CN104764350A - 一种泡沫铜为吸液芯的均热板制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种泡沫铜作为吸液芯的均热板的制造方法。采用分级构造不同厚度和孔隙率的泡沫铜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，经焊接、抽真空、注液、封装后制成均热板。其中中间蒸汽腔采用一定厚度（通常大于≥0.8毫米）的圆柱状的分级构造泡沫铜支撑柱，保证气液相介质快速流动，加快介质相变循环速度。本发明的分级构造泡沫铜具有良好的毛细结构、孔结构分布均匀且孔隙率高；其作为吸液芯的均热板特点是：散热效率高、重量轻、适合制造超薄结构，能够满足高热流密度的半导体电子装备所需高导热效率和小型化的要求。本发明的均热板，制造成本低，制作精度高。适用于计算机芯片散热，无线或者有线通讯行业的高能电子芯片、光电芯片或者射频芯片的冷却等多种用途。
Description
技术领域
本发明涉及到一种半导体和电子装备中二维（平面）结构快速散热的器件，即均热板及其制法，特别是一种采用高孔隙率分级构造的泡沫铜为吸液芯的均热板及其制法。
背景技术
随着半导体和电子技术的快速发展，对芯片的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。均热板作为一种特殊形式的热管，直观或简单地可认为是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。前者铜粉烧结结构由于制备大平面结构，其烧结效果特别是整体均匀性和平整性不易控制；而后者编织铜网结构是以其与铜板的扩散接合，孔径相近造成毛细吸力效果不佳，所以结合效果和散热功率尚需进一步提高。
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分级构造泡沫铜是一种非常合适的吸液芯材料，可以满足上述性能和制备的要求。
发明内容
针对目前铜粉烧结和编织铜网结构的均热板存在的问题，本发明提出了一种利用分级构造泡沫铜为吸液芯的均热板的制作方法，该分级构造泡沫铜作为吸液芯具有良好的毛细现象和结构，能够实现液态介质相变和快速循环，且散热功率较高和产品性能一致性好。所以本发明提出一种泡沫铜为吸液芯均热板，该泡沫铜为江苏格业新材料科技有限公司生产的分级构造泡沫铜，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。
本发明的一种分级构造泡沫铜为吸液芯均热板的制造，其泡沫铜的微结构如图1所示，其孔径是分级构造；泡沫铜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，具体泡沫铜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）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）泡沫铜和支撑柱的加工：将分级构造泡沫铜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铜圆柱作为中间支撑柱（厚度根据通常蒸汽腔要求至少大于或等于0.8毫米），该支撑铜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3至8毫米大小的泡沫铜；
（3）泡沫铜与模板间的组装：将泡沫铜置入相应的上盖板和下底板内；并根据支撑柱布局结构的不锈钢模板置于底板和泡沫铜的上面，将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泡沫铜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850℃-1050℃之间选取，烧结保温时间在30分钟至2小时内选取，目的是实现泡沫铜与上盖板和下底板之间以及泡沫铜及泡沫铜支撑柱之间的烧结结合。具体温度和时间的选择原则可以根据泡沫铜与盖板和底板之间结合强度来确定，若需结合强度大，则选择温度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焊接或扩散焊接；
（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，确保均热板的质量；
本发明的均热板的主要结构组成为如图2所示：
1.中空外壳，其包含材质为紫铜的铜板或铜箔加工成的上盖板及下底板，通过焊接结合，并形成一个密封的腔室；
2.吸液芯部分的毛细结构和支撑结构，均为分级构造泡沫铜，并通过高温还原气氛下的扩散结合在一起，结合良好，吸液芯的泡沫铜与上下模板之间的结合良好；
3.液态介质，例如去离子水，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多孔铜之间的组合，上盖板和下底板内表面与泡沫铜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。
支撑柱的结构采用直径为3-8毫米的圆柱排列，也可采用其他模板如方形结构作为支撑，目的是达到支撑和回流的综合效果。
附图说明
图1是分级构造泡沫铜的微结构扫描电镜照片
图2是泡沫铜为吸液芯的均热板内部结构示意图
图3是均热板的中间支撑柱的模板结构示意图
图4支撑柱为圆柱状，厚度为2.6 mm的均热板的结构示意图
图5支撑柱为方块状，厚度为3.6mm的均热板的结构示意图
图6 中间支撑柱模板结构示意图
具体实施方式：
实例1，厚度为2.6 mm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1.4mm，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0.3mm的泡沫铜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的分级构造多孔铜通过冲压制成Φ5mm的圆柱（如图4所示），按（如图4所示）的方式至于上盖板和下底板之间，以扩散结合的方式，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，在真空扩散炉中将该上、下盖（包括烧结在上的泡沫铜）及支撑柱（泡沫铜）结合在一起，并形成一个高度为0.8mm蒸汽内腔。扩散结合的温度选择为910℃或更高至1030℃，压力为5MPa，并保持该温度和压力下1小时。
实例2，厚度为3.6mm的均热板的制造：采用下底板厚度为1mm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2mm，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0.5mm的泡沫铜分别于上、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1.0mm的多孔铜通过剪切制成3x8mm的3 x 5个长条（如图6所示），按（如图6所示）的方式至于上、下盖板之间，以扩散焊接的方式，采用石墨做模具压紧上下盖板，在真空炉中将该上、下盖（包括烧结在上的泡沫铜）及支撑柱（泡沫铜）结合在一起，并形成一个高度为1mm腔室。扩散结合的温度选择为920℃，压力为8MPa，并保持该温度和压力下1.5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，然后再进行下一步的抽真空、注液封装，均热板内部抽成真空的真空度（10-4至10-5torr）。而后，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的热性能质量检测。
Claims (5)
1.一种泡沫铜作为吸液芯的均热板的制造方法，采用分级构造不同厚度和孔隙率的泡沫铜及泡沫铜支撑柱烧结在经设计加工的不同厚度的紫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所述的一种泡沫铜为吸液芯的均热板的制备方法，其制备过程包括：（1）模板加工与清洗：根据设计要求，加工铜的上盖板和下底板，加工后需经清洗和干燥处理；
（2）泡沫铜和支撑柱的加工：将分级构造泡沫铜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铜圆柱作为中间支撑柱（厚度根据通常蒸汽腔要求至少大于或等于0.8毫米），该支撑铜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3至8毫米大小的泡沫铜铜柱，也可以选择方块结构作为中间支撑柱；（3）泡沫铜与模板间的组装：将泡沫铜置入相应的上盖板和下底板内；并根据支撑柱布局结构的不锈钢模板置于底板和泡沫铜的上面，将泡沫铜支撑柱置入模板相应的位置，其中不锈钢模板对下底板的泡沫铜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850℃-1050℃之间选取，烧结保温时间在30分钟至2小时内选取，目的是实现泡沫铜与上盖板和下底板之间以及泡沫铜及泡沫铜支撑柱之间的烧结结合；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，将四周结合边缘除抽真空注液口外进行真空或保护气氛下的铜银焊接或扩散焊接；（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，确保均热板的质量。
3.如权利要求1所述的一种泡沫铜作为吸液芯的均热板的制造方法，该吸液芯所用的泡沫铜和铜柱均为分级构造泡沫铜，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；厚度可根据均热板设计需要在0.1毫米至3毫米之间选择。
4.如权利要求1所述的一种泡沫铜作为吸液芯的均热板的制造方法，其特征在于泡沫铜烧结后的上盖板和下底板之间的蒸汽腔一般采用厚度大于≥0.8毫米的圆柱状的或方块状分级构造泡沫铜支撑柱，支撑柱的数量和直径等尺寸取决于面积大小，通常支撑柱之间的间隔大致为：10-15 mm。
5.如权利要求2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），氢的比例下降是利用氮气来调整，在上述氢氮混合气体范围内均满足还原烧结的质量要求。
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