CN103747659A

CN103747659A - 一种多孔铜散热片及其制备方法

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Publication number: CN103747659A
Application number: CN201410007762.4A
Authority: CN
Inventors: 杜昊; 路东柱; 祁建忠; 陈金生; 熊天英
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2014-01-08
Filing date: 2014-01-08
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2034-01-08
Also published as: CN103747659B

Abstract

本发明属于冶金铸造技术领域，具体为一种用于电子器件散热的多孔铜散热片及其制备方法，该多孔铜制散热片用于计算机芯片、大功率电子设备及光电器件等散热。多孔铜散热片由铸造多孔铜锭切割加工而成，多孔铜散热片厚度0.5～10mm，相对密度为25～80%（气孔率为20-75%）；多孔铜散热片中的气孔为长圆柱状，平行于厚度方向；气孔直径为0.05～2mm，气孔长度为5～20mm，气孔密度为50～400个/cm²。本发明可解决现有多孔铜或泡沫铜散热装置经散热底座传导的热量无法及时到达散热表面，散热片中导通的气孔对流动气体的流阻较大，很难发挥出多孔金属和泡沫金属的高比表面积优势等问题。

Description

一种多孔铜散热片及其制备方法

技术领域

本发明属于冶金铸造技术领域，具体为一种用于电子器件散热的多孔铜散热片及其制备方法，该多孔铜制散热片用于计算机芯片、大功率电子设备及光电器件等散热。

背景技术

随着电子产品逐渐的小型化、轻薄化和高频化，其单位面积产生的热量愈来愈高。如何快速、安全的带走电子器件上的热量成为了制约电子科技发展的一个重要课题。

电子器件的散热方式主要有三种：风冷、水冷和热管。强制风冷的散热效果远好于自然风冷，复杂性大大低于水冷和热管，散热工作可靠、易于维修保养、成本相对较低，所以在需要散热的电子设备冷却系统中常被采用，同时也是高功率器件采取的主要冷却形式。

在风冷散热方式中，电子器件的散热器一般由散热片和底座两部分组成。底座与电子原件接触，主要功能是把电子原件工作时产生的热量吸收并传递到散热片上；散热片将底座吸收的热量及时地散发出去，影响热量散发效率的因素主要有散热片的材料、本身的表面积及其周围环境。

在电子器件的发展初期，电子器件的功率较低，散热片多采用铝或铝合金。铝及其合金具有导热系数较高，质量较轻，容易加工成型等优点。但是随着电子器件的功率提高，铝及铝合金散热片已经不能满足散热要求。为此，出现了两种技术方向提高散热效率：一是采用热导性能更高的材料制备散热片；二是提高散热片的散热面积。

针对第一个技术方向，导热性能高的铜是一个很好的替代材料。中国发明专利申请（名称：铜散热器及其制造工艺，申请号：02111679.2，申请人：上海发电设备成套设计研究所）中公开了一种用于高压变频调速装置的铜散热器，由用铜加工制成的散热基板、散热翅片组成，散热基板上置有若干片散热翅片。其优点是散热效率高，装置尺寸小。但是，由于铜的密度较高，散热装置增重较大。因此，其实用性受到限制。

针对第二个技术方向，为了提高散热片的表面积而不增加散热装置的体积，人们很容易想到通过减小散热装置的翅片之间的间隔实现。然而，减小翅片的间隔带来了空气流动阻力的增加，从而导致热阻升高。因此，对于给定体积的散热装置在不减小翅片间隔的情况下提高对流面积成为提高散热片散热效率的发展方向。

中国发明专利申请（名称：用于冷却高功率微处理器的平行板/针状翅片混合的铜散热装置，申请号：01808077.4，申请人：因特尔公司）公开了一种用于微处理器的散热装置，包括导热基部和多个从导热基部向上延伸的翅片构件。该专利采用化学腐蚀的方法在散热翅片表面形成了一些规则形状的凸起，成为了散热翅片表面积增大构件，从而对于给定体积的散热装置增大了对流表面积，加强了热散逸。但是，该方法工艺相对复杂，同时表面凸起的高度控制存在一定的难度，另外化学腐蚀也存在一定的污染问题，因此很难广泛采用。

采用具有贯通孔洞的金属结构将可能提高散热片的表面积，有望提高散热片的散热能力。中国发明专利申请（名称：一种注射成形制备梯度结构铜散热片的方法，申请号：201010597913.8，申请人：北京有色金属研究总院），以及中国发明专利（名称：一种电子元件用梯度结构铜散热片的制备方法，专利号：200810223537.9，申请人：北京有色金属研究总院），均采用将不同粒度及粒度分布的铜粉与石蜡基多组元粘结剂混合，经双腔注塑机注射成不同梯度结构的铜散热片生坯，然后通过脱脂、烧结和压力加工制备出相对密度在50～96%之间的梯度结构铜散热片。梯度结构散热片中存在一定比例的气孔，不仅降低了散热片的重量，同时增加了其比表面积。但是，该方法存在两个主要问题：工艺相对复杂，不仅需要混料、注塑、脱脂、烧结，同时还需要后续压力加工等多道工序；散热片中的孔洞曲曲折折，可控性较差。在强制冷却模式下，流阻较大，因此将限制热量的散失。

泡沫金属气孔率较高，因此具有非常大的比表面积。文献：Bastawros[Bastawros A.F.,Effectiveness of open-cell metallic foams for high powerelectronic cooling,Proceeding Symposium on the Thermal Management of Electronics,Anaheim,CA:IMECE,1998:64-69]，报道了泡沫金属散热性能的实验研究。在低流速的情况下，泡沫金属的散热性能较致密金属有了明显提高；而在高流速情况下，由于大量气孔的存在导致泡沫金属的导热性能远低于致密金属（热阻较大），无法及时将热量从电子元件等热源传导至散热表面，因此泡沫金属的散热性能不够理想。采用机械加工钻孔的方法可以改变金属散热片的散热面积，但由于所获孔的尺寸、密度受钻孔工具精度和尺寸制约，由此导致的比表面积增加非常有限。因此，不能有效提高相应的散热性能。

综上所述，由于表面积增大，采用多孔铜或泡沫铜可以提高电子器件的散热性能。为了使其获得较理想的散热性能需要解决两个主要问题：1.比表面积增大与导热能力下降之间的平衡。通过提高开孔多孔或泡沫铜的气孔率并降低其气孔尺寸，可以显著提高其比表面积，即增加其散热面积。但随之而来的是其导热性能的下降，由此导致电子原件经散热底座传导的热量无法及时到达散热表面，从而无法体现出这种结构的散热优势；2.有利于气体流动（对流）的气孔结构。多孔金属或泡沫金属在增加散热表面积的同时，往往需要通过气体流动（对流）快速将散发出的热量带走。如果散热片中导通的气孔对流动气体的流阻较大，例如：采用粉末冶金获得的多孔金属气孔弯弯曲曲，由此导致对流效应降低，将很难发挥出多孔金属和泡沫金属的高比表面积优势。

发明内容

围绕计算机芯片、大功率电子设备及光电器件散热，针对现有铜质散热片的不足，本发明的目的在于提供一种多孔铜散热片及其制备方法，解决现有多孔铜或泡沫铜散热装置经散热底座传导的热量无法及时到达散热表面，散热片中导通的气孔对流动气体的流阻较大，很难发挥出多孔金属和泡沫金属的高比表面积优势等问题。

本发明的技术方案是：

一种多孔铜散热片，多孔铜散热片由铸造多孔铜锭切割加工而成，多孔铜散热片厚度0.5～10mm，相对密度为25～80%；多孔铜散热片中的气孔为长圆柱状，平行于厚度方向；气孔直径为0.05～2mm，气孔长度为5～20mm，气孔密度为50～400个/cm²。

所述的多孔铜散热片，多孔铜散热片厚度2～5mm，相对密度为30～70%；多孔铜散热片中的气孔为长圆柱状，平行于厚度方向；气孔直径为0.2～1mm，气孔长度为10～15mm，气孔密度为200～300个/cm²。

所述的多孔铜散热片，多孔铜散热片被加工成长方体或圆环。

所述的多孔铜散热片的制备方法，铸造工艺利用氢气在固态和液态铜中的溶解度差，通过在高压氢/氢和氩的气氛下熔炼铜，经保温保压后定向凝固获得多孔铜锭，沿气孔轴向垂直凝固方向将多孔铜锭切割成多孔铜散热片。

所述的多孔铜散热片的制备方法，采用铜银焊条焊接在铜或铝散热底座上，散热片之间的距离是1～10mm。

所述的多孔铜散热片的制备方法，铜银焊条中铜含量30～85%；焊接气氛为氢气氛，焊接温度为300～800℃，焊接时间为0.2～5min。

所述的多孔铜散热片的制备方法，高压氢/氢和氩气气氛中，氢气为浓度≥99.9wt%的高纯氢气，氩气为浓度≥99.9wt%的高纯氩气，气体压强为0.1～2.0MPa；其中，氢气压强为0.1～2.0MPa，氩气压强为0～0.5MPa。

所述的多孔铜散热片的制备方法，铸造工艺的熔炼加热方式是感应加热或电阻丝加热，熔炼和保温温度为1100～1450℃，保温保压时间为10～30min。

所述的多孔铜散热片的制备方法，定向凝固方向为垂直凝固铸模底部或侧壁，定向凝固速度为1～50mm/min；当垂直凝固锭模底部凝固时，侧壁绝热；当垂直凝固锭模侧壁凝固时，底部绝热。

所述的多孔铜散热片的制备方法，多孔铜锭是圆柱体、长方体或正方体。

本发明的优点及有益效果为：

1.采用本发明方法制备的散热多孔铜片的相对密度在25～80%（相当于气孔率20-75%），与传统致密铜散热片相比质量明显降低。

2.采用本发明方法制备的散热多孔铜片的气孔率在20～75%，与传统致密铜散热片相比显著提高了散热片的比表面积。以厚度为5mm、长宽均为1cm的散热片为例，采用致密铜获得的散热片表面积（去掉与底座焊接的一个面）为3.5cm²，而采用本发明方法制备多孔铜散热片的表面积（同样去掉与底座焊接的一个面，多孔铜气孔尺寸为0.05mm、气孔密度为400个/cm²）达到9.72cm²，即增加了2倍，增大的表面积将对提高铜散热片的散热性能至关重要。

3.通过改变工艺参数，采用本发明方法制备的散热多孔铜片的气孔率、气孔密度和气孔尺寸可以控制，即比表面积可以在较宽的范围内调整。

4.由于本发明散热铜片采用铸造方法获得，多孔铜散热片基本保留了铜的高热导率（与其他多孔金属相比热阻较低），使经过底座传递过来的热量能够迅速、及时的传递到散热片的各个部位，因此显著提高了散热效率。

5.与其他已有专利描述的具有孔洞的铜散热片相比，本发明多孔铜散热片中的气孔为直孔，形状为长圆柱状，孔壁光滑，流阻较小，有利于以对流的形式将热量带走。当热量以强迫对流形式被通过的气体散发时，气体与铜本体热交换接触面积大，本发明多孔铜散热片的散热优势将更加明显。

6.采用本发明方法先获得多孔铜锭，经后续切割成多孔铜散热片并与散热底座焊接成为散热装置，后续机加工量小，工艺流程短，操作简便，能耗低，有效降低了成本，提高了效益。

附图说明

图1为本发明散热器结构图。图中，1散热底座；2多孔铜散热片。

图2为本发明散热片与致密铜、钻孔铜散热片的实物对比图。图中，N致密铜；L多孔铜；B钻孔铜。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明散热器结构包括散热底座1、多孔铜散热片2，散热底座1顶部设置多孔铜散热片2。本发明的工艺思路为：

在高压含氢气氛下熔炼金属铜，保温保压一段时间后，将熔体浇铸到锭模中快速定向凝固，所获的多孔铜锭为长圆柱状气孔均匀分布在铜基体中。垂直凝固方向（气孔轴向）将其切割成合适的多孔铜片，采用合适工艺将其焊接在致密铜或铝散热底座上。其具体过程如下：

将铜材料预先放入一个真空-正压装置的熔炼坩埚中并抽真空至1Pa以下，通过感应或电阻丝加热对其进行熔炼，待铜全部熔化后将高压氢气或氢气与氩气混合气充入装置中，压力范围为0.1～2.0MPa，保温保压10～30分钟后，将铜熔体浇入凝固铸模中快速定向凝固，凝固速度为1～50mm/min。熔化的铜在高压氢气或氢气与氩气气氛下将吸入大量的氢。保温保压一段时间后，氢充分地扩散到铜熔体中。在随后的定向凝固过程中，由于氢在液态和固态铜中的溶解度差，氢将在凝固界面析出形成气孔。通过控制凝固界面的移动速度，最终获得了长圆柱状气孔沿凝固方向均匀分布在铜基体中的多孔结构。根据需要，通过改变凝固铸模，所获得的多孔铜锭可以是圆柱、长方、正方等各种形状。所获得的长圆柱状气孔结构参数包括：气孔率20～75%；气孔尺寸0.05～2mm；气孔长度：5～20mm；气孔密度50～400个/cm²。将所获得多孔铜金属锭沿垂直凝固方向（气孔轴向）切成预定形状的多孔铜片，铜片厚度为1～10mm。如图1所示，采用铜-银焊条将多孔铜散热片2焊接在金属铜或铝散热底座1上。其中，铜银焊条中铜的比例为30～85wt%。如图2所示，将致密铜N、多孔铜L、钻孔铜B比较可以看出，多孔铜中的气孔尺寸远小于钻孔铜的，多孔铜中单位面积上的气孔密度远远大于钻孔铜的。

由于采用本发明方法制备多孔铜散热片中的气孔为长圆柱状通孔，孔壁光滑，当在强制空气循环（对流）条件下，对气体的流阻非常小，有利于流动气体将热量快速带走，更加能够发挥其比表面积增大的优势。此外，采用本发明方法制备多孔铜散热片的热导率较高（热阻较小），能够保证将热量迅速从底座传导至多孔铜散热片的各个部位，这也是本发明多孔铜散热片具有优异散热性能的一个重要原因。

实施例1

采用真空-正压熔炼炉（参见中国发明专利，名称：一种多功能真空-正压熔炼凝固设备，专利号：200910010396.7），熔炼炉中有定向凝固装置。将10kg铜放入熔炼石墨坩埚中，坩埚尺寸为Φ160×400mm，外壁缠绕感应线圈。对装置抽真空至0.1Pa，开启感应加热至1250℃，装置中充入氢气0.5MPa和氩气0.3MPa，保温保压20分钟后将铜熔体浇入定向凝固装置。定向凝固装置尺寸为120×50×200mm，四壁绝热，底部为水冷铜板，通过调整冷却水水流速度控制铜熔体凝固速度为10mm/min。铜熔体全部凝固后将气体泻出，开启装置取出铜锭，铜锭尺寸为120×50×135mm。将多孔铜锭头部和底部各切去10mm后，将其分割成60×25×115mm四块长方体。经检测分析，多孔铜锭中，气孔率为34.2%，相对密度为65.8%，气孔直径为0.19mm，气孔长度为10mm，气孔密度为292个/cm²，采用铣床沿多孔铜锭高度方向将其加工成厚度为5mm多孔铜散热片。

将8片多孔铜散热片与铝散热底座焊接在一起，多孔铜片之间距离为10mm，焊接材料选择银铜合金（Cu72Ag28），焊接气氛为氢气氛，焊接温度为700℃，焊接时间为20秒。测量多孔铜散热片散热性能（垂直和平行散热片循环两种方式）并与相同尺寸的致密铜散热片焊接在相同铝散热底座装置对比（测量装置整体散热性能后去除铝散热底座的散热部分）如下：

采用强制循环方式时，风速为5m/s，本发明的多孔铜散热片的散热效率是致密铜散热片的3.4倍（气体循环平行散热片方向）和3.1倍（气体循环垂直散热片方向）；采用自然冷却方式时，本发明的多孔铜散热片的散热效率是致密铜散热片的1.3倍。

实施例2

采用真空-正压熔炼炉（参见中国发明专利，名称：一种多功能真空-正压熔炼凝固设备，专利号：200910010396.7），熔炼炉中有定向凝固装置。将10kg铜放入熔炼石墨坩埚中，坩埚尺寸为Φ160×400mm，外壁缠绕感应线圈。对装置抽真空至0.1Pa，开启感应加热至1200℃，装置中充入氢气0.3MPa，保温保压20分钟后将铜熔体浇入定向凝固装置。定向凝固装置尺寸为Φ135×200mm，底部绝热，四周水冷，通过调整冷却水水流速度控制铜熔体凝固速度为6mm/min。铜熔体全部凝固后将气体泻出，开启装置取出铜锭，铜锭尺寸为Φ135×120mm。将多孔铜锭头部和底部各切去10mm。经检测分析，多孔铜锭中，气孔率为37.3%，相对密度为63.7%，气孔直径为0.2mm，气孔长度为12mm，气孔密度为213个/cm²，采用线切割沿多孔铜锭轴心将其加工成厚度为8mm圆筒形状多孔铜散热片。

将外径为59.5、43.5、27.5、11.5mm的多孔铜散热片与铝散热底座焊接在一起，多孔铜片之间距离为8mm，焊接材料选择银铜合金（Cu65Ag35），焊接气氛为氢气氛，焊接温度为650℃，焊接时间为20秒。测量其散热性能并与相同尺寸的致密铜散热片焊接在相同铝散热底座装置对比（测量装置整体散热性能后去除铝散热底座的散热部分）如下：

采用强制循环方式，风速为5m/s，本发明的多孔铜散热片的散热效率是致密铜散热片的4.9倍（垂直散热片）；采用自然冷却方式，本发明的多孔铜散热片的散热效率是致密铜散热片的1.4倍。

实施例3

采用真空-正压熔炼炉（参见中国发明专利，名称：一种多功能真空-正压熔炼凝固设备，专利号：200910010396.7），熔炼炉中有定向凝固装置。将10kg铜放入熔炼石墨坩埚中，坩埚尺寸为Φ160×400mm，外壁缠绕感应线圈。对装置抽真空至0.1Pa，开启感应加热至1250℃，装置中充入氢气0.2MPa和氩气0.1MPa，保温保压25分钟后将铜熔体浇入定向凝固装置。定向凝固装置尺寸为120×50×200mm，四壁绝热，底部为水冷铜板，通过调整冷却水水流速度控制铜熔体凝固速度为10mm/min。铜熔体全部凝固后将气体泻出，开启装置取出铜锭，铜锭尺寸为120×50×135mm。将多孔铜锭头部和底部各切去10mm后，将其分割成60×25×115mm四块长方体。经检测分析，多孔铜锭中，气孔率为49.9%，相对密度为50.1%，气孔直径为0.63mm，气孔长度为14mm，气孔密度为181个/cm²，采用铣床沿多孔铜锭高度方向将其加工成厚度为5mm多孔铜散热片。

将20片多孔铜散热片与铜底座焊接在一起，多孔铜片之间距离为10mm，焊接材料选择银铜合金（Cu72Ag28），焊接气氛为氢气氛，焊接温度为700℃，焊接时间为20秒。测量其散热性能并与相同尺寸的致密铜散热片焊接在相同铜散热底座装置对比（测量装置整体散热性能后去除铜散热底座的散热部分）如下：

采用强制循环方式时，风速为5m/s，本发明的多孔铜散热片的散热效率是致密铜散热片的2.7倍（气体循环平行散热片方向）和2.4倍（气体循环垂直散热片方向）；采用自然冷却方式时，本发明的多孔铜散热片的散热效率是致密铜散热片的1.5倍。

Claims

1.一种多孔铜散热片，其特征在于，多孔铜散热片由铸造多孔铜锭切割加工而成，多孔铜散热片厚度0.5～10mm，相对密度为25～80%；多孔铜散热片中的气孔为长圆柱状，平行于厚度方向；气孔直径为0.05～2mm，气孔长度为5～20mm，气孔密度为50～400个/cm²。

2.按照权利要求1所述的多孔铜散热片，其特征在于，多孔铜散热片厚度2～5mm，相对密度为30～70%；多孔铜散热片中的气孔为长圆柱状，平行于厚度方向；气孔直径为0.2～1mm，气孔长度为10～15mm，气孔密度为200～300个/cm²。

3.按照权利要求1所述的多孔铜散热片，其特征在于，多孔铜散热片被加工成长方体或圆环。

4.一种权利要求1所述的多孔铜散热片的制备方法，其特征在于，铸造工艺利用氢气在固态和液态铜中的溶解度差，通过在高压氢/氢和氩的气氛下熔炼铜，经保温保压后定向凝固获得多孔铜锭，沿气孔轴向垂直凝固方向将多孔铜锭切割成多孔铜散热片。

5.按照权利要求4所述的多孔铜散热片的制备方法，其特征在于，采用铜银焊条焊接在铜或铝散热底座上，散热片之间的距离是1～10mm。

6.按照权利要求5所述的多孔铜散热片的制备方法，其特征在于，铜银焊条中铜含量30～85%；焊接气氛为氢气氛，焊接温度为300～800℃，焊接时间为0.2～5min。

7.按照权利要求4所述的多孔铜散热片的制备方法，其特征在于，高压氢/氢和氩气气氛中，氢气为浓度≥99.9wt%的高纯氢气，氩气为浓度≥99.9wt%的高纯氩气，气体压强为0.1～2.0MPa；其中，氢气压强为0.1～2.0MPa，氩气压强为0～0.5MPa。

8.按照权利要求4所述的多孔铜散热片的制备方法，其特征在于，铸造工艺的熔炼加热方式是感应加热或电阻丝加热，熔炼和保温温度为1100～1450℃，保温保压时间为10～30min。

9.按照权利要求4所述的多孔铜散热片的制备方法，其特征在于，定向凝固方向为垂直凝固铸模底部或侧壁，定向凝固速度为1～50mm/min；当垂直凝固锭模底部凝固时，侧壁绝热；当垂直凝固锭模侧壁凝固时，底部绝热。

10.按照权利要求4所述的多孔铜散热片的制备方法，其特征在于，多孔铜锭是圆柱体、长方体或正方体。