CN114799174A - 一种铝vc复合均热板制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝VC复合均热板制备方法，步骤包括：铝VC均热板的结构设计；铝VC均热板的烧结成型；铝VC均热板的焊接成型；铝VC均热板充注；铝VC均热板封堵。本发明可以满足小空间点散热和大功率散热需求。
Description
技术领域
本发明涉及均热板制造技术，特别是一种铝VC复合均热板制备方法。
背景技术
机载电子设备对性能及小型化的要求越来越高，使得电子设备更多地采用高性能、微型化的电子器件。然而微型化电子器件的集成度、封装密度以及工作频率的不断提高，导致电子器件的热流密度迅速升高。电子器件的性能对温度非常敏感，温度过高或过低，元件性能将显著下降，不能稳定工作，从而也将影响整个电子设备的可靠运行，因此迫切需要采用高效散热技术来解决电子器件散热问题。
VC均热板是一种内部具有毛细结构的真空双相流液体装置。工作原理图见下图，它是由密封壳体、附着在壳体上的毛细层以及工质组成。均热板在工作时，腔内注入有特殊工作液体。利用内部工质受热或冷却时发生液相到气相或气相到液相的相变过程，吸收或释放大量的热来进行热量的快速传递，具有热导率高、均温性良好、重量轻的特点，在散热方面性能优于铝合金风冷冷板。
铝VC均热板的主要优点有以下几点：1、兼容液冷、风冷、自然散热等系统；2、设计灵活，可以结构件设计成一体，进行轻量化设计；3、提高热量传导效率；4、可实现小空间散热和点热扩散。铝VC均热板在以下几个方面有明显优势：军用密封机箱内的插件、射频放大电路组件壳体、高功率电源模块壳体、LED热扩展板等。
现有的VC均热板技术主要用于笔记本电脑、手机等小型高密度芯片的散热，采用的材质多为铜、不锈钢等重金属材料，一般而言这类VC均热板的体积小、重量大。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种可以满足小空间点散热和大功率散热需求的铝VC复合均热板制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种铝VC复合均热板制备方法，步骤包括：
1)铝VC均热板的结构设计；
2)铝VC均热板的烧结成型；
3)铝VC均热板的焊接成型；
4)铝VC均热板充注；
5)铝VC均热板封堵。
所述步骤2)具体为通过计算和仿真设计烧结层参数，所述烧结层参数包括孔径、孔隙率和厚度；选择烧结粉和造孔剂；混粉、真空烧结；去除造孔剂残留、烧结芯成型。
所述步骤2)中烧结材料氧化膜去除方式为：铝合金本体氧化膜采用化学清洗法进行处理，先将本体在碱液中清洗后，再在HNO3中清洗，然后在流动的清水中清洗干净后在真空干燥箱里烘干，并保证24小时之内进行烧结，烧结时在高压真空环境下对烧结粉进行氧化膜去除。
所述步骤2)中烧结压力和烧结温度的控制：烧结芯材料选用铝或者镍多孔材料，通过计算仿真得出不同烧结厚度下压力值，加压压力在20MPa～50MPa，加热加压时间在12h～16h，加热温度250℃～350℃之间，通过加压扩散保证烧结芯和基体之间的结合力。
所述步骤3)采用真空钎焊或电子束焊接方法行铝VC均热板的焊接。
所述步骤4)采用抽真空装置对均热板进行抽取真空，然后进行充注，充注液体选用丙酮，充注量设计以液体的体积占比腔体总体积来计算，充注量占比20％-25％。
相比于现有技术，本发明的优点在于：本发明提供了一种经济、轻量化高效率的VC均热板的制造方法，可以显著提升铝VC均热板在高功率集成电路中的应用。
1、成本降低
现有的均热板毛细结构主要存在以下四种结构，即金属丝网、纤维丝、蚀刻沟槽和金属粉末烧结芯，由于前几种方法的散热效果较差，已经较少应用于高散热要求的均热板中。采用蚀刻沟槽方法，虽然适用材料广泛，成型精度高，但存在化学腐蚀效率低、成本高，腐蚀液对环境有污染的缺点。
通过本专利技术研究，解决了铝合金的金属粉末烧结芯方案，可有效解决产品质量稳定性与环境保护问题，大幅降低了毛坯的制造成本。
传统的均匀板一般采用分子扩散焊接方案联接，对工件表面状态要求高，压紧贴合精度高，焊接效率低的问题。本专利采用传统的真空钎焊和电子束焊接，大幅提高了均热板的焊接效率，减少了焊前零件的加工时间，较扩散焊方案，减少了50％以上的成本。
2、轻量化
传统的VC均热板采用的是铜、不锈钢等高密度金属制造，本专利解决了铝合金的焊接及烧结芯的制造，实现了铝合金VC均热板的制造，将同体积的均热板重量降低了60％以上，大大减轻的产品重量。
附图说明
图1为本发明铝VC均热板烧结芯工艺流程图。
图2为焊接工艺曲线图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
本技术包含了以下几个步骤：1、铝VC均热板的结构设计；2、铝VC均热板的烧结成型；3、铝VC均热板的焊接成型；4、铝VC均热板充注；5、铝VC均热板封堵。
1、铝VC均热板的结构设计
铝VC均热板实现的功能是在二维面上具有超强的传热性能、实现集中热源的二维热扩展，达到整个二维面上的温度均匀性，有效降低传导热阻、接触热阻和换热热阻。在结构设计中主要考虑毛细芯的厚度、孔径以及液体回路以及均热板的结构强度。常规的腔体结构设计见下图。常规铝VC均热板毛细芯厚度0.3-0.6mm，孔径50-100μm，本体材料可以选用3A21/5A05/6063/6061等常规铝合金。
2、铝VC均热板的烧结成型
铝VC均热板的烧结芯成型工艺流程见图1。
本技术中的技术难点主要有：1、烧结材料氧化膜去除方式；2、烧结压力和烧结温度的控制。解决技术难点的主要措施如下：
1)烧结材料氧化膜去除方式
本技术中铝合金本体氧化膜采用化学清洗法进行处理，先将本体在一定浓度的碱液中清洗后，再在HNO3中清洗，然后在流动的清水中清洗干净后在真空干燥箱里烘干，并保证24小时之内进行烧结。
粉末储存要求真空干燥环境，防止粉末与空气中的水反应结合成较厚的氧化膜，烧结时在高压真空环境下对烧结粉进行氧化膜去除。
2)烧结压力和烧结温度的控制
烧结芯材料可选用铝或者镍多孔材料，本技术中通过计算仿真得出不同烧结厚度下压力值，一般加压压力在20MPa～50MPa，加热加压时间在12h～16h，加热温度250℃～350℃之间，主要通过加压扩散保证烧结芯和基体之间的结合力。烧结后对烧结芯和基体之间的强度进行剥离试验和振动试验检验，均满足要求。
3、铝VC均热板的焊接成型
均热板的焊接成型质量至关重要，决定了铝VC均热板长期使用的可靠性。本技术中采用两种方法进行铝VC均热板的焊接。
1)真空钎焊方法
铝VC均热板中烧结芯和铝基板温度较低，为了避免真空钎焊焊接温度过高对烧结芯的结构以及烧结芯和本体结合力产生破坏，本技术中真空钎焊采用了温度较低的Al-Si-Cu-Mg系列钎料进行焊接，钎焊温度控制在565-580℃，技术难点主要在于焊接温度控制、零件氧化膜去除、焊缝质量可靠性控制等。
本技术中采用直接接触式多点测温方式精确控制零件的焊接温度，通过合理布局零件测温区域，经过测温热电偶精确反馈，及时调整焊接工艺曲线，保证零件整体均温性不超过3℃。焊接工艺曲线见下图2。
为了避免焊料流淌过多对烧结芯产生影响，本技术中精确控制预制焊片形状，采用激光切割成型焊片，保证焊料添加的一致性。
2)电子束焊接方法
本技术中的技术难点是抑制6063铝合金本体的焊接热裂纹的产生，6063铝合金热导率较高，因此，焊接过程中热量迅速向四周未熔区域发散，导致电子束焊缝焊深较浅，且焊缝较宽，浅而宽的焊缝，很容易在焊接应力作用下开裂。本发明中为了较少6063铝合金开裂，采取以下措施：
·减少电子束散焦程度：电子束焊接过程中，束斑散焦程度大，束斑变大，焊缝变宽，因此可以通过减小散焦程度的方法，使焊缝变窄。
·减小扫描振幅：电子束焊接过程中，束斑会按照特定的图形扫描，减小扫描振幅，可以相应的减小焊缝宽度。
·提高焊接速度：焊接速度提高，可以使焊缝变窄。
4、铝VC均热板充注
铝VC均热板的散热原理是腔体内的介质吸收热量后形成蒸汽带走热量，然后在冷凝段重新形成液体，因此腔体内真空度和液体充注量影响了散热效果。当腔体内空气较多时，会影响到传热效果，因此本方案中采用抽真空装置对均热板进行抽取真空，然后进行充注。本技术充注液体选用丙酮，充注量设计以液体的体积占比腔体总体积来计算，本技术中充注量占比20％-25％。
5、铝VC均热板封堵
铝VC均热板在充注后进行接口封堵，防止腔内液体挥发，保证均热板长期使用的可靠性。封堵接口设计见下图，接头材料选用5A05铝合金，封堵方式采用电子束焊接。选用的参数：电压：90kV，电流8mA，焊接速度900mm/min，圆扫描。
实施例1
某铝VC均热板样件结构图见下图，基体材料选用5A05铝合金，双面烧结，每个面的烧结层厚度0.5mm，烧结孔隙率80％，孔径50-100um。
样件采用电子束封焊，封焊完进行了密封性检验，检验条件：1MPa气压下保持10分钟无泄漏。焊接完成后对零件进行加工到位，再进行充注和封堵，经过计算，该样件充注量为4.4g，然后进行均热性测试，测试条件见下图。测试条件：热源大小：10*10mm；冷边：水冷机单边导冷，冷边温度为30℃。热源功率分别是10W、20W、30W、60W。测试结果见表1。
表1测试结果
Claims (6)
1.一种铝VC复合均热板制备方法，其特征在于步骤包括：
1)铝VC均热板的结构设计；
2)铝VC均热板的烧结成型；
3)铝VC均热板的焊接成型；
4)铝VC均热板充注；
5)铝VC均热板封堵。
2.根据权利要求1所述的一种铝VC复合均热板制备方法，其特征在于所述步骤2)具体为通过计算和仿真设计烧结层参数，所述烧结层参数包括孔径、孔隙率和厚度；选择烧结粉和造孔剂；混粉、真空烧结；去除造孔剂残留、烧结芯成型。
3.根据权利要求2所述的一种铝VC复合均热板制备方法，其特征在于所述步骤2)中烧结材料氧化膜去除方式为：铝合金本体氧化膜采用化学清洗法进行处理，先将本体在碱液中清洗后，再在HNO3中清洗，然后在流动的清水中清洗干净后在真空干燥箱里烘干，并保证24小时之内进行烧结，烧结时在高压真空环境下对烧结粉进行氧化膜去除。
4.根据权利要求2所述的一种铝VC复合均热板制备方法，其特征在于所述步骤2)中烧结压力和烧结温度的控制：烧结芯材料选用铝或者镍多孔材料，通过计算仿真得出不同烧结厚度下压力值，加压压力在20MPa～50MPa，加热加压时间在12h～16h，加热温度250℃～350℃之间，通过加压扩散保证烧结芯和基体之间的结合力。
5.根据权利要求1所述的一种铝VC复合均热板制备方法，其特征在于所述步骤3)采用真空钎焊或电子束焊接方法行铝VC均热板的焊接。
6.根据权利要求1所述的一种铝VC复合均热板制备方法，其特征在于所述步骤4)采用抽真空装置对均热板进行抽取真空，然后进行充注，充注液体选用丙酮，充注量设计以液体的体积占比腔体总体积来计算，充注量占比20％-25％。
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