CN117870427B - 一种表面覆陶瓷涂层的均热板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于均热板技术领域，涉及一种表面覆陶瓷涂层的均热板及其制备方法。所述一种表面覆陶瓷涂层的均热板，包括上盖板、下盖板和吸液芯；上盖板和下盖板的内侧均设有支撑柱，吸液芯位于上盖板和下盖板形成的空腔内；上盖板和下盖板的外表面设有微柱体，微柱体的空隙中填充有陶瓷浆料，所述微柱体上设有金属复合层和陶瓷层，所述金属复合层为填充有陶瓷浆料的多层金属丝网结构。本发明通过在基板表面加工微柱体，将金属丝网固定在微柱体表面，增大了陶瓷浆料与均热板壳体的接触面积，增强了涂层的结合强度并提高了涂层的热导率，进而提升了均热板的传热性能，为第三代半导体射频芯片的热管理提供了可行方案。
Description
技术领域
本发明属于均热板技术领域，涉及一种表面覆陶瓷涂层的均热板及其制备方法。
背景技术
随着电子信息技术的快速发展，电子芯片的高集成度以及高功耗导致芯片的热流密度大幅增加，迫切需要开发与其匹配的热控器件。均热板是一种利用液态工质的相变过程来传输热量的高效传热元件，具备导热能力强、均温性能好、结构适应强等优点，已被广泛应用于高热流密度电子器件。
市场上常见的金属均热板通常以铜、不锈钢、铝等金属材料或合金制成。其与芯片的热膨胀系数差异过大，化学稳定性较差，难以满足高热流密度芯片的散热需求。陶瓷均热板主要采用陶瓷材料作为均热板基体，其热膨胀系数与芯片相差较小，非常适合用于高热流密度芯片的散热，尤其适合于第三代半导体射频器件。但是陶瓷属于硬脆性、难加工材料，主要采用磨削、激光等方法在其表面加工简单的微沟槽吸液芯结构，毛细性能难以满足均热板的传热需求。此外，现有的陶瓷均热板多采用钎焊或胶接等工艺进行封装，均热板在使用过程中，其壳体连接部分容易发生开裂，导致内部工质泄露，造成均热板不能使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种表面覆陶瓷涂层的均热板，以解决单独陶瓷均热板和单独金属均热板的性能缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种表面覆陶瓷涂层的均热板，包括上盖板、下盖板和吸液芯；上盖板和下盖板的内侧均设有支撑柱，吸液芯位于上盖板和下盖板形成的空腔中；上盖板和下盖板的外表面设有微柱体，微柱体的空隙中填充有陶瓷浆料，所述微柱体上设有金属复合层和陶瓷层，所述金属复合层为填充有陶瓷浆料的多层金属丝网结构。
在其中一个优选的实施例中，所述上盖板和下盖板的材质为金属。
因为需要在基板的微柱体上焊接金属丝网，所以优选上盖板和下盖板的材质为金属，且金属可加工性能好，方便加工微柱体结构，金属基体焊接工艺成熟，密封性能好。
在其中一个优选的实施例中，所述微柱体的形状为圆柱形、棱柱形、方柱形或不规则柱形。
在其中一个优选的实施例中，多层金属丝网结构的材质为铜、铝、金、银或锌的一种或多种；优选为铜，因为铜的热导率高、成本相对较低且易加工。
在其中一个优选的实施例中，多层金属丝网结构中的金属丝的直径为0.1-0.2mm。
在其中一个优选的实施例中，多层金属丝网结构中的丝网孔径为40-80目。
在其中一个优选的实施例中，多层金属丝网结构的厚度为0.1-0.5mm。
金属丝的直径过大，则金属复合层过厚，导致均热板整体较厚，不利于制备较薄的均热板。金属丝的直径过小，则不利于提升金属复合层的热导率，限制了均热板的传热性能。
丝网孔径过大，则陶瓷浆料与金属丝网的接触面积较小，降低陶瓷浆料与丝网的结合强度。此外，孔径过大意味着金属丝网中金属丝的数目较少，不利于提升金属复合层的热导率，限制了均热板的传热性能。丝网孔径过小，陶瓷浆料难以充满金属框架，容易导致金属复合层存在微孔隙等缺陷，从而降低金属复合层的结合强度。金属复合层中的微孔隙在传热过程中热阻较大，导致金属复合层的热导率降低，从而降低均热板的传热性能。
丝网厚度过大，会导致金属复合层厚度过大，均热板整体厚度也大，不符合均热板轻薄设计理念。并且过厚的均热板将会占据电子产品的内部空间，增加电子产品重量。丝网厚度过小，金属含量太低，金属复合层的热导率也较小，限制了均热板的传热性能。
在其中一个优选的实施例中，陶瓷层的厚度为0.3-0.8mm。
本发明制备的均热板要求不导电，表面的陶瓷层起绝缘作用。陶瓷层过小，不能完全覆盖住金属丝网，将使得均热板导电，不符合使用要求。陶瓷层厚度过大，增加传热距离，降低涂层表面的热导率，导致均热板整体热导率低，限制了均热板的传热性能。此外，陶瓷层厚度过大，会导致均热板整体厚度过大，不符合均热板超薄设计理念。过厚的均热板将会占据电子产品的内部空间、增加电子产品重量。
在其中一个优选的实施例中，所述陶瓷浆料包括60-90份的陶瓷粉末、20-40份的粘结剂、5-10份的分散剂和5-10份助熔剂。
在其中一个优选的实施例中，所述助熔剂为钠长石粉。
在其中一个优选的实施例中，所述陶瓷粉末为AlN、Al2O3、SiC或ZrO2中的一种或多种。
在其中一个优选的实施例中，所述粘结剂为硫酸钠和磷酸铝中的一种。
在其中一个优选的实施例中，所述分散剂为十二烷基硫酸钠和聚丙烯酸中的一种。
本发明还要求保护所述表面覆陶瓷涂层的均热板的制备方法，包括：
S1、在上盖板和下盖板的外表面加工出微柱体，内表面加工出内腔和支撑柱；
S2、将多层金属丝网结构固定在微柱体的上表面，形成金属框架；然后向金属框架内填充陶瓷浆料，使微柱体之间的空隙和多层金属丝网结构中的空隙均被陶瓷浆料填充；再在多层金属丝网结构的上表面涂覆一层陶瓷浆料，烧结，得到金属复合层和陶瓷层；
S3、在内腔中制备吸液芯结构，得到加工后的上盖板和下盖板；将两块加工后的盖板拼合后焊接、抽真空、灌液、密封，得到表面覆陶瓷涂层的均热板。
在其中一个优选的实施例中，步骤S2中的烧结工艺为：烧结温度为500-800℃，烧结时间为3-6h。
在其中一个优选的实施例中，微柱体、内腔和支撑柱结构可以通过机械加工得到。
在其中一个优选的实施例中，多层金属丝网结构固定方式为焊接。
在其中一个优选的实施例中，所述焊接为电阻焊或扩散焊。
在其中一个优选的实施例中，所述吸液芯结构的制备方法可以是但不限于机械加工或者固相烧结工艺。
在其中一个优选的实施例中，吸液芯的结构可以是但不限于沟槽结构、粉末结构、粉末-沟槽复合结构、丝网结构或纤维结构中的一种。
在其中一个优选的实施例中，所灌注的液态工质可以是但不限于去离子水、冷媒或乙醇中的一种或多种。
本发明具有以下优点：
（1）涂层与金属基板具有较高的结合强度。在金属基板表面加工微柱体，并将金属丝网与微柱体连结为一整体，可增大陶瓷浆料与均热板壳体的接触面积，提高涂层与金属基体的结合强度，涂层不易脱落。
（2）涂层力学性能好。涂层内包含的金属丝网可承受拉力，防止陶瓷涂层发生破坏和开裂。金属和陶瓷的弹性模量相差较大，在陶瓷涂层中间加入金属材料可以防止涂层在受到较大的压力时发生破裂，提高了涂层的抗弯强度，制备的涂层力学性能好，有利于提升陶瓷均热板的可靠性和使用寿命。
（3）可制备多种类型的吸液芯结构。传统磨削和激光加工等方式只能在陶瓷表面加工简单的沟槽吸液芯结构，毛细压力较低。本发明制备的表面覆陶瓷涂层的均热板采用金属基体，内部可制备出沟槽、粉末烧结、丝网烧结、沟槽-粉末/丝网复合等多种类型的吸液芯结构，吸液芯结构毛细压力高，有效提升均热板传热性能。
（4）有效提升均热板基体的热导率。涂层内含有高热导率的金属丝网，在涂层不导电的前提下可提升涂层的热导率，热量可通过涂层内金属丝网和微柱体快速传导到金属基体，有效提升均热板的传热性能。
附图说明
图1为基板结构示意图；
图2为焊接有金属丝网的金属基板结构示意图；
图3为带金属复合涂和陶瓷层的基板剖面结构示意图；
图4为均热板结构剖面示意图；
图中，1-微柱体；2-支撑柱；3-内腔；4-金属丝网；5-陶瓷层；6-金属复合层；7-吸液芯结构。
具体实施方式
实施例1
铜丝网-陶瓷涂层均热板
（1）铜基板表面加工
取两块尺寸为80×40×2mm的铜基板，采用微铣削工艺在铜基板的一面加工直径1mm，高0.4mm的圆形微柱体，微柱体阵列分布，微柱体与微柱体之间的间距均为5mm。采用微铣削工艺在铜基板另一面加工内腔和支撑柱结构，内腔整体尺寸76×46×1mm，单个支撑柱直径3mm，高1mm。如图1所示，其中1为微柱体，2为支撑柱，3为内腔。使用超声清洗机清洗表面，烘干备用。
（2）焊接铜丝网
取长宽高尺寸为80×40×0.2mm的铜丝网，铜丝直径0.13mm，铜丝网60目。采用电阻焊的方式将铜丝网焊接在微柱体上表面，形成金属框架，得到焊接有铜丝网的铜基板。如图2所示，其中1为微柱体，2为支撑柱，3为内腔，4为金属丝网。
（3）配置陶瓷涂层浆料
按重量份计，取AlN陶瓷粉末80份，向其中加入粘结剂硫酸钠水溶液30份、分散剂聚丙烯酸10份以及助熔剂钠长石粉5份，搅拌均匀制备得到陶瓷浆料。
（4）陶瓷浆料的涂敷与烧结
将陶瓷浆料填充在铜基板表面的金属框架中，使微柱体之间的空隙和铜丝网结构中的空隙均被填充满，得到金属复合层；再在金属复合层表面涂覆一层0.1mm的陶瓷浆料，得到陶瓷层，金属复合层和陶瓷层的总厚度0.7mm，在80℃的干燥箱中干燥1小时。将干燥后的均热板壳体放入真空烧结炉中，缓慢升温至600℃，保温4小时，随炉冷却至室温后取出备用。
（5）制备吸液芯结构
取步骤（4）制备的基板两块，在空腔表面采用固相烧结法制备铜质吸液芯结构，得到带金属复合涂和陶瓷层的基板，结构如图3所示，其中1为微柱体，2为支撑柱，3为内腔，4为金属丝网，5为陶瓷层，6为金属复合层，7为吸液芯结构。
（6）均热板封装
将两块带金属复合涂和陶瓷层的基板拼合后焊接，然后进行抽真空、灌注液态工质去离子水和封口等一系列工艺，制备得到表面覆陶瓷涂层的均热板。均热板结构如图4所示，基板的内侧均设有支撑柱2、内腔3和吸液芯结构7；基板的外表面设有微柱体1，微柱体上表面焊接有金属丝网4，与微柱体1形成金属框架，金属框架中填充陶瓷浆料形成金属复合层6；所述金属复合层上表面覆有一层陶瓷层5。图4中1为微柱体，2为支撑柱，3为内腔，4为金属丝网，5为陶瓷层，6为金属复合层，7为吸液芯结构。
将本实施例制备的均热板与其他工艺制备的均热板的性能进行对比，结果如表1所示。
对比例1：
无铜网
对比例1的微柱体表面未焊接铜网，直接在微柱体间和微柱体的上表面涂覆陶瓷浆料，所制备的涂层厚度与实施例1相同。其余工艺过程和参数与实施例1完全相同，将对比例1与实施例1的均热板进行涂层抗弯强度和均热板传热性能测试，测试结果如表1。
对比例2：
无微柱体，铜网置于涂层内部
对比例2的铜基板表面未铣削微柱体，直接在铜基板表面涂覆0.4mm厚的陶瓷浆料，后再在其表面放置长宽高尺寸80×40×0.2mm的多层铜丝网，铜丝直径0.13mm，铜丝网60目。最后在铜丝网表面涂敷厚度0.1mm的陶瓷浆料，得到总厚度0.7mm的金属-陶瓷复合涂层。其余工艺过程和参数与实施例1完全相同，将对比例2与实施例1的均热板进行涂层抗弯强度和均热板传热性能测试，测试结果如表1。
对比例3：
无微柱体，无铜网
对比例3的铜基板表面未铣削微柱体，直接在铜基板表面涂敷总厚度0.7mm的陶瓷浆料。所制备的涂层厚度与实施例1相同。其余工艺过程和参数与实施例1完全相同，将对比例3与实施例1的均热板进行涂层抗弯强度和均热板传热性能测试，测试结果如表1。
表1 各实施例和对比例的均热板的性能对比结果
| 样本 | 特点 | 涂层抗弯强度（MPa） | 均热板功率（W） |
| 实施例1 | 有微柱体、有铜网 | 27 | 45 |
| 对比例1 | 有微柱体、无铜网 | 22 | 39 |
| 对比例2 | 无微柱体、铜网置于涂层内部 | 19 | 35 |
| 对比例3 | 无微柱体、无铜网 | 15 | 28 |
通过对比可以发现，对比例1的涂层抗弯强度比实施例1低，均热板的传热性能也低。因为相比于无铜网的对比例1，实施例1中的铜网可承受拉力，由于铜网和陶瓷的弹性模量相差较大，因此在受到压力时铜网可以增强涂层的力学性能，防止陶瓷涂层发生破坏和开裂，提高了涂层的抗弯强度。此外，实施例1中陶瓷涂层中含有高热导率的金属材料，在涂层不导电的前提下可以提升涂层的热导率，进而提升均热板传热性能。
对比例2的涂层抗弯强度比实施例1低，均热板传热性能也低。因为相比于无微柱体的对比例2，实施例1中的微柱体可增大陶瓷浆料与铜基板的接触面积，进而提高涂层与铜基板的结合强度。此外，实施例1中的均热板在工作时，热量可通过金属丝网和微柱体快速传导到金属基体，进而提升均热板从传热性能。
对比例3的涂层抗弯强度比实施例1低，均热板传热性能也低。因为相比于无微柱体的对比例3，实施例1中的微柱体可增大陶瓷浆料与铜基板的接触面积，进而提高涂层与铜基板的结合强度。此外，相比于无铜网的对比例3，实施例1中的均热板在工作时，热量可通过铜丝网和微柱体快速传导到铜基体。并且实施例1中陶瓷涂层中含有高热导率的铜网，在涂层不导电的前提下可以提升涂层的热导率，进而提升均热板传热性能。
实施例2
铝丝网-陶瓷涂层均热板
（1）铝基板表面加工
取两块尺寸为80×40×2mm的铝基板，采用微铣削工艺在铝基板的一面加工直径1mm，高0.4mm的圆形微柱体，微柱体阵列分布，微柱体与微柱体之间的间距均为5mm。采用微铣削工艺在铝基板另一面加工内腔和支撑柱结构，内腔整体尺寸76×46×1mm，单个支撑柱直径3mm，高1mm。如图1所示，其中1为微柱体，2为支撑柱，3为内腔。使用超声清洗机清洗表面，烘干备用。
（3）焊接铝丝网
取长宽高尺寸80×40×0.2mm的铝丝网，铝丝直径0.13mm，铝丝网60目，采用电阻焊的方式将铝丝网焊接在微柱体上表面，形成金属框架，得到焊接有铝丝网的铝基板。如图2所示，其中1为微柱体，2为支撑柱，3为内腔，4为铝丝网。
（3）配置陶瓷涂层浆料
按重量份计，取AlN陶瓷粉末80份，向其中加入粘结剂硫酸钠溶液30份、分散剂聚丙烯酸10份以及助熔剂钠长石粉5份，搅拌均匀制备得到陶瓷浆料。
（4）陶瓷浆料的涂敷与烧结
将陶瓷浆料填充在铝基板表面的金属框架中，使微柱体之间的空隙和铝丝网结构中的空隙均被填充满，得到金属复合层；再在金属复合层表面涂覆一层厚度0.1mm的陶瓷浆料，得到陶瓷层，金属复合层和陶瓷层的总厚度0.7mm，在80℃的干燥箱中干燥1小时。将干燥后的均热板壳体放入真空烧结炉中，缓慢升温至600℃，保温4小时，随炉冷却至室温后取出备用。
（5）制备吸液芯结构
取两块步骤（4）中制备的基板，在空腔表面采用固相烧结法制备铝质吸液芯结构，得到带金属复合涂和陶瓷层的基板，结构如图3所示，其中1为微柱体，2为支撑柱，3为内腔，4为金属丝网，5为陶瓷层，6为金属复合层，7为吸液芯结构。
（6）均热板封装
将两块带金属复合涂和陶瓷层的基板拼合后焊接，然后进行抽真空、灌注液态工质去离子水和封口等一系列工艺，制备得到表面覆陶瓷涂层的均热板。均热板结构如图4所示，其中1为微柱体，2为支撑柱，3为内腔，4为金属丝网，5为陶瓷层，6为金属复合层，7为吸液芯结构。
铝纤维为高热导率材料，其热导率可达237 W/m·K，本实施例制备的铝纤维-陶瓷复合涂层的均热板具有涂层不导电、热导率高的优点，可提升均热板的传热性能。同时，铝纤维与陶瓷浆料混合涂敷，可提升金属-陶瓷复合涂层的结合强度，涂层稳定性好，不易开裂。该均热板可作为基板为电子电路提供附着，电子电路也可通过该均热板进行散热，既可解决芯片的散热问题，又能节约外加均热板时所占据的空间。
将本实施例制备的均热板与其他工艺制备的均热板的各方面性能进行对比，结果如表2所示。
对比例4：
不同铜网目数
仅改变实施例2步骤（3）中铝丝网的孔径大小，选取丝网孔径分别为20目、40目、80目和100目的铝丝网焊接在微柱体表面，其余工艺过程和参数与实施例2完全相同；得到样品4、5、6、7，将样品4、5、6、7与实施例1的均热板进行涂层抗弯强度和均热板传热性能测试，测试结果如表2。
表2 不同丝网孔径的均热板的性能对比结果
| 样本 | 丝网孔径 | 涂层抗弯强度（MPa） | 均热板功率（W） |
| 实施例2 | 60目 | 23 | 38 |
| 样品4 | 20目 | 10 | 24 |
| 样品5 | 40目 | 17 | 32 |
| 样品6 | 80目 | 15 | 29 |
| 样品7 | 100目 | 9 | 22 |
通过对比可以发现，样品4、5、6、7的涂层抗弯强度和均热板传热性能均比实施例2更低。当丝网目数小于60目时，随着丝网孔径的增大，涂层抗弯强度和均热板功率呈现降低的趋势。因为随着丝网孔径的增大，陶瓷浆料与丝网的附着面积减小，降低了陶瓷浆料与丝网的抗弯强度。此外，丝网孔径增大意味着金属丝的数目减少，复合涂层中金属含量降低，导致复合涂层热导率降低，从而降低了均热板的传热性能。而当丝网目数大于60目时，随着丝网孔径的减小，涂层抗弯强度和均热板功率呈现降低的趋势。因为随着丝网孔径的减小，陶瓷浆料难以充满金属框架，容易导致复合涂层存在微孔隙等缺陷，从而降低涂层的抗弯强度。此外，涂层中的微孔隙在传热过程中热阻较大，导致复合涂层的热导率降低，从而降低了均热板传热性能。经过多次试验对比后发现，丝网孔径为30~60目为宜。
Claims (9)
1.一种表面覆陶瓷涂层的均热板，其特征在于，包括上盖板、下盖板和吸液芯；上盖板和下盖板的内侧均设有支撑柱，吸液芯位于上盖板和下盖板形成的空腔中；上盖板和下盖板的外表面设有微柱体，微柱体的空隙中填充有陶瓷浆料，所述微柱体上设有金属复合层和陶瓷层，所述金属复合层为填充有陶瓷浆料的多层金属丝网结构；
所述的表面覆陶瓷涂层的均热板的制备方法，包括：
S1、在上盖板和下盖板的外表面加工出微柱体，内表面加工出内腔和支撑柱；
S2、将多层金属丝网结构固定在微柱体的上表面，形成金属框架；然后向金属框架内填充陶瓷浆料，使微柱体之间的空隙和多层金属丝网结构中的空隙均被陶瓷浆料填充；再在多层金属丝网结构的上表面涂覆一层陶瓷浆料，烧结，得到金属复合层和陶瓷层；
S3、在内腔中制备吸液芯结构，得到加工后的上盖板和下盖板；将两块加工后的盖板拼合后焊接、抽真空、灌液、密封，得到表面覆陶瓷涂层的均热板。
2.根据权利要求1所述的表面覆陶瓷涂层的均热板，其特征在于，所述上盖板和下盖板的材质为金属。
3.根据权利要求1所述的表面覆陶瓷涂层的均热板，其特征在于，多层金属丝网结构中的金属丝的直径为0.1-0.2mm；丝网孔径为40-80目；多层金属丝网结构的厚度为0.1-0.5mm。
4.根据权利要求1所述的表面覆陶瓷涂层的均热板，其特征在于，陶瓷层的厚度为0.3-0.8mm。
5.根据权利要求1所述的表面覆陶瓷涂层的均热板，其特征在于，所述陶瓷浆料包括60-90份的陶瓷粉末、20-40份的粘结剂、5-10份的分散剂和5-10份助熔剂。
6.根据权利要求1所述的表面覆陶瓷涂层的均热板，其特征在于，吸液芯结构为沟槽结构、粉末结构、粉末-沟槽复合结构、丝网结构或纤维结构中的一种。
7.根据权利要求1所述的表面覆陶瓷涂层的均热板，其特征在于，步骤S2中的烧结工艺为：烧结温度为500-800℃，烧结时间为3-6h。
8.根据权利要求1所述的表面覆陶瓷涂层的均热板，其特征在于，多层金属丝网结构固定方式为焊接。
9.根据权利要求1所述的表面覆陶瓷涂层的均热板，其特征在于，所灌注的液态工质包括去离子水、冷媒或乙醇中的一种或几种。
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