CN103398613B - 均热板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构简单、制造简便、成本较低和导热效果好的均热板及其制造方法。所述均热板包括内面设有凹槽的受热板和与受热板焊接在一起的平板状散热板，散热板与凹槽之间形成注有工作介质的真空内腔，真空内腔中的受热板部分设有由单质金属粉末烧结而成的毛细结构层。本发明制作简单而且使蒸发冷凝区上的工作介质能够快速被毛细结构层吸附，从而达到高速循环快速导热的作用。本发明进一步在真空内腔中设置毛细结构的支撑柱，不仅使蒸汽冷凝后的回流效果更加显著，而且还使得其不会因温度过高或外施压力而产生内陷或裂缝变形现象。本发明均热板散热均匀、热阻降低，其制造方法简单、流程少、易操作、成本低，适于自动、集约和规模化生产。

Description

均热板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于驱散电子元器件工作热量的散热器及其制造方法，特别涉及一种用于将IC芯片工作热量导走的均热板及其制造方法。

背景技术

随着科技的进步，现今电子设备朝向多功能，高速率，小尺寸的方向发展，IC芯片在单位面积上产生的工作热量大幅增加，如何改善散热方法，一直是业界面临的一大挑战。以计算机服务器的CPU为例，其发热量已超过100W/cm²，如何将小面积CPU上产生的工作热量有效散发至环境中，冷却技术则必须不断进步，提高散热效能。

现有技术中，主流散热方式主要是风扇、鳍片、热管相结合之鳍片，诸如铝挤型散热片、铝冲压散热片、铝或铜切削散热片及铜铝与热管嵌合散热片等。最典型的散热器与散热装置是一种拥有风扇的鳍片式热管散热器，通过散热器与发热源91接触达到散热的目的。

随着芯片集成度的不断提高，电子组件9发热源91的热量不断增大，上述散热器已远远不能满足散热要求。因此必须在电子组件9发热源91与上述散热片之间加装一种具有良好热传导性的均热板1。其作用是将电子组件9发热源91产生的热量均匀分布并快速传至鳍片上，其工作原理如图1所示，均热板1为具有真空内腔11的充有受热蒸发工作介质7的一面(简称受热板2)与电子组件9发热源91表面相接，另一面(简称散热板3)与外接的所述鳍片相接的过渡导热构件，均热板1上的受热板2吸收电子组件9发热源91的热量，使真空内腔11中蒸发区21内的液体工作介质7气化、蒸发为蒸汽71，散发至散热板3上的冷凝区31并将热能快速传给与所述鳍片相接的散热板3，经热交换，热能传给鳍片散发于环境中，而真空内腔11中蒸发至散热板3冷凝区31上的蒸汽71交出热能后冷凝再回流至受热板2处的蒸发区21，如此高速循环，就将所述发热源91上的热量快速导出。

现有技术中的均热板1，技术探索仍然不够成熟，理论原理虽然简单，但内部结构设计方式五花八门，过于复杂，特别是在制造环节，难度大、成本高，(参见图5所示)，现有技术中的均热板1大致可归纳成以下两种大类别：

1)在均热板1的受热板2与散热板3的内面刻蚀若干条横竖交错的微细槽，并在真空内腔11中放置网格及导流支架8以使冷凝后的工作介质7沿导流支架8流至受热板2处的蒸发区21。该结构制造工艺复杂、成本极高，而且，其导热效果会因均热板1摆放位置不同受到较大影响。

2)在均热板1的受热板2上的蒸发区21与散热板3上的冷凝区31内均烧结有毛细结构层22，并在受热板2与散热板3间放置独立结构的导流支架8，以使冷凝后的工作介质7由该导流支架8流至受热板2处的蒸发区21。该结构需在受热板2与散热板3的两面上烧结毛细结构层22，增加制作成本、又浪费材料，由于散热板3上冷凝区31内的毛细结构层22会存储大量的冷凝后的工作介质7，若其不能及时导走流入受热板2处的蒸发区21，将会大大影响气化后的工作介质7在散热板3上的散热传导效率。

上述两种结构均存在制造复杂、成本高等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、制造简便、成本较低和导热效果好的均热板及其制造方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明的均热板，包括吸热和散热部分，所述吸热部分为内面设有凹槽的受热板，所述散热部分为与所述受热板内面焊接在一起的平板散热板，散热板的内面为光滑平板，该散热板与所述凹槽之间形成注有工作介质的真空内腔，在所述真空内腔中的受热板部分设有由单质金属粉末烧结而成的毛细结构层；

在所述凹槽底面均匀设有至少二个垂直于凹槽底面并与所述毛细结构层连为一体的毛细结构的支撑柱，所述支撑柱的形状为顶小底大的圆台形，所述支撑柱向所述散热板延伸，其圆台顶端与散热板的内面相接并与散热板的内面焊接固定连接。

所述金属粉末是目数为50－150的铜粉末。

所述受热板和散热板均为无氧铜材料所制。

所述工作介质为纯水、丙酮或甲醇，注入量为所述内腔容积的10％—40％。

所述真空内腔中的真空度在10^－2帕斯卡—10^－5帕斯卡。

所述毛细结构层的厚度在0.3mm—0.8mm。

制造本发明均热板的方法，将由导热良好的金属材料制作的带有毛细结构层的受热板与散热板焊接在一起制成具有真空内腔的均热板，其步骤如下：

1)选取两块厚度为0.2mm—1.6mm的金属薄板，其中，一块经冲压制成内面具有凹槽且预留抽气管位的受热板，另一块为平板状的散热板；

2)对受热板和散热板清洗除污、烘干；

3)将预先设计的由石墨材料制作的模具放入受热板的凹槽中，在模具与凹槽底面、侧壁之间填充单质金属粉末；或者将预先设计的由石墨材料制作的模具放入受热板的凹槽中，在该模具中设有至少二个垂直于凹槽底面的中空立柱筒，在模具与凹槽底面、侧壁之间及立柱筒中填充金属粉末；

4)将填充有金属粉末的受热板置于振动器中振动，使所述金属粉末的填充密度值达到2－5克/cm³；

5)将受热板放入充有保护气体并具有与该受热板金属相适应的升温、保温和降温段的热炉中进行烧结；

6)将在凹槽内烧结有毛细结构层的受热板，或者将在凹槽内烧结有毛细结构层和毛细结构支撑柱的受热板取出，摘除所述的模具；

7)将内面为光滑平板的散热板以封盖在所述凹槽上的方式与受热板结合在一起，放入充有保护气体并具有与该散热板和受热板焊接相适应的升温、保温和降温段的热炉中进行高温封接，所述支撑柱与散热板的内面焊接固定连接；

8)将封接好的散热板和受热板取出，抽出其内腔中的空气至真空度为10^－2帕斯卡—10^－5帕斯卡；

9)注入工作介质，封焊抽气管即可。

所述受热板与散热板均为无氧铜材料所制。

烧结时，升温段速度为6℃/min至900℃，保温段于900℃情况下维持50min，降温段以2℃/min的速度降至室温。

与现有技术相比，本发明的均热板采用在受热板内面部分设置由单质金属粉末烧结而成的毛细结构层和平板散热板的结构，使得本发明制作简单而且使蒸发至散热板内面上的工作介质的蒸汽冷凝后能够快速被所述毛细结构层吸附，从而达到高速循环快速导热的作用。本发明进一步的当在真空内腔中设置与所述毛细结构层连为一体并与散热板相接的也为毛细结构的支撑柱时，所述蒸汽冷凝后的回流效果更加显著，而且，在存储于受热板毛细结构层中的工作介质蒸发后，该支撑柱中储备的液体工作介质能够及时补充到受热板毛细结构层中；另外，由于支撑柱的作用，也使得本发明的均热板不会因为其温度高低或外施压力而产生内陷或裂缝变形现象。本发明由于仅在受热板内面设置毛细结构层，不仅简化了均热板的制作，降低了制造成本，而且，不论将本发明的均热板以倾斜设置、水平倒置、水平正置或垂直设置，均对工作介质冷凝后的回流方向和速度影响不大，从而可有效提高其工作稳定性和可靠性。

本发明的均热板的制造方法，工艺简单、流程少、易操作，适于自动化、集约化和规模化生产。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为均热板工作原理示意图。

图2为本发明的均热板立体示意图。

图3为图2中A-A剖视图。

图4为本发明均热板结构爆炸示意图。

图5为现有技术均热板的散热板的温度分布图。

图6为本发明均热板的散热板的温度分布图。

图7为本发明均热板采用不同方向设置时总热阻变化图。

图8为本发明的均热板的耐压变形曲线图。

附图标记如下：

均热板1、真空内腔11、受热板2、蒸发区21、毛细结构层22、支撑柱23、散热板3、冷凝区31、凹槽4、抽气管5、安装孔6、工作介质7、蒸汽71、液滴72、导流支架8、电子组件9、发热源91。

具体实施方式

如图2、3、4所示，本发明的均热板1，是由吸热的受热板2和与受热板2焊接在一块起散热作用的散热板3构成，受热板2的外表面与电子组件9发热源91相接，散热板3的外表面与外设的鳍片相接，在该均热板1的周边还设有安装孔6。所述受热板2和散热板3由导热良好的金属材料所制，可为铜或铝，受热板2和散热板3可为同种金属，也可为不同金属组合使用。本发明优选无氧铜所制的薄板制作受热板2和散热板3，薄板厚度在0.2mm—1.6mm范围，优选为0.5mm、0.8mm、1.0mm或1.2mm。

所述受热板2的内面设有凹槽4，凹槽4的形状根据电子组件9发热源91部分的形状而定，可以为圆形、椭圆形、三边形、四边形、五边形或六边形，在凹槽4的底面(即蒸发区21)和侧面设有厚度在0.3mm—0.8mm的毛细结构层22，优选厚度为0.5mm，该毛细结构层22由单质金属粉末烧结而成，金属粉末d₅₀的目数为50—150mesh，本发明优选为铜粉末，其d₅₀的目数为80mesh。

本发明进一步的改进，还可以在凹槽4底面均匀设置若干个垂直于凹槽4底面并与所述毛细结构层22连为一体且为相同毛细结构的支撑柱23，支撑柱23的形状为圆台形，其底端直径在2mm—8mm，优选5mm，所述支撑柱23向凹槽4敞口方向延伸。

所述散热板3的内面(即冷凝区31)为光滑平板，将其内面与所述受热板2内面焊接在一起，由此，在散热板3与所述凹槽4之间形成一个内腔，该内腔经抽气封口便成为一个真空内腔11，在该真空内腔11中再注入遇热蒸发为蒸汽71、遇冷散热后冷凝成液滴72状的工作介质7，即可构成一个完整的起导热作用的均热板1。

若当该内腔中设置有所述的支撑柱23时，支撑柱23的圆台顶端与散热板3的内面相接，支撑柱23采用顶小底大的结构不仅能够快速吸附冷凝区31冷凝后的工作介质7，而且还可以尽可能的扩大冷凝区31的面积，另外，支撑柱23的顶端与散热板3的内面焊接固定连接，由于支撑柱23的牵拉作用，其还可防止该均热板1因温度变化或外施压力产生裂缝或变形。

所述工作介质7为纯水、丙酮或甲醇，注入量为所述内腔容积的10％—40％，当工作介质7为纯净水时，其注入量优选为所述内腔容积的15-30％。；上述优选比例可以使真空内腔11中的工作介质7处于最佳的蒸发－冷凝－回流工作状态，而不会因过多液体工作介质7造成低蒸发效率或者因缺少液体工作介质7造成间断吸热现象的发生。

所述真空内腔11中的真空度在10^－2帕斯卡—10^－5帕斯卡，优选真空度为10^－3帕斯卡，如此既可满足工作介质7受热蒸发所需的真空条件，又可节省将真空度抽至高真空状态所耗费的时间、财力和电力资源。

本发明的均热板1采用整体性内部毛细结构所产生的有益效果如下：

(1)强化毛细力

如图6所示，通过铜粉末烧结产生毛细结构，提供工作流体之循环路径，以及增强表面之蒸发现象。该毛细结构将均热板1的受热板2上的蒸发区21至散热板3上的冷凝区31的整个蒸汽71内腔连成一体，大大增强冷凝区31液滴72状的工作介质7的回流能力，及时有效将该工作介质7补充到蒸发区21，缩短蒸发、交换和回流的周期，从而提升工作效能，提高散热板3温度分布的均匀性。

(2)支撑功能

如图8所示，与所述蒸发区21毛细结构层22连为一体的毛细结构的支撑柱23，可使受热板2与散热板3组合构成的均热板1具有很强的支撑抗压能力，当真空内腔11处于低压状态时，所述支撑柱23充分发挥支撑作用，使得受热板2和散热板3不会因外压而产生内陷变形，从而确保受热板2和散热板3外表面的平整度，防止受热板2与电子组件9之间、散热板3与外接鳍片之间的热阻增加而降低导热散热效果。

(3)抵抗热膨胀功能

当热源91或环境温度超越正常界限时，由于工作介质7的全部蒸发，有可能造成真空内腔11中的气压升高，由于所述支撑柱23的顶端与散热板3的内面焊接连接，由此也使受热板2通过该支撑柱23与散热板3牢固结合在一起，该结构可有效避免因真空内腔11中气体急速膨胀而产生的受热板2与散热板3之间脱焊开裂现象的发生。

(4)良好的方向性

如图7所示，在产品实际应用过程中，均热板1的安放位置、方向要与电子组件9的设置相适配，即均热板1会倾斜设置、水平倒置、水平正置或垂直设置，因此，均热板1的导热散热效能，不能随其摆放的方向位置而变化，即总热阻差异不能太大。本发明的均热板1，由于仅在受热板2的蒸发区21及所述凹槽4侧壁设置毛细结构层22和与蒸发区21中的毛细结构层22连为一体的毛细结构的支撑柱23，使得蒸发至冷凝区31冷凝后的液滴72状的工作介质7会克服地心引力很快被所述的毛细结构层22和毛细结构的支撑柱23吸附，而不会发生所述液滴72状的工作介质7因均热板1处于倾斜设置、水平倒置或垂直设置而滞留在某个非蒸发区21的现象。因此，本发明的均热板1不论如何设置，冷凝区31冷凝后的所述液滴72状的工作介质7都能及时回流至所述蒸发区21，即所述液滴72状的工作介质7回流具有良好的方向性。

本发明均热板1的制造方法如下：

1)选取两块厚度为0.5mm、0.8mm、1.0mm或1.2mm的无氧铜(C1020)薄板，形状为方形，一块用来制作受热板2，另一块制作散热板3，在受热板2和散热板3的四角开设用以将均热板1装配在电子组件9上的安装孔6。

受热板2外形尺寸为90mm×90mm，在其内面设置凹槽4，该凹槽4是经冲压制成，将受热板2水平放置时，所述凹槽4的水平截面形状为倒去四角的正四边形(凹槽4的具体形状、面积和深度，要根据与该均热板1结合使用的电子组件9发热源91表面的形状、面积大小和其在电子设备内部的安装空间大小来决定)，在受热板2的边角处(任一边角或任一边上)冲压一个与所述凹槽4相通的埋设铜制抽气管5的凹位。

所述散热板3与受热板2形状和尺寸相同，其是利用冲压落料形成平板状，其内面为光滑表面(在不考虑制作工艺和成本的情况下，也可在其内面刻蚀若干条横竖交错的微细导流槽)。

2)对受热板2和散热板3清洗除污、烘干。

3)将受热板2以凹槽4开口向上的方式放置在工作台上，再将预先设计好的由石墨材料制作的模具放入受热板2的凹槽4中。

所述模具有两种，一种为与所述凹槽4形状相同的凹模，放入凹槽4中时，在该模具与所述凹槽4的底面、侧壁之间存有一定的间隙；另一种为在前种模具的基础上再在其凹模的底面上设置若干个垂直于凹模底面的中空立柱筒(该立柱筒的截面形状可为圆形、三角形或椭圆形，其可为上下同面积的直筒，也可为下大上小的柱筒)，将第二种模具放入凹槽4中时，除模具与所述凹槽4的底面、侧壁之间存有一定的间隙外，所述中空圆筒与凹槽4底面相通。

使用第一种模具时，在模具与凹槽4底面、侧壁之间填充单质铜粉末；使用第二种模具时，在模具与凹槽4底面、侧壁之间以及所述中空立柱筒内填充单质铜粉末。

4)将以上填充有铜粉末的受热板2置于振动器中振动，使所述金属粉末的填充密度达到设定的2-5克/cm³。

5)将受热板2放入充有保护气体(该保护气体为混合比是95：5的氮氢混合气体，或者是现有技术中常用的其它气体)并具有与该受热板2金属相适应的升温、保温和降温段的热炉中进行烧结。

本发明优选烧结温度为升温段速度是6℃/min至900℃，保温段是在900℃情况下维持50min，降温段以2℃/min的速度降至室温。

6)将在凹槽4内烧结有毛细结构层22的受热板2，或者将在凹槽4内烧结有毛细结构层22和毛细结构支撑柱23的受热板2取出，摘除所述的模具。

7)将散热板3以封盖在所述凹槽4上的方式与受热板2结合在一起，放入充有保护气体并具有与该散热板3和受热板2焊接相适应的升温、保温和降温段的热炉中进行高温封接。

利用焊接技术一次性焊接密闭均热板1，再利用高频焊接方式将注入工作介质7及抽气所用的铜制抽气管5放入所述的凹位中与均热板1焊接成一体。

8)将封接好的散热板3和受热板2取出，抽出其内腔中的空气至真空度为10^－2帕斯卡—10^－5帕斯卡，优选10^－3帕斯卡。

对均热板1进行抽真空和除气时，当真空度降至10^-1帕斯卡时，开始计算除气时间为10分钟后，其真空度可达10^-2帕斯卡～10^-3帕斯卡。

9)除气完毕，便可向真空内腔11中注入适量的工作介质7，封焊抽气管5即可。

现有技术中的均热板1存在结构设计复杂、生产工艺难以控制和生产成本高等缺陷，这些缺陷一直制约本行业的发展，因此本发明以简单、实用、质量穏定、生产难度降低、节约能源为目标，制作了使用单一物质、一次性形成、一个整体性功能结构，并能发挥多种功能的均热板1，结构实用、生产简化、能源节约。其表现出来的各种性能十分良好，综合效果卓越，是未来均热板1普及化使用的设计生产新标准。简单地说，该发明是“行得通、用得上、赚得到”。

以上内容是结合具体的优选实施方式，对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种均热板，包括吸热和散热部分，其特征在于：所述吸热部分为内面设有凹槽(4)的受热板(2)，所述散热部分为与所述受热板(2)内面焊接在一起的平板散热板(3)，散热板(3)的内面为光滑平板，该散热板(3)与所述凹槽(4)之间形成注有工作介质(7)的真空内腔(11)，在所述真空内腔(11)中的受热板(2)部分设有由单质金属粉末烧结而成的毛细结构层(22)；

在所述凹槽(4)底面均匀设有至少二个垂直于凹槽(4)底面并与所述毛细结构层(22)连为一体的毛细结构的支撑柱(23)，所述支撑柱(23)的形状为顶小底大的圆台形，所述支撑柱(23)向所述散热板(3)延伸，其圆台顶端与散热板(3)的内面相接并与散热板(3)的内面焊接固定连接。

2.根据权利要求1所述的均热板，其特征在于：所述金属粉末是目数为50－150的铜粉末。

3.根据权利要求1所述的均热板，其特征在于：所述受热板(2)和散热板(3)均为无氧铜材料所制。

4.根据权利要求1所述的均热板，其特征在于：所述工作介质(7)为纯水、丙酮或甲醇，注入量为所述内腔容积的10％—40％。

5.根据权利要求1所述的均热板，其特征在于：所述真空内腔(11)中的真空度在10^－2帕斯卡—10^－5帕斯卡。

6.根据权利要求1－5中任一项所述的均热板，其特征在于：所述毛细结构层(22)的厚度在0.3mm—0.8mm。

7.一种制造权利要求1—6中任一项所述均热板的方法，其特征在于：将由导热良好的金属材料制作的带有毛细结构层(22)的受热板(2)与散热板(3)焊接在一起制成具有真空内腔(11)的均热板(1)，其步骤如下：

1)选取两块厚度为0.2mm—1.6mm的金属薄板，其中，一块经冲压制成内面具有凹槽(4)且预留抽气管(5)位的受热板(2)，另一块为平板状的散热板(3)；

2)对受热板(2)和散热板(3)清洗除污、烘干；

3)将预先设计的由石墨材料制作的模具放入受热板(2)的凹槽(4)中，在模具与凹槽(4)底面、侧壁之间填充单质金属粉末；或者，将预先设计的由石墨材料制作的模具放入受热板(2)的凹槽(4)中，在该模具中设有至少二个垂直于凹槽(4)底面的中空立柱筒，在模具与凹槽(4)底面、侧壁之间及立柱筒中填充金属粉末；

4)将填充有金属粉末的受热板(2)置于振动器中振动，使所述金属粉末的填充密度值达到2－5克/cm³；

5)将受热板(2)放入充有保护气体并具有与该受热板(2)金属相适应的升温、保温和降温段的热炉中进行烧结；

6)将在凹槽(4)内烧结有毛细结构层(22)的受热板(2)，或者将在凹槽(4)内烧结有毛细结构层(22)和毛细结构支撑柱(23)的受热板(2)取出，摘除所述的模具；

7)将内面为光滑平板的散热板(3)以封盖在所述凹槽(4)上的方式与受热板(2)结合在一起，放入充有保护气体并具有与该散热板(3)和受热板(2)焊接相适应的升温、保温和降温段的热炉中进行高温封接，所述支撑柱(23)与散热板(3)的内面焊接固定连接；

8)将封接好的散热板(3)和受热板(2)取出，抽出其内腔中的空气至真空度为10^－2帕斯卡—10^－5帕斯卡；

9)注入工作介质(7)，封焊抽气管(5)即可。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述受热板(2)与散热板(3)均为无氧铜材料所制。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：烧结时，升温段速度为6℃/min至900℃，保温段于900℃情况下维持50min，降温段以2℃/min的速度降至室温。