CN110160385B - 一种传热组件内部低温烧结的毛细结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种传热组件内部低温烧结的毛细结构及其制造方法，通过对传热组件内壁增加氧化层，来降低与毛细结构铜粉的烧结温度。具体技术方案：传热组件内壁设有一层氧化铜层，氧化铜层的厚度为0.5‑50微米。所达到的有益技术效果为：目前市场上的传热组件铜材内壁与铜粉烧结温度950‑1050℃，才可能形成良好的冶金结合，所以现在市场上使用的都是150µm左右或者更粗的不规则铜粉。该发明降低了铜粉与铜材内壁的烧结温度，粒径小于150µm铜粉也可以用于传热组件中，由于铜粉粒径减小可以带来铜粉层厚度降低，从而可以降低传热组件的厚度。

Description

一种传热组件内部低温烧结的毛细结构及其制造方法
技术领域
本发明属于粉末冶金领域和传热材料制造领域，具体涉及一种传热组件内部低温烧结的毛细结构及其制造方法。
背景技术
随着电子电气领域的快速发展，电子元件的工作效率效率大幅提升，集成度也显著增加，随之带来热密度大幅增加。如果电子元件的热量不能及时传导出去，将会严重影响其工作寿命和稳定性。现在公认最先进的导热技术是液冷传热技术。
液冷传热组件的结构：封闭真空腔体内壁有一层毛细结构材料，且含有运动流体，液体在吸热区受热挥发为气体，流向冷凝区，气体遇冷发生冷凝，并在毛细力的作用下回流到吸热区，这样热量被循环不断的传导出去。液冷传热组件中冷凝液体在毛细力的作用下回流到受热区，该毛细结构是影响传热组件导热能力的关键因素。
金、银、铜、钛是热导率高的金属，其中铜金属的热导率高，且价格低廉，是制造液冷传热组件的主要金属。液冷传热组件包括热导管，均热板等其各种形态的液冷传热组件。热导管制造过程中经常需要弯折、打扁，这就需要传热组件内壁与毛细结构的结合强度高，毛细结构自身烧结强度也高，并且都具有良好的韧性。液冷传热组件工作时，管壁与热源接触，然后将热量传输给铜毛细结构和液体，这也要求铜内壁与铜毛细结构形成良好的冶金结合。
目前市场上的传热组件内壁与铜粉烧结温度950-1050℃，才可以使铜内壁与铜粉或者铜网等形成良好的烧结颈。然而对于铜粉而言，要达到一定的烧结强度，铜粉粒径越粗，粉末形状越不规则，其对应的烧结温度越高，所以现在市场上使用的都是150um左右的不规则铜粉，这就限制了粒径小于150um铜粉的使用，也限制了铜粉在超薄传热组件中的应用。
图1-2为不同粒径的铜粉，在980℃烧结的毛细结构，测试其断裂强度、孔隙率和毛细力吸水通量，从图中可以看出，在不同粒径粉末在相同条件下进行烧结，粉末粒径越小，烧结后断裂强度越高，孔隙率越低。图3-4为市场常用铜粉在不同温度烧结的孔隙率和吸水速率，随着温度的升高，孔隙率和吸水速率降低，由此可见，降低传热组件内壁与铜粉的烧结温度是很有必要的。
发明内容
用于制作传热组件的铜管或者铜板都是使用无氧铜材质，其表面光洁且比表面积小，高温烧结时驱动力小，与铜粉烧结时需要接近铜熔点才能形成良好烧结颈。然而氧化铜在还原气氛中，500℃就会被还原，形成新鲜的铜表面，且氧化铜被还原是放热反应，所以被还原的新鲜铜表面与铜板内壁在较低烧结温度下就形成良好的冶金结合，也可以与毛细结构铜粉形成良好的冶金结合。
本发明要解决的技术问题是如何降低传热组件内壁与铜粉的烧结温度，本发明提供一种传热组件内部低温烧结的毛细结构，通过对传热组件内壁增加氧化层，来降低与毛细结构铜粉的烧结温度。具体技术方案：传热组件内壁设有一层氧化铜层，氧化铜层的厚度为0.5-50微米。
本发明还提供了一种传热组件内部低温烧结的毛细结构的制造方法：
步骤一：传热组件内壁做氧化处理，对表面氧化的方式不做限定。一种方式是可以在空气中低温氧化，也可以选择化学法、阳极氧化等，氧化层厚度一般0.5-50µm；第二种方式是在传热组件内壁涂布氧化铜粉，该氧化铜粉的制造方式不做限定，氧化铜粉粒径小于25µm，优选小于10µm，氧化铜粉末的氧含量3-20%之间，不做特别限定。
步骤二：氧化铜粉涂层可以先在还原气氛中烧结，烧结温度小于500℃，使氧化铜粉与铜内壁连接，也可以使高分子膏体干燥固化，达到铜粉涂层与传热组件内壁具有一定强度；
步骤三：进行传热组件毛细结构的制造，在传热组件内壁填充铜粉，然后进行烧结，烧结温度在850-950℃之间，烧结高温时间20-90min根据实际情况进行调整。烧结气氛在还原气氛中进行，如：H2和N2混合气，H2和Ar混合气，CO和N2混合气等。
更进一步地，步骤一中在传热组件涂布氧化铜粉时，可以使用涂刷，也可以制作成浆料，或者膏体等方式涂布在传热组件的内壁上。涂布的氧化铜粉层厚度根据需要进行调整，在满足烧结强度时应该尽量减少氧化铜粉涂层厚度，一来可以减少氧化铜粉的使用量，二来可以减小传热组件的厚度，有利于超薄传热组件的制造。涂层厚度一般小于50um，优选小于25um。
或者在空气中加热，对传热组件内壁进行表面氧化处理，处理温度低于300℃，也可以用化学法进行表面氧化。
本发明的技术原理为：用于制作传热组件的铜材表面光洁且比表面积小，高温烧结时驱动力小，与铜粉烧结时需要接近铜熔点才能形成良好的冶金结合，然而氧化铜500℃就会被还原形成新鲜的铜表面，且该还原是放热反应，所以被还原的铜粉能与铜材内壁和填充铜粉在较低烧结温度下（850-950℃）就形成良好的冶金结合。
本发明所达到的有益技术效果为：目前市场上的传热组件铜材内壁与铜粉烧结温度950-1050℃，才可能形成良好的冶金结合，所以现在市场上使用的都是150um左右或者更粗的不规则铜粉。该发明降低了铜粉与铜材内壁的烧结温度，粒径小于150um铜粉也可以用于传热组件中，由于铜粉粒径减小可以带来铜粉层厚度降低，从而可以降低传热组件的厚度。
附图说明
图1-4是现有技术中不同粒径的铜粉，在980℃烧结的毛细结构，测试其断裂强度、孔隙率和毛细力吸水通量的结果图。
具体实施方式
实施例1
首先，将粒径为10µm、含氧量为8%的氧化铜粉与高分子树脂混合制成浆料，在传热组件内壁上涂布在传热组件的内壁上，接着将传热组件在还原气氛中烧结，烧结温度为300℃，烧结时间为20分钟，以使涂层与传热组件内壁有一定强度，制得的涂层厚度为20µm，之后进行制造传热组件毛细结构的制造，在传热组件内壁填充粒径为150µm的铜粉，后进行烧结，烧结气氛H2和N2混合气烧结温度为950℃，烧结高温时间 60 分钟，烧结完成后即可制得传热组件，经弯折测试无铜粉脱落的状况孔隙率51.8%，吸水速率2.2mm/s。
实施例2
首先，将粒径为5µm、含氧量为20%的氧化铜粉与高分子树脂混合制成浆料，在传热组件内壁上涂布在传热组件的内壁上，接着将传热组件在还原气氛中固化，烧结温度为250℃，烧结时间为 30 分钟，以使涂层与传热组件内壁有一定强度，制得的涂层厚度为10µm，之后进行制造传热组件毛细结构的制造，在传热组件内壁填充粒径为100µm的铜粉，后进行烧结，烧结气氛H2和Ar混合气，烧结温度为900℃，烧结高温时间 60 分钟，烧结完成后即可制得传热组件，经弯折测试无铜粉脱落的状况，孔隙率53%，吸水速率2.3mm/s。
实施例3
首先，将粒径为10µm、含氧量为20%的氧化铜粉与高分子树脂混合制成浆料，在传热组件内壁上涂布在传热组件的内壁上，接着将传热组件在还原气氛中烧结，烧结温度为500℃，烧结时间为 60 分钟，以使涂层与传热组件内壁有一定强度，制得的涂层厚度为20µm，之后进行制造传热组件毛细结构的制造，在传热组件内壁填充粒径为80µm的铜粉，后进行烧结，烧结气氛CO和N2混合气，烧结温度为850℃，烧结高温时间 60 分钟，烧结完成后即可制得传热组件，经弯折测试无铜粉脱落的状况，孔隙率57%，吸水速率2.43mm/s。
实施例4
首先，将粒径为10µm、含氧量为20%的氧化铜粉与高分子树脂混合制成浆料，在散热组件内壁上涂布在散热组件的内壁上，接着将散热组件在还原气氛中烧结，烧结温度为 500℃，烧结时间为 60 分钟，以使涂层与散热组件内壁有一定强度，制得的涂层厚度为0.5µm，之后进行制造散热组件毛细结构的制造，在散热组件内壁填充粒径为100µm的铜粉，后进行烧结，烧结气氛CO和N2混合气，烧结温度为950℃，烧结高温时间20 分钟，烧结完成后即可制得散热组件，经弯折测试无铜粉脱落的状况，孔隙率49%，吸水速率2.07mm/s。
实施例5
首先，将粒径为10µm、含氧量为20%的氧化铜粉与高分子树脂混合制成浆料，在散热组件内壁上涂布在散热组件的内壁上，接着将散热组件在还原气氛中烧结，烧结温度为 500℃，烧结时间为 60 分钟，以使涂层与散热组件内壁有一定强度，制得的涂层厚度为50µm，之后进行制造散热组件毛细结构的制造，在散热组件内壁填充粒径为100µm的铜粉，后进行烧结，烧结气氛CO和N2混合气，烧结温度为850℃，烧结高温时间 90 分钟，烧结完成后即可制得散热组件，经弯折测试无铜粉脱落的状况孔隙率58.7%，吸水速率2.5mm/s。
实施例6
采用现有技术中的制造方法，将粒径为150µm的铜粉直接装入传热组件中在980℃下烧结，经弯折测试无铜粉脱落的状况。
实施例7
采用现有技术中的制造方法，将粒径为150µm的铜粉直接装入传热组件中在900℃下烧结，经弯折测试铜粉脱落严重。
实施例8
采用现有技术中的制造方法，将粒径为150µm的铜粉直接装入传热组件中在950℃下烧结，有少量样品出现粉末脱落。

Claims (6)

1.一种制造传热组件内部低温烧结的毛细结构的方法，包括以下步骤：
步骤一：通过涂布、化学法、或者阳极氧化的方法在传热组件的内壁增加一层氧化铜粉层；
步骤二：将步骤一得到的传热组件在还原气氛中烧结，烧结温度为250-300℃，烧结时间10-90min；
步骤三：传热组件毛细结构的制造，在传热组件内壁填充铜粉，后进行烧结，烧结温度在850-900℃之间，烧结高温时间20-90分钟。
2.根据权利要求1所述的制造传热组件内部低温烧结的毛细结构的方法，其特征在于步骤一中通氧化铜粉层的厚度小于50微米。
3.根据权利要求2所述的制造传热组件内部低温烧结的毛细结构的方法，其特征在于步骤一中通氧化铜粉层的厚度小于25微米。
4.根据权利要求3所述的制造传热组件内部低温烧结的毛细结构的方法，其特征在于采用涂布方法制造氧化铜粉层时，氧化铜粉的粒径小于25微米，氧化铜粉末的氧含量在3-20%。
5.根据权利要求4所述的制造传热组件内部低温烧结的毛细结构的方法，其特征在于采用涂布方法制造氧化铜粉层时，氧化铜粉的粒径小于10微米。
6.一种根据权利要求1-5中任一项所述的方法制备得到传热组件内部低温烧结的毛细结构，其特征在于传热组件内壁先设有一层氧化铜层，氧化铜层的厚度为0.5-50微米，在还原气氛中烧结后，在传热组件内壁填充铜粉，再经烧结，制得的成品。
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