CN113465429A - 一种超轻高性能铜铝复合均热板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开提供了一种超轻高性能铜铝复合均热板及其制备方法，均热板包括上壳板、下壳板、冷凝端吸液芯、蒸发端吸液芯、注液管和支撑柱，上壳板的中部凹陷形成凹腔和位于凹腔四周的凸缘，上壳板的凸缘和下壳板的边缘相互贴合且密封连接，上壳板的凸缘设有注液口，注液口与凹腔连通，注液管位于注液口内，注液管与注液口之间密封连接，冷凝端吸液芯位于凹腔内且与上壳板连接，蒸发端吸液芯与下壳板连接，多个支撑柱分布于凹腔内，支撑柱穿过冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯，支撑柱的上下两端分别与上壳板和下壳板连接，液体工质通过注液管填充于凹腔内。相比纯铜均热板具有质量轻、成本低等特点；相比铝均热板具有传热性能好，抗重力性能好等特点。
Description
技术领域
本发明涉及集成电子器件散热技术领域，特别涉及一种超轻高性能铜铝复合均热板。
背景技术
随着微电子、光电、航天航空领域不断朝着高性能化和高集成度的方向发展，电子芯片的功耗日益增加，高性能微处理器热流密度可达100～1000W/cm2，特别是在电子设备整体结构轻薄化、紧凑化的发展趋势下，电子元器件的散热问题日益凸显。利用相变传热技术是解决当前电子设备在狭小空间内高热流密度问题的理想方案。相变传热元件是一种热超导元件，其利用真空腔体中液-气相变潜热实现高效换热，并依靠内部毛细结构实现液体回流，维持液-气自循环。均热板作为一种二维的相变传热元件，正逐步应用在航空航天、电子通讯、高铁动车等高性能电子元件上。
目前大多是常用为铜均热板，因为铜具有较好的机械加工性、高热导率以及化学惰性(与水、丙酮和乙醇等工质均不反应)。此外，铜吸液芯包括沟槽、多孔烧结和复合式等结构的加工技术已较为成熟，尤其是多孔烧结吸液芯，具有优异的毛细性能，用在均热板中传热性能优异。然而，由于铜密度较大，纯铜均热板难以适应航空航天领域质量轻、体积小的要求。铝均热板具备质量轻、导热率高、材料来源广泛、成本低等特点，但是目前铝均热板极少大量应用在航天航空领域。这是因为铝均热板封装极其困难并且制造成本高，更重要的是，多孔吸液芯结构难以加工到铝壳板上，而沟槽吸液芯毛细力小，在航天航空领域完全失重状态无法完成液体自回流，进而导致均热板传热性能大幅度降低，难以满足高功率航天器件散热需求。
因此，针对航天航空领域电子设备利用相变传热技术实现高效散热的同时，还对抗重力和重量提出新的要求，亟需提出具有优异传热性能，同时重量低，抗重力性能好的均热板，以实现在航天航空领域高热流密度有效热管理。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超轻高性能铜铝复合均热板，解决了现有铜均热板重量大而铝均热板传热性能和抗重力性能较差无法适应航空航天领域电子设备散热问题。
本发明的另一目的在于，提供一种上述超轻高性能铜铝复合均热板的制备方法。
本发明的技术方案为：一种超轻高性能铜铝复合均热板，包括上壳板、下壳板、冷凝端吸液芯、蒸发端吸液芯、注液管和支撑柱，上壳板的中部凹陷形成凹腔和位于凹腔四周的凸缘，上壳板的凸缘和下壳板的边缘相互贴合且密封连接，上壳板的凸缘设有注液口，注液口与凹腔连通，注液管位于注液口内，注液管与注液口之间密封连接，冷凝端吸液芯位于凹腔内且与上壳板连接，蒸发端吸液芯与下壳板连接，多个支撑柱分布于凹腔内，支撑柱穿过冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯，支撑柱的上下两端分别与上壳板和下壳板连接，液体工质通过注液管填充于凹腔内，密封注液管使凹腔密封。
进一步，所述上壳板和下壳板均采用铜铝复合板材制成，上壳板通过冲压、铣削、蚀刻或激光加工形成凹腔、凸缘和注液口。
进一步，所述上壳板和下壳板的板厚为0.5-2mm，铜层厚度为0.1～0.5mm，外形尺寸为50×50mm-120×120mm。
进一步，所述凹腔的深度为0.3-1.5mm，尺寸为42×42mm-108×108mm。
进一步，所述冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯由铜材料制成，通过丝网烧结、粉末烧结或者泡沫铜烧结成多孔结构，冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯通过点焊、线焊或者低温扩散焊至上壳板和下壳板，低温扩散焊的温度为260℃-300℃。
进一步，所述支撑柱的数量为4个以上，支撑柱材料为铜，支撑柱直径为1-5mm，分布间隔为1-10mm。
进一步，所述支撑柱表面覆盖一层多孔结构层或者粗糙表面。
进一步，所述支撑柱通过钎焊固定至上壳板和下壳板。
进一步，所述冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯均为板状，冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯的尺寸与凹腔的尺寸匹配，冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯均对应支撑柱设有多个让位孔。
本发明的另一技术方案为：上述超轻高性能铜铝复合均热板的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：采用铸轧工艺，加工出连接紧密的铜层厚度可控的铜铝复合板材，并通过铣削加工、蚀刻加工、激光加工或者冲压加工出设置有凹腔、凸缘和注液口的上壳板，下壳板为铜铝复合平板；
步骤S2：采用高温烧结或脱合金加工蒸发端吸液芯和冷凝端吸液芯，并采用激光加工在蒸发端吸液芯和冷凝端吸液芯上对应支撑柱位置设置让位孔；
步骤S3：采用点焊、线焊或者扩散焊将冷凝端吸液和蒸发端吸液芯分别固定至上壳板和下壳板；
步骤S4：采用铣削、蚀刻、激光加工等方式加工出多个支撑柱，支撑柱表面烧结一层多孔结构层，或采用激光加工或超声加工使支撑柱表面粗糙；
步骤S5：支撑柱穿过蒸发端吸液芯和冷凝端吸液芯上的让位孔，并通过钎焊分别与上壳板和下壳板固定连接；
步骤S6：将上壳板的凸缘和下壳板的边缘贴合并密封连接，注液管放置于注液口内，注液管与注液口之间密封连接，接着抽真空使上壳板和下壳板内的压力降为10Pa以下，液体工质通过注液管注射至凹腔内的冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯，注射完毕后，焊接密封注液管。
本发明的超轻高性能铜铝复合均热板的工作原理：下壳板作为蒸发端与外部热源接触，上壳板作为冷凝端与外部冷源接触，热量通过下壳板的铝-铜层传递至蒸发端吸液芯，并促使浸润在吸液芯中的液体工质相变，由于凹腔为高度真空，因此工质在较低壁面温度下即发生相变，并通过相变潜热带走大量热量；蒸汽快速扩散至整个腔体，并在冷凝端的毛细结构上冷却液化，通过气-液相变将热量传递至上壳板，并被上壳板外部的冷源带走；冷凝端液化工质受吸液芯结构的毛细压力驱动，并通过支撑柱重新输运至蒸发端，完成液-气-液循环。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本发明的超轻高性能铜铝复合均热板，相比纯铜均热板具有质量轻、成本低等特点；相比于铝均热板具有传热性能好，抗重力性能好，能够满足航空航天无重力环境下气液循环；采用水作为工质，工作时内部蒸气压小，在支撑柱作用下防止均热板受挤压造成的凹陷或者运行过程中内部蒸汽压过大导致的膨胀变形，同时支撑柱表面覆盖多孔结构层，能够辅助液体工质从冷凝端吸液芯回流至蒸发端吸液芯。
附图说明
图1为本发明的超轻高性能铜铝复合均热板的结构示意图。
图2为本发明的超轻高性能铜铝复合均热板的分解图。
图3为本发明的超轻高性能铜铝复合均热板的剖视图。
上壳板1、注液口11、凸缘12、下壳板2、冷凝端吸液芯3、蒸发端吸液芯4、注液管5、支撑柱6、让位孔7。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例提供了一种超轻高性能铜铝复合均热板，包括上壳板1、下壳板2、冷凝端吸液芯3、蒸发端吸液芯4、注液管5和支撑柱6。
如图1和图2所示，上壳板和下壳板均采用铜铝复合板材制成，上壳板的中部凹陷形成凹腔和位于凹腔四周的凸缘12，下壳板为平板，上壳板的凸缘和下壳板的边缘相互贴合且密封连接，上壳板的凸缘设有注液口11，注液口与凹腔连通，注液管位于注液口内，注液管与注液口之间密封连接；冷凝端吸液芯位于凹腔内且与上壳板连接，蒸发端吸液芯与下壳板连接，多个支撑柱分布于凹腔内，支撑柱穿过冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯，支撑柱的上下两端分别与上壳板和下壳板连接，液体工质通过注液管填充于凹腔内，密封注液管使凹腔密封。
在本实施例中，上壳板通过铸轧工艺制造铜铝复合板材，板厚为1mm，尺寸为120×120mm，上壳板通过冲压形成凹腔和注液口，凹腔深度为0.8mm，尺寸为108×108mm；支撑柱的数量为16个，支撑柱直径为3mm，支撑柱表面通过960℃高温烧结一层铜粉多孔结构层，支撑柱的分布间隔为21mm。注液管采用铜材料制成，注液管直径为3mm。下壳板与上壳板制造工艺和尺寸一样。在其它实施例中，也可为通过激光加工使支撑柱表面粗糙。
如图2和图3所示，冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯均为板状，冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯的尺寸与凹腔的尺寸匹配，冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯均对应支撑柱设有多个让位孔7。蒸发端吸液芯和冷凝端吸液芯均为3层200目丝径为0.05mm的丝网经过850℃高温烧结而成。蒸发端吸液芯与下壳板之间、和冷凝端吸液芯与上壳板之间均通过300℃低温扩散焊面焊接连接。采用扩散焊使冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯的表面分别与上壳板和下壳板的表面进行面焊接，固定效果好，上壳板与下壳板密封连接，支撑柱通过低温焊料在250℃下与上壳板和下壳板密封固定连接。
上述超轻高性能铜铝复合均热板的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：通过铸轧工艺成形铜铝复合板材，总体厚度为1mm，铜层厚度为0.3mm，预制第一模具，选取第一模具对上壳板进行冲压，得到0.8mm×108mm×108mm凹腔和注液口；
步骤S2：对吸液芯进行加工，将三层200目丝径为0.05mm的丝网通过石墨模具均匀压力在850℃保护气体中高温烧结，得到丝网吸液芯结构层，并通过激光加工裁剪成108mm×108mm，并通过激光加工留出让位孔，作为蒸发端和冷凝端吸液芯；
步骤S3：将冷凝端吸液芯与蒸发端吸液芯分别与上壳板和下壳板进行300℃真空高压力扩散焊接，将丝网吸液芯烧结在上壳板和下壳板表面；
步骤S4：采用铣削加工出直径为3mm的铜支撑柱，并通过石墨模具将支撑柱的圆柱弧形表面烧结一层铜粉，烧结温度为850℃；
步骤S5：将上壳板的凸缘和下壳板的边缘处涂抹焊料，且让位孔位置处涂抹焊料，采用模具紧密压紧上壳板和下壳板四周使得上壳板的凸缘与下壳板紧密贴合，支撑柱穿过让位孔与上壳板和下壳板紧密贴合，支撑柱的上下两端分别涂抹焊料；
步骤S6：整体放入还原气体烧结炉中，充入还原性气氛(95％氮气和5％氢气)并升温至250℃，待焊料层完全熔化，停止加热并冷却；抽真空使上壳板和下壳板内的压力降为5Pa以下，液体工质通过注液管注射至凹腔内，在本实施例中，灌入水作为液体工质，液体工质占满丝网吸液芯孔隙的80％～100％，注液完成后，依次采用冷焊和氩弧焊密封注液管。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，支撑柱表面采用激光烧结加工多孔结构层，蒸发端吸液芯和冷凝端吸液芯为200目枝状铜粉960℃高温烧结而成，冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯的四周通过钎焊分别与上壳板和下壳板连接。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，上壳板的板厚为0.5mm，铜层厚度为0.1mm，尺寸为50×50mm，上壳板通过冲压成型凹腔的深度为0.3mm，尺寸为42×42mm；支撑柱直径为1mm，共四个支撑柱，分布间隔为14mm。注液管采用铜材料制成，注液管直径为2mm。下壳板的板厚为0.5mm，尺寸为50×50mm。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，上壳板的板厚为2mm，铜层厚度为0.5mm，尺寸为120×120mm，上壳板的凹腔通过冲压成型深度为1.5mm，尺寸为108×108mm；支撑柱直径为4mm，共16个支撑柱，分布间隔为21mm。注液管采用铜材料制成，注液管直径为4mm。下壳板的板厚为2mm，铜层厚度为0.5mm，尺寸为120×120mm。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (10)
1.一种超轻高性能铜铝复合均热板，其特征在于，包括上壳板、下壳板、冷凝端吸液芯、蒸发端吸液芯、注液管和支撑柱，上壳板的中部凹陷形成凹腔和位于凹腔四周的凸缘，下壳板为平板，上壳板的凸缘和下壳板的边缘相互贴合且密封连接，上壳板的凸缘设有注液口，注液口与凹腔连通，注液管位于注液口内，注液管与注液口之间密封连接，冷凝端吸液芯位于凹腔内且与上壳板连接，蒸发端吸液芯与下壳板连接，多个支撑柱分布于凹腔内，支撑柱穿过冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯，支撑柱的上下两端分别与上壳板和下壳板焊接连接，液体工质通过注液管填充于凹腔内，密封注液管使凹腔密封。
2.根据权利要求1所述的超轻高性能铜铝复合均热板，其特征在于，所述上壳板和下壳板均采用铜铝复合板材制成，上壳板通过冲压、铣削、蚀刻或激光加工形成凹腔、凸缘和注液口。
3.根据权利要求1所述的超轻高性能铜铝复合均热板，其特征在于，所述上壳板和下壳板的板厚为0.5-2mm，铜层厚度为0.1～0.5mm，外形尺寸为50×50mm-120×120mm。
4.根据权利要求1所述的超轻高性能铜铝复合均热板，其特征在于，所述凹腔的深度为0.3-1.5mm，尺寸为42×42mm-108×108mm。
5.根据权利要求1所述的超轻高性能铜铝复合均热板，其特征在于，所述冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯由铜材料制成，通过丝网烧结、粉末烧结或者泡沫铜烧结成多孔结构，冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯通过点焊、线焊或者低温扩散焊至上壳板和下壳板，低温扩散焊的温度为260℃-300℃。
6.根据权利要求1所述的超轻高性能铜铝复合均热板，其特征在于，所述支撑柱的数量为4个以上，支撑柱材料为铜，支撑柱直径为1-5mm，分布间隔为1-10mm。
7.根据权利要求1所述的超轻高性能铜铝复合均热板，其特征在于，所述支撑柱表面覆盖一层多孔结构层或者粗糙表面。
8.根据权利要求1所述的超轻高性能铜铝复合均热板，其特征在于，所述支撑柱通过钎焊固定至上壳板和下壳板。
9.根据权利要求1所述的超轻高性能铜铝复合均热板，其特征在于，所述冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯均为板状，冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯的尺寸与凹腔的尺寸匹配，冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯均对应支撑柱设有多个让位孔。
10.根据权利要求1-9任一所述的超轻高性能铜铝复合均热板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：采用铸轧工艺，加工出连接紧密的铜层厚度可控的铜铝复合板材，并通过铣削加工、蚀刻加工、激光加工或者冲压加工出设置有凹腔、凸缘和注液口的上壳板，下壳板为铜铝复合平板；
步骤S2：采用高温烧结或脱合金加工蒸发端吸液芯和冷凝端吸液芯，并采用激光加工在蒸发端吸液芯和冷凝端吸液芯上对应支撑柱位置设置让位孔；
步骤S3：采用点焊、线焊或者扩散焊将冷凝端吸液和蒸发端吸液芯分别固定至上壳板和下壳板；
步骤S4：采用铣削、蚀刻、激光加工等方式加工出多个支撑柱，支撑柱表面烧结一层多孔结构层，或采用激光加工或超声加工使支撑柱表面粗糙；
步骤S5：支撑柱穿过蒸发端吸液芯和冷凝端吸液芯上的让位孔，并通过钎焊分别与上壳板和下壳板固定连接；
步骤S6：将上壳板的凸缘和下壳板的边缘贴合并密封连接，注液管放置于注液口内，注液管与注液口之间密封连接，接着抽真空使上壳板和下壳板内的压力降为10Pa以下，液体工质通过注液管注射至凹腔内的冷凝端吸液芯和蒸发端吸液芯，注射完毕后，焊接密封注液管。
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