CN105973045A - 一种具有多槽道烧结支撑结构的平板热管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有多槽道烧结支撑结构的平板热管及其制造方法，其包括上、下两块金属盖板，上、下金属盖板之间通过焊接密封形成密闭的腔体，在腔体内部填充有液体工质；所述腔体的内表面分为蒸发面和冷凝面，分别均铺设有金属粉末颗粒烧结形成的薄层多孔吸液芯结构，且在蒸发面上烧结形成阵列排布的支撑柱，冷凝面则加工出与该支撑柱顶端圆柱凸台相配合的圆柱孔，两者相嵌配合后形成工质回流通道。该平板热管提高了毛细压力，烧结支撑柱上形成的轴向槽道提供了良好的工质回流通道，减少了液体回流阻力，显著加快了工质回流速度，实现了汽‑液两相的分离，提高了传热性能；同时，该支撑柱能有效防止平板热管塌陷变形等问题。

Description

一种具有多槽道烧结支撑结构的平板热管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种具有多槽道烧结支撑结构的平板热管及其制造方法。

背景技术

随着科学技术的发展，电子产品不断朝大功率、小尺寸、高密度封装和多功能化方向发展。由于热流密度的不断提高，导致集成电路和半导体器件的性能、可靠性和安全性面临严重的散热问题。以大功率LED为例，LED芯片工作产生的热量若不能及时转移，将极大地影响其发光效率，严重时甚至导致其失效。传统的冷却散热方式已很难满足电子产品进一步发展的要求，气-液相变已成为目前和今后电子领域散热方式的选择。热管散热技术利用密闭腔体内液体工质的蒸发、冷凝的气-液相变过程来实现热量的快速散失，具有高传热性能，优良的等温性能，无需额外动力驱动等优点。但其热传导方式是一维的，难以满足面热源的需求。平板热管相比于普通热管，属二维面传导方式，可以迅速将一个或多个集中点热源的高热流密度近乎等温的均布到一个大的平面，因而可以将热量迅速转移；此外，还具有受热面积大、均温性能良好、易于与光电器件一体化封装等优点，前景广阔。

通常，平板热管由上下两块金属盖板焊接拼合而成，通过吸液芯内的工质蒸发、冷凝相变实现热量的快速转移。普通的平板热管，仅在上下盖板的表面设置沟槽、烧结粉末层或多孔丝网层，存在工质回流路径长、渗透阻力大等缺陷，易导致蒸发面局部干烧等问题；且未设置支撑柱结构，导致平板热管抗压能力差，支撑的稳定性得不到保证，容易因温度过高或外加压力过大而产生内陷或裂缝变形现象。

目前，已有研究者提出在腔体内部添加导流支架、丝网或脉管等起到支撑作用。此外还可以通过将大管径铜管烧结后打扁，填充支撑结构，实现平板热管的制造。然而，存在工质回流路径长、回流渗透阻力大、制造工艺复杂、成本高等问题，易导致平板热管整体传热性能的恶化。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种结构简单、抗压性能好、工质回流路径短、回流渗透阻力小的具有多槽道烧结支撑结构的平板热管及其制造方法。

本发明采用如下技术方案：

一种具有多槽道烧结支撑结构的平板热管，包括上金属盖板、下金属盖板，该上、下金属盖板密封连接形成腔体，该腔体内填充有液体工质；其特征在于：该上金属盖板内表面和下金属盖板的内表面分别铺设有薄层多孔结构，且该两薄层多孔结构之间还形成具有工质流道的多槽道烧结支撑结构，并分别构成上吸液芯和下吸液芯。

优选的，所述多槽道烧结支撑结构包括若干形成于下吸液芯的支撑柱，及若干对应形成于上吸液芯的圆柱孔，该支撑柱顶部设有嵌入对应上吸液芯的圆柱孔内并与上金属盖板内表面接触的圆柱凸台，且支撑柱上设有所述工质流道。

优选的，所述支撑柱与所述薄层多孔结构为一体成型，且所述若干支撑柱为垂直于所述下金属盖板内表面并均匀阵列分布。

优选的，所述工质流道为若干沿该支撑柱轴向延伸的槽道，该若干槽道为沿支撑柱外周分布，所述圆柱凸台位于该槽道上方。

优选的，所述槽道截面为矩形或梯形。

一种具有多槽道烧结支撑结构的平板热管的制造方法，用于制造上述的任一一种具有多槽道烧结支撑结构的平板热管，其特征在于，包括如下步骤：

1)通过机械加工方法制造出上吸液芯和下吸液芯相配合的具有工质流道的多槽道烧结支撑结构的第一烧结模具和第二烧结模具，该多槽道烧结支撑结构包括若干形成于下吸液芯的支撑柱，及若干对应形成于上吸液芯的圆柱孔；

2)选取两金属薄板作为上金属盖板和下金属盖板，上金属盖板的内表面为冷凝面，下金属盖板的内表面为蒸发面，且将下金属盖板加工成内表面具有凹腔；

3)将第一烧结模具与上金属盖板，第二模具与下金属盖板分别组合构成空腔，选取金属粉末颗粒分别填充至两空腔内；

4)将填充后的第一烧结模具与上金属盖板，第二模具与下金属盖板分别进行固相烧结后，将第一烧结模具和第二烧结模具拔出，得到的上金属盖板和下金属盖板内表面分别具有上吸液芯和下吸液芯，且该上吸液芯和下吸液芯之间构成具有工质流道的多槽道烧结支撑结构；

5)将上金属盖板与下金属盖板通过焊接进行密封连接，并对其内部进行抽真空和灌注液体工质，最后封口。

优选的，在步骤2)中，所述的金属粉末颗粒为铜粉，其粒径为50μm-150μm。

优选的，在步骤3)中，所述的固相烧结步骤如下：先对烧结炉抽真空，再通入氮气进行保护；烧结的升温顺序为：以300-400℃/h的速度升温至400-500℃后保温20-40min，再以300-400℃/h的速度升温至850-1000℃后保温烧结30-90min；在温度高于400℃时改用氢气保护，以防氧化。

优选的，所述上金属盖板或下金属盖板的材质选用铜或铝。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明具有多槽道烧结支撑结构的吸液芯，大大提高了毛细压力，降低了液体回流的渗透阻力；烧结支撑柱四周设置的槽道不仅缩短了工质回流路径，而且为冷凝液体回流提供了更多的工质回流通道；可以实现汽-液两相的有效分离，从而减少了汽－液界面上的粘性剪切应力，从而显著提高平板热管的毛细极限、沸腾极限以及剪切极限，强化平板热管的传热性能；

(2)本发明的多槽道烧结支撑结构，由于下吸液芯是烧结形成的一体结构，下吸液芯与上吸液芯相嵌紧密配合，因此无论是外界施加压力，还是平板热管内空腔处于低压或高压的状态，都可以一定程度上防止平板热管内陷、或者脱焊开裂现象的产生。同时因为多槽道支撑柱是圆锥形支撑，所以支撑稳定性也显著提高；

(3)本发明的热管及其制作方法，由于液体工质可以通过支撑柱上的周向槽道及壁面的薄层多孔吸液芯结构从冷凝面快速回流到蒸发面，因此无论将该平板热管进行何种放置，均对蒸汽在冷凝面冷凝后的液体回流方向和速度大小影响很小，从而提高了该平板热管的工作稳定性、可靠性及其应用灵活性。

附图说明

图1为本发明的平板热管的爆炸示意图；

图2为本发明的平板热管的剖面示意图；

图3为蒸发面的下吸液芯示意图；

图4为支撑柱放大图；

图5为制造下吸液芯所使用的第二模具示意图；

图6为下吸液芯结构填粉剖面示意图；

图7为上吸液芯结构填粉剖面示意图；

其中：1、上金属盖板，11、第一注液口，2、下金属盖板，21、第二注液口，3、上吸液芯，31、圆柱孔，4、下吸液芯，41、支撑柱，411、圆柱凸台，412、槽道，5、第一模具，51、模具凸台，6、第二模具，61、凹槽，611、通孔。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参照图1至图4，一种具有多槽道烧结支撑结构的平板热管，包括上金属盖板1、下金属盖板2，该上、下金属盖板1、2通过焊接密封连接形成腔体，该腔体内填充有液体工质。该上金属盖板1内表面作为冷凝面，下金属盖板2的内表面作为蒸发面，并分别铺设有薄层多孔结构。该两薄层多孔结构之间还形成具有工质流道的多槽道烧结支撑结构，两薄层多孔结构与多槽道烧结支撑结构分别构成上吸液芯3和下吸液芯4。

多槽道烧结支撑结构包括若干形成于下吸液芯4的支撑柱41，及若干对应形成于上吸液芯3的圆柱孔31。若干支撑柱41均与薄层多孔结构为一体成型，并垂直于下金属盖板2的蒸发面并均匀阵列分布。该支撑柱41顶部设有嵌入对应的圆柱孔31内并与上金属盖板1内表面接触的圆柱凸台411。支撑柱41上还设有工质流道，该工质流道为若干沿该支撑柱41轴向延伸的槽道412，该若干槽道412为沿支撑柱41外周分布，并位于圆柱凸台411下方。

具体的，上金属盖板1和下金属盖板2为紫铜板、铝板所制，优选为T2紫铜材料，其厚度范围在0.5mm-1.5mm,优选1mm。其尺寸大小根据实际需求选择，此处优选73mm*73mm。该上金属盖板1、下金属盖板2经铣削加工在其内面形成一凹腔，凹腔的尺寸均选63mm*63mm。上吸液芯3和下吸液芯4的厚度为0.2mm-1mm，优选为0.5mm。上金属盖板1设有半圆的第一注液口11，下金属盖板2设有半圆的第二注液口21，上金属盖板1与下金属盖板2焊接密封后，第一注液口11与第二注液口21形成为抽真空和灌注液体工质的圆柱孔。

本发明的支撑柱41可以为圆柱或圆台或或棱台，优选为圆台结构，支撑柱41底部直径为6-8mm，顶部直径4-5mm，圆柱凸台411直径优选为4mm。支撑柱41的总高度1.5-4mm，优选3mm。支撑柱41的底部到顶部的高度优选2.5mm，顶端圆柱凸台411高度优选为0.5mm。支撑柱41的槽道412可以为矩形或梯形结构，优选为矩形，其横截面宽度优选为0.2-0.4mm，横截面高度优选为0.2-0.4mm。冷凝面的下吸液芯4上的圆柱孔31，直径优选为4mm，高度优选为0.5mm。

上、下吸液芯3、4采用铜粉颗粒通过固相烧结方式制成，金属粉末的颗粒形状为球形或不规则形；金属粉末颗粒粒径为50μm～150μm，根据实际需要，金属粉末颗粒直径可以在此范围内进行调整。

基于上述的平板热管，本发明还提出一种平板热管的制造方法，包括如下步骤：

1)采用机械加工制造出第一模具5和第二模具6。模具材质选用不锈钢，具体工艺过程为：在铣床上对不锈钢板材的六个面进行铣削，达到模具的尺寸要求，对于带有圆柱孔31的上吸液芯3，在不锈钢板上铣削加工出与圆柱孔31相配合的模具凸台51，得到第一模具5。参照图5，对于带有支撑柱41的下吸液芯4，把其中一块不锈钢板装夹到镗床上。首先，使用合适直径的刀具加工出通孔611，然后用镗刀加工出与凸台411适配的凹槽61结构，再将工件固定到插床上，调整好夹具与半成品模具之间的角度，插削加工出与槽道412适配的槽61，得到第二模具6。

2)选取两块经清洗除污、烘干的金属薄板分别作为平板热管的上金属盖板1和下金属盖板2，其中下金属盖板2为一块为经铣削加工制成内面具有凹腔的金属薄板，上金属盖板1为一块平板状的金属薄板；上金属盖板1的内表面为冷凝面，下金属盖板2的内表面为蒸发面。

3)取合适粒径(如75-100μm)的金属粉末颗粒分别填充第一门架5与上金属盖板1，第二模具6与下金属盖板2分别组成的空腔内，如图6和图7所示，使金属粉末充分填满空腔为止。填充时适时振荡模具，使铜球粉充分填充。将填充完毕的空腔盖实，保证金属粉末上端的平齐。为了减小模具在脱模时的阻力，避免吸液芯结构遭到破坏或者脱不掉模具，可以在模具内表面涂一层耐高温的脱模剂，或者对模具表面进行高温渗氮。

4)将填好铜粉的金属盖板放在支架上并固定，置于箱式气氛保护电阻炉中烧结，粉末烧结具体步骤：首先对烧结炉抽真空，然后通入氮气进行保护。烧结的升温程序为：以300-400℃/h的速度升温至400-500℃后保温20-40min，再以300-400℃/h的速度升温至850-1000℃后保温烧结30-90min；优选的升温程序为：以300-400℃/h的速度升温至400-450℃后保温25-35min，300-400℃/h的速度升温至900-1000℃后保温烧30-90min。在温度高于400℃时改用氢气保护，以防止样品氧化。

5)烧结完成后，炉冷至室温，取出支架，将蒸发面上、冷凝面上的第一模具5、第二模具6拔出，从而得到蒸发面上含支撑柱41与薄层多孔结构连成一体的下吸液芯4，以及冷凝面上设有圆柱孔31的薄层多孔结构的上吸液芯3。

6)将上金属盖板1与下金属盖板2通过钎焊进行密封连接，焊接完成后利用真空设备对平板热管进行抽真空,抽真空过程应保证环境洁净无尘。抽真空完成后,对液体工质进行除气,然后向平板热管内部灌注工质，并封口，从而得到具有多槽道烧结支撑柱41的平板热管。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (9)

1.一种具有多槽道烧结支撑结构的平板热管，包括上金属盖板、下金属盖板，该上、下金属盖板密封连接形成腔体，该腔体内填充有液体工质；其特征在于：该上金属盖板内表面和下金属盖板的内表面分别铺设有薄层多孔结构，且该两薄层多孔结构之间还形成具有工质流道的多槽道烧结支撑结构，并分别构成上吸液芯和下吸液芯。

2.如权利要求1所述的一种具有多槽道烧结支撑结构的平板热管，其特征在于：所述多槽道烧结支撑结构包括若干形成于下吸液芯的支撑柱，及若干对应形成于上吸液芯的圆柱孔，该支撑柱顶部设有嵌入对应上吸液芯的圆柱孔内并与上金属盖板内表面接触的圆柱凸台，且支撑柱上设有所述工质流道。

3.如权利要求2所述的一种具有多槽道烧结支撑结构的平板热管，其特征在于：所述支撑柱与所述薄层多孔结构为一体成型，且所述若干支撑柱为垂直于所述下金属盖板内表面并均匀阵列分布。

4.如权利要求2所述的一种具有多槽道烧结支撑结构的平板热管，其特征在于：所述工质流道为若干沿该支撑柱轴向延伸的槽道，该若干槽道为沿支撑柱外周分布，所述圆柱凸台位于该槽道上方。

5.如权利要求4所述的一种具有多槽道烧结支撑结构的平板热管，其特征在于:所述槽道截面为矩形或梯形。

6.一种具有多槽道烧结支撑结构的平板热管的制造方法，用于制造权利要求1至5所述的任一一种具有多槽道烧结支撑结构的平板热管，其特征在于，包括如下步骤：

1)通过机械加工方法制造出上吸液芯和下吸液芯相配合的具有工质流道的多槽道烧结支撑结构的第一烧结模具和第二烧结模具，该多槽道烧结支撑结构包括若干形成于下吸液芯的支撑柱，及若干对应形成于上吸液芯的圆柱孔；

2)选取两金属薄板作为上金属盖板和下金属盖板，上金属盖板的内表面为冷凝面，下金属盖板的内表面为蒸发面，且将下金属盖板加工成内表面具有凹腔；

3)将第一烧结模具与上金属盖板，第二模具与下金属盖板分别组合构成空腔，选取金属粉末颗粒分别填充至两空腔内；

4)将填充后的第一烧结模具与上金属盖板，第二模具与下金属盖板分别进行固相烧结后，将第一烧结模具和第二烧结模具拔出，得到的上金属盖板和下金属盖板内表面分别具有上吸液芯和下吸液芯，且该上吸液芯和下吸液芯之间构成具有工质流道的多槽道烧结支撑结构；

5)将上金属盖板与下金属盖板通过焊接进行密封连接，并对其内部进行抽真空和灌注液体工质，最后封口。

7.如权利要求6所述的一种平板热管的制造方法，其特征在于：在步骤2)中，所述的金属粉末颗粒为铜粉，其粒径为50μm-150μm。

8.如权利要求6所述的一种平板热管的制造方法，其特征在于：在步骤3)中，所述的固相烧结步骤如下：先对烧结炉抽真空，再通入氮气进行保护；烧结的升温顺序为：以300-400℃/h的速度升温至400-500℃后保温20-40min，再以300-400℃/h的速度升温至850-1000℃后保温烧结30-90min；在温度高于400℃时改用氢气保护，以防氧化。

9.如权利要求6所述的一种平板热管的制造方法，其特征在于：所述上金属盖板或下金属盖板的材质选用铜或铝。