CN104776740A - 一种铜粉和氧化铜粉复合制备高效微型热管的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种铜粉和氧化铜粉复合制备微型热管的方法。该热管蒸发段和冷凝段分别由不同孔隙率烧结铜组成，其中蒸发段由微米级铜粉烧结而成，孔隙率在40-50%之间，冷凝段和绝热段由毫米、微米或纳米氧化铜粉或不同粒度氧化铜粉混合经还原烧结成高孔隙率烧结铜组成，孔隙率达60-85%。蒸发段低孔隙率和小孔径便于液相介质快速汽化，冷凝段和绝热段由高孔隙率烧结铜作为吸液芯，使得液相回流热阻小，保证液体快速回流至蒸发段，加速相变循环。该方法根据热管设计要求，经计算分别注入所需铜粉和氧化铜粉的重量，制成不同孔隙率复合结构热管，散热效率较大提高且热阻小，达到快速高效散热效果。该方法易操作，设备简单，生产成本低，适合工业化生产。

Description

一种铜粉和氧化铜粉复合制备高效微型热管的方法

技术领域

本发明涉及一种电子元器件微型热管的制备方法，用于半导体电子器件快速散热，特别涉及一种用铜粉和氧化铜粉的复合后经高温还原烧结，制造同一热管不同部位具有不同孔隙率的烧结铜为吸液芯的微型热管的方法。 

背景技术

热管理对于半导体和电子器件及装备尤其重要，因为对半导体、电子设备的运行温度有效的热控制，可以确保其工作的稳定性和可靠性。随着电器集成化的程度越来越高，半导体电子元器件封装集成密度迅速提高，芯片尺寸的不断减少以及功率密度的持续增加，使得电子封装过程中的散热和冷却问题越来越不容忽视，并已影响和制约其发展。芯片功率密度的提高和分布不均匀而产生的局部热节，将导致温度迅速升高而影响其寿命和使用，采用常用的高导热金属材料如铜、铝来进行散热的技术已不能满足不断快速发展先进电子产品的封装的热设计、管理和控制要求。 

热管技术自1963年由美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明以来，充分展现其传热元件的作用，利用热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，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。 

热管是一种具有极高导热性能的新型传热元件，利用毛细吸附作用等流体原理，来实现良好的导热冷却效果。它通过在全封闭真空管内的液体介质的蒸发与凝结相变的快速转换来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、温度可控制等特点。将热管散热器的基板与晶闸管、IGBT、IGCT等大功率电力电子器件的管芯紧密接触，可直接将管芯的热量快速导出。 

我们知道一般热管主要由管壳和吸液芯组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体介质，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，由毛细多孔材料构成。热管一端为蒸发段，另外一端为冷凝段，当热管一端受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下通过中间的蒸汽腔流向另外一端，受冷后凝结成液体，释放出相变潜热，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端，这种循环是快速进行，所以热量可以被源源不断地传导开来。 

吸液芯是热管的一个重要组成部分。吸液芯的结构形式将直接影响到热管和热管换热器的性能。随着热管技术的发展，各国研究者在吸液芯结构和理论研究方面做了大量工作，提出一个性能优良的热管吸液芯应具有：足够大的毛细抽吸压力，或较小的管芯有效孔径；较小的液体流动阻力，即有较高的渗透率；良好的传热特性，即有小的径向热阻；良好的工艺重复性及可靠性，制造简单，价格便宜。 

微型热管技术已从沟槽结构热管过渡到编织铜网结构热管，再发展到烧结铜结构热管。目前最常用的是直接采用微米级铜粉制成的烧结铜吸液芯微型热管，由于烧结铜粉的孔隙率大致在40-50%，在加热蒸发段孔隙率相对低孔径小，毛细吸力明显，但其在除加热蒸发段以外的冷凝段和绝热段采用相对低孔隙率的烧结铜，使得相变循环过程中液相回流热阻相对大。为了解决吸液芯回流热阻大这个影响散热效果的关键问题，提出了本发明内容。 

发明内容

本发明针对目前直接用微米级铜粉进行烧结作为吸液芯，存在除蒸发段外的冷凝段和绝热段孔隙率低影响液体介质相变循环速度和冷凝段和绝热段液体回流阻力，提出采用铜粉和氧化铜粉复合结构来制备蒸发段由常规烧结铜粉制得相对低孔隙率而其他部分由氧化铜粉经还原烧结成的高孔隙率的烧结铜的复合结构的吸液芯微型热管。与目前常用的铜粉烧结热管相比，经氧化铜粉代替铜粉后，还原烧结后烧结铜的孔隙率可高达60-85%，这样有利于加快蒸汽在冷凝段转变为液相后在高孔隙率烧结铜中的回流速度，大大降低了冷凝段和绝热段液体介质回流的热阻，加快了液体介质在热管内循环速度，提高了散热效率，有效解决高发热量电子元件所需快速散热问题。 

附图说明

图1是铜管置于多孔（开孔结构）陶瓷模板上的示意图 

图2是不锈钢或陶瓷中间柱放入铜管后的结构，铜粉和氧化铜粉将分别注入其间隙中并振实，铜粉在下端，氧化铜在上端；

图3铜粉和氧化铜粉还原烧结后形成两种不同孔隙率复合结构吸液芯的热管剖视图（在不同孔隙率的界面处，实际存在一个微小的铜和氧化铜混合复合的小区域）

具体实例

以下是利用铜粉和氧化铜粉复合，来制备直径为6 mm和8 mm、长度为332毫米、0.5毫米厚的不同孔隙率烧结铜为吸液芯的微型热管。

(1)       根据所选铜管的直径为6或8毫米、壁厚一般可选0.3毫米的纯铜管； 

(2)       清洗干燥后，置入多孔堇青石模板，保证垂直定位，然后按照定位方式分别放入直径为4.4 mm或6.4 mm的不锈钢或氧化铝陶瓷中间柱；

(3)       铜粉所选用粒度为150-200目或300-350目，氧化铜的粒度大小大致直径为200-250目，根据计算，称量所需的铜粉和氧化铜粉的数量，通过上述方法，将所需量的铜粉和氧化铜粉分别注入并振动紧实：

 i)        注入氧化铜粉后，通常呈松装，经振动紧实

ii) 注入氧化铜粉后经振动紧实后，采用2-3个气压压实

(4)       推入还原炉进行高温还原烧结，首先低温下采用氮气洗炉，当温度达500℃以上通入氢氮混合气氛，进行高温还原烧结的热机械处理，氢氮混合比为75~10%（氢气）：（25-90%（氮气），加热速度为15-20 C/分，至950℃保温1小时；

(5)       然后按照常规热管进行氩弧焊接、抽真空和注水封装方法制备不同孔隙率复合结构的烧结铜为吸液芯的微型热管：

i) 经松装振实，经过氢氮还原气氛下的还原烧结在950℃保持1小时，炉冷至室温，经分析氧化铜颗粒部分其孔隙率达到72-73%，烧结铜颗粒部分孔隙率为45-46%；

ii）经松装振实的氧化铜颗粒适当加压，压力为2-3个大气压力，采用同样的热机械处理工艺，孔隙率达到66-67%，而由微米级的纯铜粉制得的烧结铜孔隙率仅为43-44%。

后续的注液封装过程也和常规烧结铜作为吸液芯的热管相似。注液量需要根据不同孔隙率的烧结铜的孔隙率的体积进行计算。 

制得的上述两种不同直径由不同孔隙率烧结铜为吸液芯复合的圆状热管，与直接用铜粉进行烧结的烧结铜为吸液芯的热管相比，经测试Qmax提高明显，且热阻大大减少。表明有铜粉和氧化铜复合制备的不同孔隙率烧结铜为吸液芯的热管具有高效散热效果。  

具体实施方式

常规微型热管的直径为4、5、6、8、10、16mm，根据吸液芯的厚度要求，分别选用不同直径的不锈钢或氧化铝陶瓷中间柱，铜管切割并清洗干燥后，置于图1的支撑模板上，模板采用多孔（开孔结构）陶瓷板，如多孔的堇青石、莫来石等作为模板。 

根据热管蒸发段、绝热段和冷凝段的长度设计，结合所需不同孔隙率烧结铜的厚度，计算所需加入铜粉和氧化铜粉的量，精确称量所需的铜粉和氧化铜粉的量，分别注入铜粉和氧化铜粉在铜管与不锈钢或陶瓷中间柱之间的孔隙中并进行振动紧实，如图2所示。其中铜粉在下端，而氧化铜粉添加在上段，如图3所示，氧化铜粉可以由下列两种组成： 

（i）                  氧化铜粉可以是相近颗粒大小的微米级氧化铜粉组成

（ii）                氧化铜粉也可以是由毫米、微米或纳米不同粒度大小的混合粉末组成

振动紧实后，将其推入还原炉内，炉子用氮气充分洗炉，保证后续通入氢氮混合气体时的安全。还原气氛用氢氮混合气，混合气中氢的含量可以在10%-75%之间均可。通常在温度为500℃以上时，通入氢氮混合气。还原温度在850℃-1050℃之间，还原时间在30分钟至2小时，还原后随炉冷却至室温（实际操作在小于等于80℃即可取出）。由氧化铜粉还原烧结的高孔隙率烧结铜为吸液芯的厚度可根据设计要求制备从0.1毫米到2毫米的厚度。若吸液芯厚度偏厚时，则还原烧结温度可选适当高的温度和延长保温时间等。

然后进行热管封装和热性能测试过程。首先取出中间柱，检测经氧化铜还原后的高孔隙烧结铜在热管中位置是否满足要求，因为氧化铜粉的还原过程中由于重力作用，实际高孔隙率的烧结铜的高度会有少量下降。检测满足要求后，进行下端（铜粉烧结一端）的氩弧摩擦焊接。上端（氧化铜烧结一端）后续进行拉拔缩颈后，进行抽真空注液，然后封装焊合。注液量的多少是根据复合的烧结铜孔隙率的量来计算所需液体介质的量，实际注液量是通过传感器直接控制，通常稍有微量偏差。这样就完成了由铜粉和氧化铜粉复合经高温还原烧结的微型热管的制造。后续根据设计要求弯曲和形变等工序与常规烧结铜热管的弯曲和形变相似。 

本发明提供了一种由微米级铜粉和由毫米、微米、纳米氧化铜粉或不同粒度的混合粉经过还原烧结工艺，制得不同孔隙率复合的烧结铜为吸液芯的热管。热性能测试发现，散热功率有较大提高且液体回流的热阻明显下降，相变循环速度加快，满足电子设备所需的快速散热要求。本发明制备方法简单、操作方便，生产过程无污染，产品质量好（产品纯度高、结构可控），生产成本低，适合工业化生产。 

Claims (6)

1.一种分别利用铜粉和氧化铜粉复合制造的具有快速高效散热效果的微型热管，其特征在于该热管的蒸发段和其他部分（即冷凝段+绝热段）分别由不同孔隙率的烧结铜组合作为吸液芯，即蒸发段由微米级铜粉直接烧结而成，冷凝段和绝热段由毫米、微米或纳米氧化铜粉或不同粒度氧化铜混合粉末还原烧结的高孔隙率的烧结铜组成。

2.如权利要求1所述的通过铜粉和氧化铜粉复合制备高效微型热管，其特征在于需分两次分别注入所需重量的铜粉和氧化铜粉并振动紧实，具体制备过程的步骤包括：（1）铜管清洗干燥；（2）置于模具中定位和放入中间柱，然后分两次分别注入所需重量的铜粉和氧化铜粉末并振动紧实；（3）在还原气氛下的高温烧结；（4）一端焊接、一端缩颈处理；（5）抽真空、注水和封装；（6）圆状热管性能检测；（7）弯曲及形变成型；（8）形变后的热性能检测。

3.如权利要求1所述的热管除蒸发段外的部分即冷凝段和绝热段将由氧化铜粉的还原和烧结来制得高孔隙率烧结铜为吸液芯，其特征在于氧化铜粉在还原烧结后形成的烧结铜的孔隙率可以高达60-85%，大大高于直接用铜粉直接烧结而成的蒸发段40-50%的孔隙率。

4.如权利要求1所述的通过铜粉和氧化铜粉复合制备的高效微型热管，除蒸发段外的冷凝段和绝热段由氧化铜粉还原烧结制成高孔隙率的烧结铜结构，通常氧化铜颗粒置于铜管的上端，其特征在于氧化铜粉可分两种情况：（1）由相似颗粒粒度的微米级氧化铜粉；（2）由毫米、微米或纳米级的两种或两种以上不同粒度的氧化铜粉均匀混合。

5.如权利要求2所述的铜粉和氧化铜粉还原烧结制备的不同孔隙率烧结铜为吸液芯的微型热管的制备工艺过程，其还原烧结制备气氛采用氢氮混合气体，氢氮比例为(75%-10%)：（25%-90%）（氢氮比为75%：25%时是液氨分解的比例），氢的比例利用氮气来调整，上述范围内均能满足热管的还原烧结要求的气氛。

6.如权利要求2所述的由铜粉和氧化铜复合制造的微型热管，其特征在于铜粉和氧化铜粉的还原烧结的温度可选在850℃到1050℃，在此温度范围均满足还原烧结效果，还原烧结时间可在30分钟至2小时中选择，制备的烧结铜厚度从0.1毫米到2毫米通过选择中间柱直径根据设计要求进行控制，在上述温度和时间范围内，若烧结铜的厚度要求薄，高温还原温度可适当选择850-900℃，还原烧结时间相对短至30分钟至1小时；若烧结铜的厚度较厚，则还原烧结温度选择适当提高和烧结时间相对延长。