CN104896983A - 一种超薄泡沫银为吸液芯的均热板制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超薄泡沫银为吸液芯的均热板制造方法。采用分级构造不同厚度和孔隙率的泡沫银烧结在由相应的不同厚度纯铜板（铜箔）制成的上盖板与下底板上，经焊接、抽真空、注液、封装等工艺制成均热板。其中中间蒸汽腔采用厚度≥0.8毫米的圆柱或块状分级构造泡沫银或铜为支撑柱，保证介质（工质）气化后快速流动和促进气转液相的相变后快速回流，加速工质相变循环。本发明所采用的超薄泡沫银具有良好的毛细吸力、孔结构分布均匀、孔隙率高，很高的热导率。其作为吸液芯的均热板特点是：散热效率高、重量轻、可靠性好，适合制造超薄结构，能够满足高热流密度的电子装备所需高导热效率和小型化的要求，因价格原因适合高端装备热管理应用。

Description

一种超薄泡沫银为吸液芯的均热板制造方法

技术领域

本发明涉及到一种电子热管理装备中二维（平面）结构快速散热的器件，即均热板及其制法，特别是一种采用超薄泡沫银为吸液芯的均热板的制造方法。

背景技术

随着信息技术的快速发展，电子器件散热要求不断提高，推动电子热管理器件的研究和发展。尤其在国防和航空航天重大装备应用上如雷达、激光、卫星、载人航天器等高科技装备上对散热提出了更高的要求，传统的散热方式是利用风扇强制对流对金属散热器进行冷却，这种方式远远不能满足目前控制系统如芯片的高热流密度和电子设备微小型化的要求。热管技术的应用解决了利用一维结构特征将高热流密度快速导出并散热的难题。而均热板（vapor chamber）的工作原理与热管相似，区别在于热管传热是一维，均热板传热是二维，相对于热管而言，均热板可以将集中的热源热量传递到更大的面积，因此均热板的传热特性更好。均热板作为二维平面结构的热管（所以也称平面热管），内部处于真空状态并注入一定量的液态工作介质。内壁具有毛细芯结构，当均热板受热时，其蒸发面的工作介质快速蒸发变成蒸汽，蒸汽通过蒸汽腔快速传到冷凝面放热并由气态凝结成液体，液体在毛细作用下通过毛细芯结构又快速回流到受热的蒸发面，形成汽液相快速流动和相变的循环，实现将热量从受热面快速传出并散热的效果。

其制备过程与热管也基本相似，仅仅的差异即为均热板产品制作上通常是先抽真空再注入液相介质，以便使得液相介质能填满吸液芯的所有微结构。充填的工质除了甲醇、酒精、丙酮等外，正常使用温度下用的最多的是利用去离子水，因为水的比热容大，且环保，并可进一步提升均热板的效能及使用寿命。目前均热板内常用的吸液芯的微结构主要有两种型态：铜粉烧结结构和编织铜网结构。

均热板的发展趋势是需要散热功率更高，尺寸更薄，目前无论是铜粉烧结还是编织铜网烧结结构，在产品质量稳定性和散热功率两方面仍需不断提高。希望得到更高的散热功率Qmax和进一步降低热阻，这就需要寻找一种更适合的材料来满足产品应用和市场要求。江苏格业新材料科技有限公司开发的超薄泡沫银材料由于银是热导率最高的金属，通过制备成超薄泡沫银，是一种性能出众的吸液芯材料，可以满足上述性能和制备的要求。

发明内容

根据目前铜制吸液芯材料的均热板结构特点，采用泡沫银将可拓展均热板吸液芯材料和品种，并进一步提高均热板导热效率和性能。本发明提出了一种利用超薄泡沫银为吸液芯的均热板的制作方法，该超薄泡沫银本身具有优异的导热性能，其作为吸液芯具有优异的毛细现象和结构，能够实现液态介质快速相变和循环，且散热功率高和产品制备温度相对低且性能一致性好。本发明提出的超薄泡沫银为吸液芯均热板的制造，该超薄泡沫银为江苏格业新材料科技有限公司生产的分级构造泡沫银，孔径大小范围在300纳米到1毫米之间，孔隙率可根据设计要求在40%-95%范围内选择，材料厚度根据均热板设计要求可在0.1-2毫米之间选取。

本发明的一种超薄泡沫银为吸液芯均热板的制造，其超薄泡沫银的微结构如图1所示，其孔径是分级构造，孔径有大有小，从300多纳米到数百微米甚至1毫米之间；超薄泡沫银为吸液芯的均热板的结构示意图如图2所示，其蒸汽腔的中间支撑柱模板结构如图3所示，支撑柱可以采用所需厚度的泡沫银或泡沫铜，具体超薄泡沫银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）所需厚度的铜板或铜箔，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）超薄泡沫银和泡沫银或铜支撑柱的加工：将超薄泡沫银根据上盖板和下底板内腔结构冲切加工，并冲切加工所需厚度的泡沫银或泡沫铜圆柱或块状结构作为中间支撑柱（厚度根据通常蒸汽腔要求至少大于或等于0.8毫米），该泡沫银或泡沫铜支撑柱的数量根据均热板内腔结构布局，支撑柱的直径可选择为2-8毫米或块状结构长宽为2-8毫米的泡沫银或铜；

（3）超薄泡沫银与模板间的组装：将超薄泡沫银置入相应的上盖板和下底板内；将支撑柱按照位置布局的不锈钢模板置于底板和超薄泡沫银的上面，将泡沫银或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超薄泡沫银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：高温还原设置的最高温度在700 ℃-900 ℃之间选取，烧结保温时间在30分钟至2小时内选取，目的是实现超薄泡沫银与上盖板和下底板之间以及超薄泡沫银及泡沫银或铜支撑柱之间的烧结扩散结合。具体温度和时间的选择原则可以根据超薄泡沫银与盖板和底板之间所需的结合强度来确定，若需结合强度大，则选择温度相对高和保温时间相对长；

（5）焊接组装：上盖板和下底板根据设计要求，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钎料的焊接；

（6）封装：根据真空度要求，进行抽真空、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，确保均热板的性能和质量满足要求；

本发明的均热板主要结构组成包括三部分，如图2所示：

1.中空外壳：其包含材质为紫（纯）铜的铜板或铜箔加工成的上盖板及下底板，通过铜银钎焊焊接结合所形成的一个密封腔室；

2.吸液芯部分：由上下层超薄泡沫银和支撑柱泡沫银或铜组成的具有良好毛细特性的结构，其超薄泡沫银及支柱用泡沫银和铜均为分级构造，通过高温还原气氛下烧结扩散结合在一起，其中超薄泡沫银吸液芯与上盖板和下底板之间结合良好；

3.液态介质：通常采用去离子水、乙醚、乙醇（酒精）和氨水等，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。

因此本发明的均热板内部是由三层分级构造的泡沫银或铜之间的组合，上盖板和下底板内表面与泡沫银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银或铜，介质汽液转换后液相的回流效果明显，提高了散热效果。

支撑柱采用直径为2-8毫米的圆柱，也可采用尺寸为2-8毫米块状结构，按照适当的间隔8-15毫米，目的是起到支撑和回流的综合效果。

附图说明

图1分级构造超薄泡沫银的微结构扫描电镜照片

图2超薄泡沫银为吸液芯的均热板内部结构示意图

图3均热板的中间支撑柱的模板结构示意图

图4柱状泡沫银支撑柱，支撑柱厚度0.8毫米，均热板厚度为2.4mm的结构示意图

图5块状结构泡沫银为支撑柱，均热板厚度为3.6 mm的结构示意图

图6 实例2的泡沫银中间支撑柱模板结构示意图

具体实施方式：

实例1，厚度为2.4mm的均热板的制造：上盖板和下底板均采用厚度为0.6mm的紫铜板，经模压成型为如图4所示，形成的腔室高度为1.2mm，并焊接上紫铜注液毛细管，选用江苏格业新材料科技有限公司生产的厚度为0.2mm的超薄泡沫银经冲切加工后，分别于上盖板和下底板的表面通过扩散方式烧结结合，再选用江苏格业新材料科技有限公司生产的厚度为0.8mm的分级构造多孔银通过冲压制成Φ4mm的圆柱（如图4所示），按如图4所示的方式置于上盖板和下底板之间，以真空铜银钎焊的方式，采用耐热钢模具压紧上盖板和下底板，使得边缘结合部分良好的面接触，在真空钎焊炉中将上盖板和下底板结合在一起，并形成一个高度为0.8mm的蒸汽内腔。钎焊结合的温度选择为750℃，压力为5MPa，并保持该温度和压力下1.5小时。

实例2，厚度为3.6 mm的均热板的制造：采用下底板厚度为1 mm的紫铜板，上盖板厚度为0.6mm的紫铜板经模压成型为如图5所示，形成的蒸汽腔室高度为2.0 mm，并焊接上紫铜注液管，选用江苏格业新材料科技有限公司生产的厚度为0.4 mm的泡沫银分别于上、下盖板内表面通过扩散方式烧结，再选用江苏格业新材料科技有限公司生产的厚度为1.2 mm的多孔银通过剪切制成3x8mm的3 x 5个长条，如图6所示，按如图6所示的方式置于上、下盖板之间，以真空铜银钎焊的方式，采用石墨做模具压紧上下盖板，在真空钎焊炉中将该上、下盖结合在一起，并形成一个高度为1.2 mm腔室。钎焊结合的温度选择为800℃，压力为5MPa，并保持该温度和压力下1小时。

上述两个实例完成后，均通过注液管进行耐压性和气密性测试，均达到完全焊接密封的合格要求，然后进行下一步抽真空、注液封装，均热板内部抽成真空的真空度（10^-4至10^-5torr）。根据计算并通过称量由注液管充填适量的去离子水于均热板内腔，然后封合，完成整个封装制备过程，并进行相应的均热板热性能质量检测。

Claims (5)

1.一种超薄泡沫银作为吸液芯的均热板制造方法，采用分级构造不同厚度和孔隙率的超薄泡沫银及泡沫银或泡沫铜的支撑柱烧结在经设计加工的不同厚度的紫（纯）铜铜板或铜箔制成的上盖板和下底板上，然后组装焊接，经抽真空、注液、封装后制成均热板。

2.如权利要求1所述的一种超薄泡沫银为吸液芯的均热板制造方法，其制备过程包括：

（1）模板加工与清洗：根据设计要求，纯铜的上盖板和下底板加工后需经清洗和干燥处理；

（2）超薄泡沫银和泡沫银或铜的支撑柱加工：将分级构造泡沫银根据上盖板和下底板内腔结构冲切加工，并冲切加工所需厚度的分级构造泡沫银或泡沫铜圆柱或块状结构作为中间支撑柱（厚度根据通常蒸汽腔要求至少大于或等于0.8毫米），该泡沫银或铜支撑柱的数量根据均热板内腔结构布局，支撑柱的直径可选择为2-8毫米的泡沫银或铜，也可以选择尺寸为2-8毫米的块状结构作为中间支撑柱；

（3）超薄泡沫银与模板间的组装：将超薄泡沫银置于相应的上盖板和下底板内；并同时将支撑柱按照其结构布局的不锈钢模板置于底板和泡沫银的上面，将泡沫银或铜的支撑柱置入模板相应的位置，其中不锈钢模板对下底板的超薄泡沫银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：高温还原设置的最高温度在700 ℃-900℃之间选取，烧结保温时间在30分钟至2小时内选取，目的是实现超薄泡沫银与上盖板和下底板之间以及超薄泡沫银及泡沫银或铜支撑柱之间的结合，具体温度和时间的选择原则可以根据所需结合强度来确定，所需结合强度大，则可选择温度高和时间相对长；

（5）焊接组装：上盖板和下底板根据设计要求，将四周结合部分除抽真空注液口外进行真空或保护气氛下的铜银钎料的焊接；

（6）封装：根据真空度要求，进行抽真空、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，确保均热板制备的可靠性和质量要求。

3.如权利要求1所述的一种超薄泡沫银的作为吸液芯的均热板的制造方法，该吸液芯所用的超薄泡沫银为分级构造超薄泡沫银，其支撑柱采用泡沫银或铜，孔径大小范围从300纳米到1000微米（即1毫米）；孔隙率根据均热板的设计要求在40-95%之间可选择；泡沫银吸液芯材料厚度可根据均热板设计需要在0.1毫米至2毫米之间选择。

4.如权利要求1所述的一种超薄泡沫银作为吸液芯的均热板的制造方法，其特征在于超薄泡沫银烧结后的上盖板和下底板之间的蒸汽腔一般采用厚度≥0.8毫米的圆柱状的或方块状分级构造泡沫银或铜作为支撑柱，支撑柱的数量和大小尺寸取决于面积大小，通常支撑柱之间的间隔大致为：8-15 mm。

5.如权利要求2中（4）所述的高温还原烧结处理，其还原采用氢氮混合气体，氢：氮比例为(75%-10%)：（25%-90%）（氢：氮比为75%：25%时是液氨分解的比例），氢的比例降低是利用氮气来调整，在上述氢氮混合气体范围内均满足还原烧结的质量要求。