CN109443060A - 一种超薄平板热管及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及散热装置的技术领域，更具体地，涉及一种超薄平板热管及其制造工艺，包括扣合封装的底板和盖板，所述底板设有内置有若干平行设置的毛细结构的凹腔，相邻的毛细结构之间形成有用于热管工质流动的气体流动槽道，所述毛细结构包括若干平行设置的液体流动槽道。气体工质在气体流动槽道中流动，液体工质在毛细结构中流动，实现工质的气液分离，减小流动的阻力，提高热管的传热极限；且本发明结构简单、制作简单，可实现工业流水线生产，同时具有较强的传热能力，热管的厚度小，能够满足狭窄空间的电子器件的散热，满足电子元器件集成化、微型化的需求，具有较好的实用性和适用性。
Description
技术领域
本发明涉及散热装置的技术领域，更具体地，涉及一种超薄平板热管及其制造工艺。
背景技术
进入21世纪来，电子技术和信息产业快速发展，电子器件的微型化、集成化已经成为当今电子技术发展的趋势，电子芯片的高集成、高封装密度以及高工作频率使得芯片的温度快速升高。有研究表明，电子元件的损坏率与工作温度呈正相关，当电子器件长时间处于高温工作状态，其可靠性会出现明显下降。据统计，约55％的电子器件的失效都是由温度过高引起的。电子器件的正常工作温度范围一般为-5℃~65℃，超过这个范围，电子元件的性能就会显著下降。有研究表明，单个半导体元件的温度每超过额定工作温度10℃，系统可靠性就会降低约50%。可见，电子设备的使用寿命和电子设备的散热效果紧密相关。传统的散热方式包括工程塑料散热、外加金属翅片散热、风冷以及水冷散热，但是常规的散热方式存在散热能力差、体积大的缺点，水冷散热还存在毁坏设备的风险。
热管作为一种高效的相变传热工具，由于其具有高导热性、优异的均温性能、运行可靠性等特点，被广泛应用在能源、航空、电子元件等领域的散热。在热管的发展上出现了各种不同形式的热管如平板热管、圆柱热管、脉动热管、环路热管等等。然而，圆柱热管、脉动热管、环路热管占据体积较大，无法满足电子器件集成化、微型化的需要；平板热管在实际生产工艺中一般分为圆柱热管压扁和上下板焊接两种形式，前者的应用由于压扁宽度而受到限制，后者虽可根据实际应用条件灵活设计和制作，但是其相对厚度较大，厚度小的结构难以实现产业化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超薄平板热管及其制造工艺，以毛细芯为核心部件，采用烧结多孔槽道配合烧结丝网，实现工质的气液分离，有效提高热管的性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种超薄平板热管，包括扣合封装的底板和盖板，所述底板设有内置有若干平行设置的毛细结构的凹腔，相邻的毛细结构之间形成有用于热管工质流动的气体流动槽道，所述毛细结构包括若干平行设置的液体流动槽道。
本发明的超薄平板热管，毛细结构的设置一方面能够提供较大的毛细力，一方面能够作为平板热管的内部支撑结构，防止热管出现塌陷和变形；将毛细结构置于凹腔内的设置能够减小平板热管的厚度；气体工质在气体流动槽道中流动，液体工质在毛细结构中流动，实现工质的气液分离，减小流动的阻力，提高热管的传热极限；且本发明结构简单、制作简单，可实现工业流水线生产，同时具有较强的传热能力，热管的厚度小，能够满足狭窄空间的电子器件的散热，满足电子元器件集成化、微型化的需求，具有较好的实用性和适用性。
进一步地，若干液体流动槽道流通设有用于抽真空和填充工质的充液口，所述充液口连通设有充液管，所述充液管的尾部密封设置。通过充液口和充液管的设置易于进行抽真空和填充工质的操作。
进一步地，所述充液口突出于平板热管的端部设置。这样设置有利于充液管的防止以及后续的焊接封装操作。
进一步地，所述毛细结构包括丝网结构以及多孔结构，所述丝网结构烧结于凹腔底面，所述多孔结构烧结于丝网结构上。
进一步地，所述多孔结构包括若干由金属材料烧结得到的条状结构，所述金属材料选自铜粉、镍粉中的一种或其组合；所述条状结构的上表面与盖板的下表面贴紧设置，相邻的条状结构之间形成有液体流动槽道。采用丝网复合多孔槽道结构实现工质的气液分流，减少流动的阻力，实现工质在径向的流动；相比于单一结构，复合结构的毛细结构在轴向能够提供更大的毛细力，提高热管的传热极限。
进一步地，所述盖板、底板、充液管为由硬质金属材料加工制成的金属结构，所述硬质金属材料选自铜、铝、不锈钢中的一种或多种的合金。金属结构的设置一方面赋予平板热管较好的导热散热性能，一方面赋予平板热管较好的延展性和加工性能，易于实现工业生产。
本发明还提供了一种超薄平板热管的制造工艺，包括以下步骤：
S10. 在底板上蚀刻凹腔；
S20. 将丝网放置在底板的凹腔内，并在喷射酒精后用石墨板压紧使丝网与底板紧密贴合，并将其置于充满惰性气体的烧结炉中进行一次烧结；
S30. 将步骤S20中烧结的底板自然冷却后进行烧结粉末填充，并将其置于充满惰性气体的烧结炉中进行二次烧结形成气体流动槽道和液体流动槽道；
S40. 将盖板与底板相对而置并进行封装；
S50. 将热管抽真空并填充工质，并对充液管的尾部进行密封。
本发明的超薄平板热管的制造工艺，经两次烧结获得的毛细结构一方面能够提供较大的毛细力，一方面能够作为平板热管的内部支撑结构，防止热管出现塌陷和变形；且设置有气体流动槽道和液体流动槽道，实现工质的气液分离，减小流动的阻力，提高热管的传热极限。
优选地，步骤S10中，所述凹腔的深度为0.8mm~1.5mm，所述蚀刻工艺包括以下步骤：
S11. 对底板表面进行预处理，除去金属蚀刻表面的油污及氧化膜；
S12. 对步骤S11预处理后的底板表面丝网印刷得到蚀刻图案；
S13. 通过化学蚀刻溶液的化学作用对步骤S12的刻蚀图案部位进行腐蚀，所述化学蚀刻溶液为百分含量为30%~40%的三氯化铁溶液，蚀刻溶液的温度为40℃~50℃，所述蚀刻时间根据需要的蚀刻深度确定，一般调整到蚀刻速度为0.03 mm/min ~0.05mm/min；为提高蚀刻速率，可在三氯化铁溶液中加入百分含量为2%~8%的盐酸以抑制三氯化铁的水解。
S14. 对底板进行后处理以去除丝印油墨。
采用蚀刻的方式在底板上获得凹腔，并将毛细结构置于凹腔内，能够减小的平板热管的厚度，实现平板热管的超薄化，满足狭窄空间的电子器件的散热，满足电子元器件集成化、微型化的需要。
优选地，步骤S30中，借助模具进行烧结粉末填充，所述模具设有用于充入烧结粉末的进料孔以及用于形成多个粉末通道的凸棱，利用高压气体将烧结粉末充入相邻凸棱之间形成的粉末通道中，粉末通道内的烧结粉末经二次烧结后形成槽状结构，相邻的槽状结构之间即形成气体流动槽道。利用模具能够在底板上形成排列规整的多孔结构以及流动槽道结构，可实现快速填粉，提高生产效率；且操作简单，易于实现工业流水线生产。
优选地，步骤S40中，所述封装包括：采用锡膏高温焊接方式将底板与盖板焊接，利用高周波高温焊接填充充液管和充液口之间的间隙，将充液管的尾部夹扁采用点焊的方式进行密封。采用焊接或烧结实现平板热管的封装，制作工艺简单，制作成本低廉，易于实现工业产线的量产。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明毛细结构的设置一方面能够提供较大的毛细力，提高热管的传热极限；一方面能够作为平板热管的内部支撑结构，防止热管出现塌陷和变形；将毛细结构置于凹腔内的设置能够减小平板热管的厚度，易于实现超薄平板热管的超薄化；
（2）本发明的气体工质在气体流动槽道中流动，液体工质在毛细结构中流动，实现工质的气液分离，减小流动的阻力，提高热管的传热极限；
（3）本发明结构简单、制作简单，可实现工业流水线生产，同时具有较强的传热能力，热管的厚度小，能够满足狭窄空间的电子器件的散热，满足电子元器件集成化、微型化的需求，具有较好的实用性和适用性。
附图说明
图1为本发明的超薄平板热管的结构示意图。
图2为本发明的超薄平板热管的底板和盖板的结构示意图。
图3为超薄平板热管填充烧结粉末所用模具和扣合方式的结构示意图。
图4为本发明的超薄平板热管的轴向结构示意图。
图5为本发明的超薄平板热管的径向结构示意图。
附图中：1-盖板；2-底板；3-丝网结构；4-多孔结构；5-充液口；6-充液管；7-气体流动槽道；8-模具；81-进料孔；82-凸棱。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例一
如图1至图5所示为本发明的超薄平板热管的第一实施例，包括扣合封装的底板2和盖板1，底板2设有内置有若干平行设置的毛细结构的凹腔，相邻的毛细结构之间形成有用于热管工质流动的气体流动槽道7，毛细结构包括若干平行设置的液体流动槽道。
本实施例在实施时，毛细结构的设置一方面能够提供较大的毛细力，一方面能够作为平板热管的内部支撑结构，防止热管出现塌陷和变形；将毛细结构置于凹腔内的设置能够减小平板热管的厚度；气体工质在气体流动槽道7中流动，液体工质在毛细结构中流动，实现工质的气液分离，减小流动的阻力，提高热管的传热极限。
如图1、图2所示，若干液体流动槽道7流通设有用于抽真空和填充工质的充液口5，充液口5连通设有充液管6，充液管6的尾部密封设置；通过充液口5和充液管6的设置易于进行抽真空和填充工质的操作。其中，充液口5突出于平板热管的端部设置，有利于充液管6的防止以及后续的焊接封装操作。
如图2所示，毛细结构包括丝网结构3以及多孔结构4，丝网结构3烧结于凹腔底面，多孔结构4烧结于丝网结构3上。其中，多孔结构4包括若干由金属材料烧结得到的条状结构，金属材料选自铜粉、镍粉中的一种或其组合；条状结构的上表面与盖板1的下表面贴紧设置，相邻的条状结构之间形成有液体流动槽道。采用丝网复合多孔槽道结构实现工质的气液分流，减少流动的阻力，实现工质在径向的流动；相比于单一结构，复合结构的毛细结构在轴向能够提供更大的毛细力，提高热管的传热极限。
本实施例中的盖板1、底板2、充液管6为由硬质金属材料加工制成的金属结构，硬质金属材料选自铜、铝、不锈钢中的一种或多种的合金，一方面赋予平板热管较好的导热散热性能，一方面赋予平板热管较好的延展性和加工性能，易于实现工业生产。
实施例二
本实施例为超薄平板热管的制造工艺的实施例，包括以下步骤：
S10. 在底板2上蚀刻凹腔；
S20. 将丝网放置在底板2的凹腔内，并在喷射酒精后用石墨板压紧使丝网与底板2紧密贴合，并将其置于充满惰性气体的烧结炉中进行一次烧结；
S30. 将步骤S20中烧结的底板2自然冷却后进行烧结粉末填充，并将其置于充满惰性气体的烧结炉中进行二次烧结形成气体流动槽道7和液体流动槽道；
S40. 将盖板1与底板2相对而置并进行封装；
S50. 将热管抽真空并填充工质，并对充液管6的尾部进行密封。
其中，步骤S10中，凹腔的深度为0.8mm~1.5mm，蚀刻工艺包括以下步骤：
S11. 对底板2表面进行预处理，除去金属蚀刻表面的油污及氧化膜；
S12. 对步骤S11预处理后的底板2表面丝网印刷得到蚀刻图案；
S13. 通过化学蚀刻溶液的化学作用对步骤S12的刻蚀图案部位进行腐蚀，所述化学蚀刻溶液为百分含量为30%~40%的三氯化铁溶液，蚀刻溶液的温度为40℃~50℃，所述蚀刻时间根据需要的蚀刻深度确定，一般调整到蚀刻速度为0.03 mm/min ~0.05mm/min；为提高蚀刻速率，可在三氯化铁溶液中加入百分含量为2%~8%的盐酸以抑制三氯化铁的水解；
S14. 对底板2进行后处理以去除丝印油墨。
采用蚀刻的方式在底板2上获得凹腔，并将毛细结构置于凹腔内，能够减小的平板热管的厚度，实现平板热管的超薄化，满足狭窄空间的电子器件的散热，满足电子元器件集成化、微型化的需要。
如图3所示，步骤S30中，借助模具8进行烧结粉末填充，模具8设有用于充入烧结粉末的进料孔81以及用于形成多个粉末通道的凸棱82，利用高压气体将烧结粉末充入相邻凸棱82之间形成的粉末通道中，粉末通道内的烧结粉末经二次烧结后形成槽状结构，相邻的槽状结构之间即形成气体流动槽道7。利用模具8能够在底板2上形成排列规整的多孔结构4以及流动槽道结构，可实现快速填粉，提高生产效率；且操作简单，易于实现工业流水线生产。
步骤S40中，封装包括：采用锡膏高温焊接方式将底板2与盖板1焊接，利用高周波高温焊接填充充液管6和充液口5之间的间隙，将充液管6的尾部夹扁采用点焊的方式进行密封。采用焊接或烧结实现平板热管的封装，制作工艺简单，制作成本低廉，易于实现工业产线的量产。
本实施例实施时，热管在一端加热后，腔内的工质由于处于负压情况下，沸点降低，更容易汽化，汽化的工质通过气体流动槽道流动到冷凝段，气态工质放出热量，且冷凝为液体落到毛细芯上，通过复合毛细芯实现了液态工质在轴向和径向的流动，工质回到热源区后重复汽化-冷凝-回流过程，形成循环。
本发明的超薄平板热管及其制造工艺适用于电子设备的冷却，包括常规的电脑芯片冷却、LED灯或其他高温芯片领域，同时还可应用于航空设备、电动车电池、医疗设备的冷却。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超薄平板热管，其特征在于，包括扣合封装的底板和盖板，所述底板设有内置有若干平行设置的毛细结构的凹腔，相邻的毛细结构之间形成有用于气态工质流动的气体流动槽道，所述毛细结构包括若干平行设置的液体流动槽道。
2.根据权利要求1所述的超薄平板热管，其特征在于，若干液体流动槽道流通设有用于抽真空和填充工质的充液口，所述充液口连通设有充液管，所述充液管的尾部密封设置。
3.根据权利要求2所述的超薄平板热管，其特征在于，所述充液口突出于平板热管的端部设置。
4.根据权利要求2所述的超薄平板热管，其特征在于，所述毛细结构包括丝网结构以及多孔结构，所述丝网结构烧结于凹腔底面，所述多孔结构烧结于丝网结构上。
5.根据权利要求4所述的超薄平板热管，其特征在于，所述多孔结构包括若干由金属材料烧结得到的条状结构，所述金属材料选自铜粉、镍粉中的一种或其组合；所述条状结构的上表面与盖板的下表面贴紧设置，所述液体流动槽道设于相邻的条状结构之间。
6.根据权利要求2至5任一项所述的超薄平板热管，其特征在于，所述盖板、底板、充液管为由硬质金属材料加工制成的金属结构，所述硬质金属材料选自铜、铝、不锈钢中的一种或多种的合金。
7.一种超薄平板热管的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S10. 在底板上蚀刻凹腔；
S20. 将丝网放置在底板的凹腔内，并在喷射酒精后用石墨板压紧使丝网与底板紧密贴合，并将其置于充满惰性气体的烧结炉中进行一次烧结；
S30. 将步骤S20中烧结的底板自然冷却后进行烧结粉末填充，并将其置于充满惰性气体的烧结炉中进行二次烧结形成气体流动槽道和液体流动槽道；
S40. 将盖板与底板相对而置并进行封装；
S50. 将热管抽真空并填充工质，并对充液管的尾部进行密封。
8.根据权利要求7所述的超薄平板热管的制造工艺，其特征在于，步骤S10中，所述凹腔的深度为0.8mm~1.5mm，所述蚀刻工艺包括以下步骤：
S11. 对底板表面进行预处理，除去金属蚀刻表面的油污及氧化膜；
S12. 对步骤S11预处理后的底板表面丝网印刷得到蚀刻图案；
S13. 通过化学蚀刻溶液的化学作用对步骤S12的刻蚀图案部位进行腐蚀，所述化学蚀刻溶液为百分含量为30%~40%的三氯化铁溶液，蚀刻溶液的温度为40℃~50℃，所述蚀刻速率为0.03 mm/min ~0.05mm/min；
S14. 对底板进行后处理以去除丝印油墨。
9.根据权利要求8所述的超薄平板热管的制造工艺，其特征在于，步骤S30中，借助模具进行烧结粉末填充，所述模具设有用于充入烧结粉末的进料孔以及用于形成多个粉末通道的凸棱，利用高压气体将烧结粉末充入相邻凸棱之间形成的粉末通道中，粉末通道内的烧结粉末经二次烧结后形成槽状结构，相邻的槽状结构之间即形成气体流动槽道。
10.根据权利要求8所述的超薄平板热管的制造工艺，其特征在于，步骤S40中，所述封装包括：采用锡膏高温焊接方式将底板与盖板焊接，利用高周波高温焊接填充充液管和充液口之间的间隙，将充液管的尾部夹扁采用点焊的方式进行密封。
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