CN102778157A - 一种平板均热板及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种平板均热板及其制作方法。该平板均热板包括：封装腔体；位于封装腔体内部的多孔毛细芯和工质；以及一端与封装腔体内部连通，另一端位于封装腔体外部并密封的抽真空及工质灌装接口。其制作方法包括：封装腔体的挤压或铸造成型；多孔毛细芯的烧结或编织成型；将多孔毛细芯插入封装腔体中，并将抽真空及工质灌装接口一端放置在封装腔体内；利用冷压模具挤压封装腔体；移走冷压模具，将封装腔体前后端闭合面处焊接密封；对封装腔体抽真空，并灌装工质；夹断抽真空及工质灌装接口，并焊接密封。本发明可以充分克服现有均热板结构限制、制造成本高、可靠性低、散热能力有限等缺陷。

Description

一种平板均热板及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种散热产品，特别是涉及一种用于通讯设备、光电设备散热的平板均热板及其制作方法。

背景技术

在通讯设备上，一个主机板上有多个热源，并且功率都不低，当然主要是射频功放器件的发热功率较大，关于这些电子器件在电路板上的布置以及和散热器的组合问题，经常困惑电子工程师以及热设计工程师。目前的散热器为铝型材散热器(主要通过铝挤压得到)。由于通讯设备高可靠性的要求，一般通讯设备的散热很少采用利用风扇的强迫对流散热，绝大多数采用空气自然对流冷却，铝型材散热器在自然对流条件下其散热功率有限，并且热阻较大，因此对于高热流密度、大功率电子器件的散热无能为力。目前业界引入热管、均热板等技术到通讯设备散热器设计当中，取得了很好的散热效果。但是由于目前热管以及均热板的结构限制，往往只能把热量从芯片处引导到散热器上相对较冷的地方或者具有部分扩展效果，还没有能够充分利用铝型材散热器其它大面积的散热区域。

另外，在照明领域，用大功率发光二极管(LED)做的灯具比白炽灯、日光灯、节能灯的节能效果及寿命要高的多，因此大功率LED灯具获得了广泛推广。LED灯具是个光电器件，其工作过程中只有15％～25％的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高。在大功率LED中，散热是个大问题。例如，1个10W白光LED若其光电转换效率为20％，则有8W的电能转换成热能，若不加散热措施，则大功率LED的器芯温度会急速上升，当其LED二极管结温T_J上升超过最大允许温度时(一般是150℃)，大功率LED会因过热而损坏。因此在大功率LED灯具设计中，最主要的设计工作就是散热设计。而一款大功率LED灯具模组具有几十颗至上百颗LED光电二极管，其大小为几个平方毫米，目前其单颗功率约为1至2瓦，因此对于单颗LED，其热流密度达到10W/cm²以上，并且整组灯具的发热总功率也比较高，达到100W以上。目前大都也采用铝型材散热器以及空气自然对流换热，由于单颗LED灯珠的功率在上升，LED的温度控制又要求尽可能的低，因此散热问题对于大功率LED灯具是一个棘手的问题。

目前热管也逐渐进入LED灯具散热模组。热管是1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明的一种传热元件，它充分利用了热传导原理与工质的相变热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，开辟了散热行业新天地。热管是一个内壁具有微结构的真空腔体，当热量由热源通过热管中的热量输入段传导至热管的蒸发区时，腔体里面的工质会在低真空度的环境中开始产生液相汽化的现象，气相的工质会很快充满整个腔体，当气相工质接触到一个比较冷的区域时便会产生凝结的现象，借由凝结的现象通过热管中的热量输出段释放出在蒸发时累积的热，凝结后的液相工质会借由热管内毛细微结构产生毛细抽吸力再回到蒸发热源处，此运作在封闭腔体内周而复始进行，这就是热管的运作方式。又由于工质在蒸发时在毛细材料微结构处产生毛细抽吸力，所以热管的运作可不受重力的影响。但是普通热管由于其细长管状结构，很难有效对上百颗LED灯珠进行可靠散热，并且整组散热器也非常昂贵，不利于市场推广。

均热板与热管的原理与理论架构是相同的，但是热传递的方式不尽相同，在普通热管内部，蒸汽的流动方式是近似一维的，因此热管热量传递的方式是线性传递；而在均热板内部，蒸汽的流动方式是近似二维的，因此均热板的加热面的热量传递方式是平面传递方式，比热管更快，更有效率。进一步讲，均热板可以在更大的面积上采用相变传热方式，利用相变的传热可以解决传统热管的种种限制。

而现有均热板主要有以下几方面的问题：

1、结构限制以及高制造成本，请参阅图1所示，目前已有的均热板结构内部比较简单，主要由下底板10、烧结毛细芯40、加强芯20和上盖板30依次叠加组成，目前业界该型均热板绝大部分由铜材料及铜烧结粉末做成，外形结构一般不超过10cm×10cm，如果再增大尺寸，制造成本将会成倍增加；

2、可靠性问题，目前商用的均热板如果任意增大结构尺寸，会由于内部高真空度以及铜材在烧结以后硬度减低等因素，可靠性大大降低，容易变形，造成安装以及使用的困难；

3、散热能力有限，目前商用均热板受材料、重量、制作成本的限制，无法根据实际器件尺寸随意更改均热板大小，导致目前均热板的散热能力无法得到进一步提高。

由此可见，上述现有的均热板显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种可以充分克服现有均热板结构限制、制造成本高、可靠性低、散热能力有限等缺陷的新的平板均热板及其制作方法，实属当前本领域的重要研发课题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种平板均热板，使其能够把多点热源的热量均匀扩散到整个金属散热器底板上，能够让金属散热器的散热性能发挥到最大，并且能够很好的把局部热源的高热流密度充分扩散到均热板的整张表面上，使得热源(即各种电子芯片)的温度得到进一步降低，提高设备使用寿命、增强设备的使用效率，进一步提高均热板的可靠性，从而克服现有均热板尺寸有限、可靠性低、散热能力有限等不足。

为解决上述技术问题，本发明一种平板均热板，包括：封装腔体；位于封装腔体内部的多孔毛细芯和工质；以及一端与封装腔体内部连通，另一端位于封装腔体外部并密封的抽真空及工质灌装接口。

作为本发明的一种改进，所述的多孔毛细芯上设有盲孔。

所述的封装腔体的内部上表面设有加强筋。

所述的封装腔体的内部上表面设有强化冷凝换热肋。

所述的封装腔体内部下表面设有沟槽。

所述的封装腔体为铜质或铝质。

所述的封装腔体外部还设有散热翅片。

本发明还提供一种平板均热板的制作方法，使其可进一步降低制造、加工成本。

为解决上述技术问题，本发明一种上述平板均热板的制作方法，包括以下步骤：封装腔体的挤压或铸造成型；多孔毛细芯的烧结或编织成型；将多孔毛细芯插入封装腔体中，并将抽真空及工质灌装接口一端放置在封装腔体内；利用冷压模具挤压封装腔体；移走冷压模具，将封装腔体前后端闭合面处焊接密封；对封装腔体抽真空，并灌装工质；夹断抽真空及工质灌装接口，并焊接密封。

作为上述的一种改进，所述的多孔毛细芯为金属丝网、非金属丝网、金属粉末或非金属粉末烧结成型，或者为金属丝线、非金属丝线编织成型。

所述的多孔毛细芯上设有盲孔，该盲孔是利用模具与多孔毛细芯一次烧结成型，或者是在多孔毛细芯烧结成型后，通过机加工形成。

采用这样的设计后，使本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、没有结构尺寸限制，理论上本发明提出的均热板的结构可以设计为任意大小，并具有非常低的制造成本，不同于现有的均热板，本发明提出的均热板中的上盖板和下底板是一体加工、一次成型，制作成本尽可能降到最低。另外，在有上盖板和下底板形成的均热板腔体中，设有多条结构加强筋，该加强筋可以非常方便、自由地根据需求设置，包括加强筋的条数、以及厚度等等，并且这些加强筋是与腔体同时一体完成加工，结构强度得到最大化保证，满足任意增大均热板尺寸的需求；

2、均热板散热能力的提高，本发明提出的均热板结构，其毛细芯结构是特殊设计的，首先毛细芯的厚度以及毛细芯的孔隙率、孔径等根据实际散热需求可以选择最优化的尺寸，常规均热板由于其结构限制，很难随意增大烧结粉末的厚度以及随意调节内部几何结构，本发明提出的毛细芯可以是金属丝线烧结、金属丝线编织、非金属丝线编织、金属粉末烧结或者非金属粉末烧结等各种形式，另外在毛细芯制备好以后，还需要在其中通过机加工的方法形成内部不连通的空腔，该空腔的目的是能够让液体蒸发后产生的蒸汽通过腔体结构以及毛细芯内部的空腔结构均布到均热板的内部所有空间，从而达到散热最大化的目的，最后，不同于常规均热板，本发明提出的均热板腔体内部上表面，设有强化冷凝换热结构，该强化冷凝换热结构是和腔体同时一体制备完成，这样，在均热板腔体内部，无论是从蒸发传热的角度，还是从冷凝传热得角度，都可以得到优化以及强化；

3、可靠性的提高，不同于常规均热板的制作方式，本发明提出的均热板结构，其多孔毛细芯是通过冷压的方式强行挤压在均热板腔体内部下表面上，从而避免了传统均热板毛细芯是通过金属粉末烧结在均热板底板上的制作方式，传统均热板制作方式会造成金属软化，尤其是均热板尺寸增大以后，结构容易变形。而本发明提出的均热板制备方法，金属强度以及硬度没有发生变化，可以满足任意大小尺寸的设计以及满足可靠安装以及使用的要求。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是传统均热板的结构示意图。

图2是本发明一种平板均热板的结构示意图。

图3是本发明一种平板均热板的局部剖开结构示意图。

图4a、4b是本发明一种平板均热板的封装腔体断截面结构示意图。

图5a、5b是本发明一种平板均热板的多孔毛细芯结构示意图。

图6是本发明一种平板均热板带有散热翅片的结构示意图。

图7是本发明一种平板均热板的封装腔体挤压成型示意图。

图8a是本发明一种平板均热板的制作方法的步骤三示意图。

图8b是本发明一种平板均热板的制作方法的步骤三完成后的封装腔体断面示意图。

图9a-9c是本发明一种平板均热板的制作方法的步骤四示意图。

图10是本发明一种平板均热板的制作方法完成后的产品断面示意图。

图11是利用本发明一种平板均热板的散热器结构示意图。

图12是本发明一种平板均热板与散热器的组装示意图。

具体实施方式

请参阅图2、图3所示，本发明平板均热板包括：封装腔体1，位于封装腔体内部的多孔毛细芯2和工质，以及一端与封装腔体1内部连通、另一端位于封装腔体1外部并密封的抽真空及工质灌装接口3。

其中，封装腔体1优选为铜质或铝质，由于铜、铝金属材料的导热性好，且铜、铝金属材质利于机械加工，可以通过冷挤压或者热挤压的方式制作封装腔体1，强度能满足要求。

请配合参阅图4a、图4b所示，封装腔体1的内部上表面可设有结构加强筋11和强化冷凝换热肋12，并在封装腔体1的内部下表面上设有沟槽13。加强筋11的断截面形状可以是多样化的，例如图4a中所示的倒T字型，或如图4b中所示的S型，可起到均热板在真空条件下的支撑作用，提高均热板的结构强度，另外该加强筋11还可参与提供液体回流通路。强化冷凝换热肋12的作用是提高工质在封装腔体1内部上表面冷凝换热的强度，其断截面也可以是多样化的。沟槽13的作用是通过和多孔毛细芯2以及腔体结构加强筋11共同作用，提供汽相工质更多的流道，以进一步提高均热板的性能。此外，封装腔体的侧壁14的作用是便于封装腔体1在后续冷压变形时所需要的弯折度以及形状控制，其断截面形状可根据需要加工成外凸型或者内凹型。

请参阅图5a、5b所示，多孔毛细芯2上可设有多个内部不连通的盲孔21，在充有工质的条件下，液体蒸发后产生的蒸汽通过这些盲孔21穿过腔体加强筋11，使得蒸汽均布到封装腔体1的内部所有空间，从而达到散热最大化的目的。盲孔21的形状可以是如图所示的圆形、长形或者其它形状。

抽真空及工质灌装接口3的材料优选为铝管或者铜管，作用主要是对均热板进行真空抽气和往封装腔体1内注入工作介质。

较佳的，请配合参阅图6所示，还可在上述平板均热板的基础上，在封装腔体1外部设置散热翅片4，可以将散热翅片4与封装腔体1一体加工，减少散热器的加工工序，进一步降低成本，并且可以使得散热器的整体性能得到进一步提高。

上述平板均热板的制作方法，主要包括以下步骤。

步骤一，封装腔体1的成型。封装腔体1可以通过金属挤压、铸造等方式一次成型。请配合参阅图7所示，封装腔体1通过挤压成型后，在两端分别通过机加工的方式去掉一段加强筋11和强化冷凝换热肋12，加工方式包括但不限于切削、铣等方式。

步骤二，多孔毛细芯2的成型。多孔毛细芯2可以金属或者非金属材料制成，包括但不限于金属丝网烧结、金属丝线编织、非金属丝网编织(各种纤维)、金属粉末烧结或者非金属粉末(例如各种陶瓷粉末等)烧结等各种形式。此外，还可在多孔毛细芯2上设置内部间断空腔(或称为盲孔21)，该盲孔是利用模具与多孔毛细芯一次烧结成型，或者是在多孔毛细芯烧结成型后，通过冲压、钻、切割等方式机加工形成。

将以上均热板零部件加工完毕后，先对各零部件进行表面清洗，使表面光洁平整、干净无沾污，之后进行均热板的装配加工如下。

步骤三，请参阅图8a、8b所示，将多孔毛细芯2插入到封装腔体1中，并将抽真空及工质灌装接口3的一端放置在封装腔体1内。

步骤四，请参阅图9a-9c所示，利用冷压模具5挤压封装腔体1，将封装腔体1的上壁向下挤压，至上下壁紧密贴合，并且把抽真空及工质灌装接口3牢固的挤压在一起。

步骤五，移走冷压模具5，将封装腔体1的前后端闭合面处焊接密封，焊接包括分子扩散焊、氩弧焊、钎焊、锡焊或者胶粘等方法，将封装腔体1以及抽真空及工质灌装接口3完全牢固结合，除抽真空及工质灌装接口3的出口外，其它位置均处于密闭没有缝隙且与外界不连通的状态。

步骤六，焊接完成后利用真空设备对均热板进行抽真空，抽真空过程应当保证环境洁净无尘。抽真空过程完成后，将工质(例如蒸馏水)进行除气，然后对均热板进行灌装充液。

步骤七，充液完成后，将抽真空及工质灌装接口3夹断，并对断口进行焊接。保证均热板内部腔体与外界空气隔断，并在以后使用过程当中腔体内高温高压蒸汽不得发生泄漏。

请参阅图10所示，均热板制备完成后，冷凝部分及强化冷凝换热肋12位于上面，蒸发部分(即多孔毛细芯2)位于下面，当均热板底板接受热源(例如各种电子芯片)的热量，通过封装腔体1导向多孔毛细芯2，工质在多孔毛细芯2外表面蒸发，上升到封装腔体1内部上表面，工质冷凝后，通过重力作用或者加强筋11流回到多孔毛细芯2，循环往复，连续不断地把热量从均热板下表面导向上表面，从而实现热量传递以及扩散的目的。

请配合参阅图11、12所示，以下进一步说明本发明的使用方法。就一款通讯设备散热器6而言，可以将目前的散热器，例如铝挤压成型的散热器，在散热器基板上通过铣或者精密车削的方式加工出一凹槽61，用于放置本发明提出的平板均热板。具体使用及安装方式为，先将均热板通过螺钉7固定在已经加工出凹槽61的散热器6上，均热板和散热器之间可以通过锡焊等方式进一步牢固结合并降低传热热阻，然后将带有均热板的散热器同带有高功率芯片81的电子线路板8进行组合，这样芯片81的热量先经过均热板1的底面扩展到整个散热器的底面上，然后热量再通过散热器翅片散发到外部环境中。

本发明适用于通讯设备的散热，同时也可以适用于发光二极管照明设备(LED)等光电芯片或者射频芯片的冷却，还可以适用到军用雷达、激光设备、医疗器械或者航空航天设备内部高能发热部件的冷却。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种平板均热板，其特征在于包括：

封装腔体；

位于封装腔体内部的多孔毛细芯和工质；以及

一端与封装腔体内部连通，另一端位于封装腔体外部并密封的抽真空及工质灌装接口。

2.根据权利要求1所述的一种平板均热板，其特征在于所述的多孔毛细芯上设有盲孔。

3.根据权利要求1所述的一种平板均热板，其特征在于所述的封装腔体的内部上表面设有加强筋。

4.根据权利要求1所述的一种平板均热板，其特征在于所述的封装腔体的内部上表面设有强化冷凝换热肋。

5.根据权利要求1所述的一种平板均热板及其制作方法，其特征在于所述的封装腔体内部下表面设有沟槽。

6.根据权利要求1所述的一种平板均热板，其特征在于所述的封装腔体为铜质或铝质。

7.根据权利要求1所述的一种平板均热板，其特征在于所述的封装腔体外部还设有散热翅片。

8.一种权利要求1-7中任一项所述平板均热板的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

封装腔体的挤压或铸造成型；

多孔毛细芯的烧结或编织成型；

将多孔毛细芯插入封装腔体中，并将抽真空及工质灌装接口一端放置在封装腔体内；

利用冷压模具挤压封装腔体；

移走冷压模具，将封装腔体前后端闭合面处焊接密封；

对封装腔体抽真空，并灌装工质；

夹断抽真空及工质灌装接口，并焊接密封。

9.根据权利要求8所述的一种平板均热板的制作方法，其特征在于所述的多孔毛细芯为金属丝网、非金属丝网、金属粉末或非金属粉末烧结成型，或者为金属丝线、非金属丝线编织成型。

10.根据权利要求8所述的一种平板均热板的制作方法，其特征在于所述的多孔毛细芯上设有盲孔，该盲孔是利用模具与多孔毛细芯一次烧结成型，或者是在多孔毛细芯烧结成型后，通过机加工形成。

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