构支撑能力，保证均热板的结构不坍塌；为了得到使蒸汽阻力更小，还可以使用辊压的工艺在多孔金属上制备出图案化的凹槽，同时在辊压加工之后被压缩在凹槽底部的部分多孔金属，还可以作为吸液芯，以增强均热板的液化工质的回流能力。本实用新型的技术方案中的吸液芯、支撑层都可以使用卷对卷的连续工艺进行加工，生产效率极高，适合于大规模的工业生产。

附图说明

图1为实施例一中的一种超薄均热板的示意图，

图2为实施例二中的一种超薄均热板的示意图，

图3为实施例三、四、五、六中的一种超薄均热板的示意图，

图4为实施例三中的一种超薄均热板中的多孔金属支撑层的示意图，

图5为实施例四中的一种超薄均热板中的多孔金属支撑层的示意图，

图6为实施例五中的一种超薄均热板中的多孔金属支撑层的示意图，

图7为实施例六中的一种超薄均热板中的多孔金属支撑层的示意图，

图8为实施例二中的具有超亲水特性的氧化铜纳米片结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步说明本实用新型所述的一种超薄均热板。

实施例一：

如图1所示的一种超薄均热板，结构为由上壳板(11)、下壳板(12)、吸液芯(13)、多孔金属支撑层(14)以及工作介质组成的超薄密闭腔室。上壳板(11)、下壳板(12)为厚度0.05mm的铜箔，铜箔的外表面沉积有一层氧化铝阻隔膜。吸液芯(13)是通过将平均粒径为0.04mm的铜球烧结在上壳板(11)、下壳板(12)的内表面而得到，其厚度为0.06mm。多孔金属支撑层(14)为单一结构，设在两层吸液芯(13)之间，采用具有开孔的三维立体网状结构的泡沫铜，泡沫铜的厚度为0.4mm，平均孔直径为0.1mm。将上壳板(11)、下壳板(12)、吸液芯(13)、多孔金属支撑层(14)通过焊接的方式连接在一起，形成一个密闭的内腔，并预留充液口，经抽真空后往壳体内部灌充水作为工作介质，充入水的体积为吸液芯空隙的110％，最后经过封口得到一种超薄均热板。

实施例二：

如图2所示的一种超薄均热板，结构为由上壳板(21)、下壳板(22)、吸液芯(23)、多孔金属支撑层(24)以及工作介质组成的超薄密闭腔室。上壳板(21)、下壳板(22)为厚度0.1mm的铜箔，上下壳板的内表面与吸液芯(23)连接。吸液芯(23)是通过将两层叠加的泡沫铜压缩得到的多孔介质，压缩后的泡沫铜孔隙率为70％，厚度为0.2mm，泡沫铜的表面上制备有一层具有超亲水特性的氧化铜纳米片结构，纳米片的结构如图8所示。多孔金属支撑层(24)具有单一结构，设在两层吸液芯(23)之间，是用具有开孔的三维立体网状结构，厚度为0.6mm，平均孔直径为0.08mm的泡沫镍制备而成。将上壳板(21)、下壳板(22)、吸液芯(23)、多孔金属支撑层(24)通过焊接的方式连接在一起，形成一个密闭的内腔，并预留充液口，经抽真空后往壳体内部灌充乙醇作为工作介质，充入乙醇的体积为吸液芯空隙的80％，最后经过封口得到一种超薄均热板。

实施例三：

如图3所示的一种超薄均热板，结构为由上壳板(31)、下壳板(32)、吸液芯(33)、多孔金属支撑层(34)以及工作介质组成的超薄密闭腔室。上壳板(31)、下壳板(32)为厚度0.5mm的铝箔，铝箔的表面覆盖有一层锡薄膜，上下壳板的内表面与吸液芯(33)连接。吸液芯(33)是通过将一层泡沫铜压缩得到的多孔介质，泡沫铜在压缩前经过拉伸，经拉伸后其内部孔径的长径比为3:1，压缩后的泡沫铜孔隙率为50％，厚度为0.5mm。多孔金属支撑层(34)具有图案化结构，设在两层吸液芯(33)之间，是用具有开孔的三维立体网状结构，厚度为2mm，平均孔直径为0.5mm的泡沫铜，通过在泡沫铜上设置平行于长度方向的凹槽制备得到(如图4所示)，其中凹槽深度为0.1mm，槽底宽为0.2mm，槽顶宽为0.3mm。将上壳板(31)、下壳板(32)、吸液芯(33)、多孔金属支撑层(34)通过焊接的方式连接在一起，形成一个密闭的内腔，并预留充液口，经抽真空后往壳体内部灌充乙醇作为工作介质，充入乙醇的体积为吸液芯空隙的100％，最后经过封口得到一种超薄均热板。

实施例四：

如图3所示的一种超薄均热板，结构为由上壳板(31)、下壳板(32)、吸液芯(33)、多孔金属支撑层(34)以及工作介质组成的超薄密闭腔室。上壳板(31)、下壳板(32)为厚度1mm的铜镍合金箔材，上下壳板的内表面与吸液芯(33)连接。吸液芯(33)是通过将平均粒径为0.08mm的铜球填充到一层泡沫铜的内部空隙，再经过压缩、烧结后到的多孔介质，得到的多孔介质孔隙率为30％，厚度为1.5mm。多孔金属支撑层(34)具有图案化结构，设在两层吸液芯(33)之间，是用具有开孔的三维立体网状结构，厚度为5mm，平均孔直径为0.8mm的泡沫铜，通过在泡沫铜上制备分别平行于长度和宽度方向，并交叉排列的凹槽(如图5所示)，其中凹槽深度为4.5mm，槽底宽为9mm，槽顶宽为10mm。将上壳板(31)、下壳板(32)、吸液芯(33)、多孔金属支撑层(34)通过焊接的方式连接在一起，形成一个密闭的内腔，并预留充液口，经抽真空后往壳体内部灌充水作为工作介质，充入水的体积为吸液芯空隙的150％，最后经过封口得到一种超薄均热板。

实施例五：

如图3所示的一种超薄均热板，结构为由上壳板(31)、下壳板(32)、吸液芯(33)、多孔金属支撑层(34)以及工作介质组成的超薄密闭腔室。上壳板(31)、下壳板(32)为厚度0.8mm的铜箔，上下壳板的内表面与吸液芯(33)连接。吸液芯(33)是通过将平均粒径为0.05mm的铜球填充到两层叠加的泡沫铜的内部空隙，再经过压缩、烧结后到的多孔介质，得到的多孔介质孔隙率为60％，其厚度为1.5mm。多孔金属支撑层(34)具有图案化结构，设在两层吸液芯(33)之间，是用具有开孔的三维立体网状结构，厚度为6mm，平均孔直径为1mm的泡沫镍，通过在泡沫镍上制备分别两组交叉排列的凹槽，一组凹槽与长度方向成45°角，另一组凹槽平行于宽度方向(如图6所示)，其中凹槽深度为1mm，槽底宽为2mm，槽顶宽为4mm。将上壳板(31)、下壳板(32)、吸液芯(33)、多孔金属支撑层(34)通过焊接的方式连接在一起，形成一个密闭的内腔，并预留充液口，经抽真空后往壳体内部灌充丙酮作为工作介质，充入丙酮的体积为吸液芯空隙的120％，最后经过封口得到一种超薄均热板。

实施例六：

如图3所示的一种超薄均热板，结构为由上壳板(31)、下壳板(32)、吸液芯(33)、多孔金属支撑层(34)以及工作介质组成的超薄密闭腔室。上壳板(31)、下壳板(32)为厚度1.5mm的铜箔，上下壳板的内表面与吸液芯(33)连接。吸液芯(33)是通过将三层不同规格的泡沫铜叠加压缩得到的多孔介质，压缩后的泡沫铜孔隙率为40％，其厚度为1mm。多孔金属支撑层(34)具有图案化结构，设在两层吸液芯(33)之间，使用具有开孔的三维立体网状结构，厚度为8mm，平均孔直径为2mm的泡沫铜，泡沫铜经过拉伸加工，拉伸后的其内部孔径的长径比为2:1，然后再加工出一种以直径2mm的中心圆向外辐射的凹槽(如图7所示)，其中凹槽深度为2mm，槽底宽为5mm，槽顶宽为6mm。将上壳板(31)、下壳板(32)、吸液芯(33)、多孔金属支撑层(34)通过焊接的方式连接在一起，形成一个密闭的内腔，并预留充液口，经抽真空后往壳体内部灌充甲醇作为工作介质，充入甲醇的体积为吸液芯空隙的130％，最后经过封口得到一种超薄均热板。