CN212962967U - 一种制造真空腔均热板的封装装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种制造真空腔均热板的封装装置，封装的对象是具有外壳、毛细吸液芯结构、支撑结构的半成品均热板，封装制造过程包括对半成品均热板注入工质、冷冻凝固、真空抽气和封口等步骤。封装的装置包括冷冻端组件、制冷源、冷媒管道、真空泵组、真空管道、封口端夹紧治具等，可以提供在真空环境下进行冷冻凝固、真空抽气和封口的工艺，具有结构简单，生产的效率高，产品良率高等特点，适用于自动化和批量化生产。本实用新型的技术方案所制造的均热板内部可以获得很高的真空度，相变工质的质量基本没有损失，不凝性气体残余量少，生产效率高的优点。

Description

一种制造真空腔均热板的封装装置

技术领域

本实用新型涉及均热板工艺技术领域，特别涉及一种制造真空腔均热板的封装装置。

背景技术

电子器件的微型化已经成为现代电子设备发展的主流趋势。电子器件特征尺寸不断减小(例如,微处理器的特征尺寸从 1990 年到 2000 年内从 0.35 µ m减小到0.18 µm),芯片的集成度、封装密度以及工作频率不断提高,这些都使芯片的热流密度迅速升高。研究表明,超过 55%的电子设备的失效形式是由温度过高引起的,因此电子器件的热可靠性设计在电子器件发展中具有举足轻重的作用。

随着手机、平板电脑、OLED电视机、可穿戴设备智能化等电子产品集成化和轻薄化程度的提高，人们在期望产品具有更轻薄的的外形以外，还希望它具有更高的计算速度和更好的多媒体性能，以满足高速、便携、移动工作或移动娱乐的要求。在市场需求端的强力引导下，电子器件不断地往高频、高速以及集成电路的密集和小型化的方向发展，使得单位容积电子器件的功耗剧增，带来了发热量快速增大，对散热器件的性能要求也越来越高，传统的散热材料比如金属箔、石墨片等材料已经难以满足要求。

在大部分电子元器件的散热需求中，较为常见的是二维平面上的传热散热。针对二维平面散热，一种相变传热元件——均热板（Vaporchamber）应运而生。均热板是平板热管的一种，其内部接近真空，依靠内部工质汽化和凝结的相变循环传输热量，可以将聚集在热源表面的热流迅速传递并扩散到大面积的冷凝表面上，从而促进热量的散发，降低元器件表面的热流密度，保证其可靠工作。由于较低的热阻、良好的均温性能以及较高的临界热流密度，均热板目前广泛应用于大功率 LED、CPU、GPU、高速硬盘等电子元器件的散热。

随着电子产品市场的飞速扩大，对均热板的需求也越来越大，市场要求其能实现大规模生产，并降低其应用成本。在均热板长期发展实践中的经验看来，均热板相变工质的灌注精度和除气状况是影响微热管性能及稳定性的关键因素。当前应用于微热管的传统充液除气方法主要有沸腾排气法、抽真空充液法、灌注抽真空法和二次除气法。

沸腾排气法是使用加热器加均热板内部的工作液体，使工作液体沸腾变成蒸汽，驱动内腔的不凝性气体经由气管排到大气中。通过控制工作液体初始灌注量和排气时间，可控制封口后均热板内部工作液体的实际充填率。使用该方法制造的均热板内部获得的真空度较低，且除气时间较长，充液精度较难控制。

抽真空充液法是使用高真空设备对均热板内部进行抽真空，达到所需真空度后打开针阀并关闭真空阀，灌注所需要的相变工质，例子有申请号为CN201210177728.2的中国专利。灌注工序结束后封口装置将均热板冷焊封口。该方法所使用的设备相当复杂，造价很高，并且在高真空环境下灌注工作液体有发生瞬间结冰的情况，致使管道堵塞，精密灌注系统压力增大，产品质量不稳定。

灌注抽真空法，需要先在均热板内灌注一定量的工作液体，然后进行抽真空除气，一般称为一次除气。一次除气所获得的真空度较低，在 10⁰～10^-1Pa 左右。由于液态工质会随着真空度的提高而发生相变，产生大量的水蒸汽，因此不能完全去除均热板内部的不凝性气体，同时液态工质汽化之后会被真空系统抽走，较难控制均热板内部工质的填充量。

为了避免均热板蒸发端和冷凝端之间的温差过大，需要进一步去除其内部的不凝性气体，称为二次除气方法。先利用均热板抽真空充液设备进行一次除气，然后再利用沸腾排气设备进行二次除气，例子有申请号为CN201220255495.9的中国专利。用该方法生产不同规格大小的均热板，需要分别计算在二次除气中相变工质的损失量并作相应的补偿，工艺较复杂，同时在抽真空的过程中相变工质也会有损失，所以充入相变工质的量很难精确控制。

目前，均热板的充液除气工艺存在很多的问题，如相变工质充液量不够精准、内部真空度不足和残余不凝性气体、以及工艺复杂等，造成平板热管成品良率不高，生产效率低，成本偏高，不利于其应用及推广。因此，寻求均热板制造技术中的关键工艺——充液除气工艺的问题的解决方案具有重要意义。

发明内容

为了解决上述现有技术中的问题，本实用新型提供了设计一种制造真空腔均热板的封装装置，使用该封口方法能够生产各种厚度、具有复杂形状和内部结构的均热板，对于壁厚在0 .6mm以下的均热板同样有效。使用本实用新型技术方案制造的均热板内部可以获得很高的真空度，相变工质的质量基本没有损失，不凝性气体残余量少，且能够有限控制封口端的长度在0～2mm的范围，大大减小均热板安装所需要的空间，使得均热板在超薄化高PCB集成度的移动终端里应用成为可能。本实用新型的技术方案中的装置结构简单，生产的效率高，产品良率高，适用于自动化和批量化生产，从而降低产品成本，有利于大规模推广。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种制造真空腔均热板的封装装置，封装的对象是具有外壳、毛细吸液芯结构、支撑结构的半成品均热板，该半成品在封装前预留有开口用于注入工质和真空抽气，其特征在于：包括冷冻端组件（2）、制冷源（3）、冷媒管道（4）、真空泵组（5）、真空管道（6）、封口端夹紧治具（7）、阀门（8），其中：

冷冻端组件（2）位于半成品均热板（1）的两侧，在半成品均热板的预留开口（9）处的两侧设有封口端夹紧治具（7）；

所述的冷冻端组件（2）、封口端夹紧治具（7）置于真空腔室（10）内部，制冷源（3）和真空泵组（5）置于真空腔室外，制冷源（3）通过冷媒管道（4）连接到冷冻端组件（2），真空泵组通过真空管道连接到真空抽气端口（11），真空抽气端口（11）设置于真空腔室（10）的腔壁；

所述的制冷源（3）是外部制冷设备，通过冷媒管道（4）把冷媒输送到冷冻端组件（2）内；冷冻端组件（2）不接触半成品均热板（1）而以热对流和热辐射方式对半成品均热板进行冷冻，或者直接接触半成品均热板以热传导方式对半成品均热板进行冷冻，或者在冷冻端组件与半成品均热板之间填充导热介质的方式进行冷冻。

所述的制冷源（3）可以是半导体电制冷片装置、深冷设备、低温泵的其中一种。

所述的封口端夹紧治具（7）内部设置有加热元件，或者不设置。

所述的封口端夹紧治具（7）的厚度≤5mm。

当所述的冷冻端组件（2）以直接接触热传导方式对均热板进行冷冻时，是以以下冷冻平面金属板形式当中的至少一种体现的：

a. 内部埋有冷媒通道的冷冻金属板；b. 背面焊接冷媒盘管的冷冻金属板或者；c. 带有孔通道将冷媒盘管穿过的金属板；d. 两片带有半孔通道夹紧冷媒盘管的双层金属板；e. 冷媒盘管焊接在两块或多块独立的金属板之间的组合金属板；f. 半导体电制冷片或者绑定有半导体电制冷片的金属板。

所述的封口端夹紧治具（7）是与液压、气压或者电动设备连接，通过其活动组件控制封口端夹紧治具的开合、夹紧动作。

所述的封口端夹紧治具（7）本身作为焊接封口时的焊接组件，或者将焊接组件设置于封口端夹紧治具（7）的上方。

本实用新型与现有技术相比，具有以下有益效果：

（1）本实用新型采用的先向均热板内部注入液体工质，然后将液体工质冷冻成固体，再抽真空到均热板设定的工作真空度的方案，可以最大限度地减少抽真空时工质的汽化损失。因为液体的沸点随气压的的减小而降低，在制造均热板时，需要确保其内部的气压在100Pa以下，气压越低，液体工质越容易汽化，汽化的工质被抽真空设备带走，造成均热板内部填充的相变工质不足，影响其导热性能，现有的技术方案是通过估算抽真空时的损失量，在初次填充液体工质时充入过量的液体工质来抵消这部分的损失，但是在实际工作中，抽真空设备的抽气时间受环境的温湿度、以及设备自身的状态影响很大，生产不同批次的均热板之间很难做到抽气时间一致，不同均热板内部的相变工质填充量相差很大，导致成品均热板的良品率不高。而本实用新型的技术方案中，是将液体工质冷冻成固体后，再抽真空到均热板设定的工作真空度，固体工质在抽真空时汽化量极小，可以精确控制成品均热板填充的相变工质，提高成品均热板的良品率，同时，本实用新型采用的技术方案可以不受均热板的厚度、形状、内部结构的影响。

（2）本实用新型采用的技术方案首次采用的冷冻端组件，是连接到可以提供低温冷媒的制冷源，可以快速地将冷冻端组件的温度控制在-130℃～-30℃，使相变工质快速凝固。在抽真空的时候，低温的冷冻端能通过其表面的低温冷凝效应，迅速捕集真空系统内的残余气体，从而大大缩短抽真空的时间、获得洁净的真空环境。在现有技术的抽真空系统中，并没有引入这种低温水汽捕集装置，所以在抽到高真空环境的时候，真空系统内部都存在一定量的残余气体，这些残余气体80%以上是水蒸气、油蒸汽、工质汽化产生的蒸汽以及其他高沸点的蒸汽，现有技术中获得高真空度主要是使用扩散泵和分子泵，这种真空泵组抽除残余气体的能力低、抽气时间长，这种不凝性的残余气体留在成品均热板内部，会降低其导热性能。本实用新型采用的技术方案中采用的冷冻端组件不仅可以凝固相变工质，防止汽化损失，还能提高抽真空效率，减少均热板内部的不凝性气体，具有显著的技术进步。

（3）在现有的技术方案中，用于抽气和填充相变工质的管道一般有以下两种形式：①连接到均热板的一根铜管，②在上下壳板上预先压的凹槽，然后在上下壳板焊接时由相对的两个凹槽组成的管道。在高真空（0.13～1.3×10^-6 Pa）和极高真空（1.3×10^-６～1.3×10^-11 Pa）条件下，气体呈现出分子流的特性，此时气体分子与管壁之间的碰撞占居主要地位，分子靠热运动自由地直线进行，只发生与管壁的碰撞和热反射而飞过管道，气体流动由各个分子的独立运动叠加而成，抽气管路的管径越小，气体分子 与管壁的碰撞越频繁，抽高真空的时间就越长。用于电子设备的均热板厚度在几毫以下，因此上述的两个抽气管道的直径很小，导致现有技术的抽气时间较长。本实用新型采用的技术方案中，把相变工质冷冻凝固成固体后，再抽气到高真空，由于工质变成固体后再抽真空时的损失极小，因此可以将预留的抽气和填充相变工质的口开得很大，或者连接的管道（圆形或方形扁管）的尺寸很大，以此来减少抽真空的时间，提高生产效率。在某些实施例中，半成品均热板可以不采用上述的两种管道形式，在封装上下壳板时，预留半成品四个边中的某一个边不封闭，其开口部分作为用于抽气和填充相变工质的通道，可以最大限度地提升抽真空的速度和效率。

（4）现有技术中所公开的均热板封装装置为沸腾排气装置，抽真空后充液装置，灌注抽真空装置，灌注抽真空后二次除气的装置，其中的沸腾排气装置和灌注抽真空后二次除气的装置都是需要在填充相变工质之后，将均热板放置于加热装置，用于排除均热板内部的不凝性气体。本实用新型采用的技术方案中所公开的一种制造真空腔均热板的封装装置，创造性将半导体电制冷片装置、深冷设备、低温泵引入到均热板的制造领域，改变了现有均热板封装装置的形式，这几种制冷设备，具有制冷速度快，制冷后回温速度快的特点，极大地提高了生产效率。

附图说明

图1为本实用新型实施例中的一种制造真空腔均热板的封装装置的示意图；

图2为本实用新型实施例中组成冷冻端组件的一种冷冻平面金属板的示意图；

图3为本实用新型实施例中组成冷冻端组件的一种冷冻平面金属板的示意图；

图4为本实用新型实施例中组成冷冻端组件的一种冷冻平面金属板的示意图；

图5为本实用新型实施例中组成冷冻端组件的一种冷冻平面金属板的示意图；

图6为本实用新型实施例中组成冷冻端组件的一种冷冻平面金属板的示意图；

图7为本实用新型实施例中组成冷冻端组件的一种冷冻平面金属板的示意图；

图8为本实用新型实施例中组成冷冻端组件的一种冷冻平面金属板的示意图；

图9为本实用新型实施例中封口端夹紧治具本身作为焊接组件的示意图；

图10为本实用新型实施例中封口端夹紧治具上方设置焊接组件的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步说明本实用新型所述的一种超薄均热板及其制造方法。

如图1所示，本实用新型所公开的一种制造真空腔均热板的封装装置，对半成品均热板的相变工质冷冻或者真空抽气过程是在真空环境下进行，包括冷冻端组件（2）、制冷源（3）、冷媒管道（4）、真空泵组（5）、真空管道（6）、封口端夹紧治具（7）、阀门（8）、真空腔室（10）、真空抽气端口（11）。其中冷冻端组件（2）位于半成品均热板（1）的两侧，在半成品均热板的预留开口（9）处的两侧设有封口端夹紧治具（7）。

其中的冷冻端组件（2）、封口端夹紧治具（7）置于真空腔室（10）内部，制冷源（3）和真空泵组（5）置于真空腔室外，制冷源（3）通过冷媒管道（4）连接到冷冻端组件（2），真空泵组通过真空管道连接到真空抽气端口（11），真空抽气端口（11）设置于真空腔室（10）的腔壁。当需要对半成品均热板进行抽真空时，只需要控制真空泵组对真空腔室抽真空即可。

在实际操作中，冷冻端组件（2）由位于半成品均热板（1）的两侧的冷冻平面金属板组成，它可以是以下七种形式当中的至少一种体现的：

a.内部埋有冷媒通道的冷冻金属板，如图2所示；

b.背面焊接冷媒盘管的冷冻金属板，如图3所示；

c.带有孔通道将冷媒盘管穿过的金属板，如图4所示；

d.两片带有半孔通道夹紧冷媒盘管的双层金属板，如图5所示；

e.冷媒盘管焊接在两块或多块独立的金属板之间的组合金属板，如图6所示；

f.半导体电制冷片，如图7所示

g.绑定有半导体电制冷片的金属板，如图8所示。

上述平面金属板与均热板接触面，是根据均热板的不同设计决定的，如果均热板的两个壳板的内表面都设计连接有吸液芯层，则以两块冷冻金属板夹住均热板实现紧密接触进而实现冷冻，如果均热板只有其中一个壳板的内表面设计连接有吸液芯层，则设置一块冷冻金属板与这个均热板平面紧密接触进而实现冷冻。

上述的封口端夹紧治具（7）本身可以作为焊接封口时的焊接组件（如图9所示），也可以将焊接组件（121）设置于封口端夹紧治具（7）的上方（如图10所示）。当对半成品均热板的真空抽气步骤达到终止气压值时，可以控制封口端夹紧治具（7）将半成品均热板的预留开口夹紧，然后对预留开口进行焊接封口处理，焊接的动作可以由封口端夹紧治具（7）充当焊接组件来完成，也可以通过设置在封口端夹紧治具（7）上方的焊接组件（121）来完成。

Claims (8)

1.一种制造真空腔均热板的封装装置，封装的对象是具有外壳、毛细吸液芯结构、支撑结构的半成品均热板，该半成品在封装前预留有开口用于注入工质和真空抽气，其特征在于：包括冷冻端组件(2)、制冷源(3)、冷媒管道(4)、真空泵组(5)、真空管道(6)、封口端夹紧治具(7)、阀门(8)，其中：

冷冻端组件(2)位于半成品均热板(1)的两侧，在半成品均热板的预留开口(9)处的两侧设有封口端夹紧治具(7)；

所述的冷冻端组件(2)、封口端夹紧治具(7)置于真空腔室(10)内部，制冷源(3)和真空泵组(5)置于真空腔室(10)外，制冷源(3)通过冷媒管道(4)连接到冷冻端组件(2)，真空泵组通过真空管道连接到真空抽气端口(11)，真空抽气端口(11)设置于真空腔室(10)的腔壁。

2.根据权利要求1所述的一种制造真空腔均热板的封装装置，其特征在于制冷源(3)是外部制冷设备，通过冷媒管道(4)把冷媒输送到冷冻端组件(2)内；冷冻端组件(2)不接触半成品均热板(1)而以热对流和热辐射方式对半成品均热板进行冷冻，或者直接接触半成品均热板以热传导方式对半成品均热板进行冷冻，或者在冷冻端组件与半成品均热板之间填充导热介质的方式进行冷冻。

3.根据权利要求1所述的一种制造真空腔均热板的封装装置，其特征在于制冷源(3)是半导体电制冷片装置、深冷设备、低温泵的其中一种。

4.根据权利要求1所述的一种制造真空腔均热板的封装装置，其特征在于所述的封口端夹紧治具(7)内部设置有加热元件，或者不设置。

5.根据权利要求1所述的一种制造真空腔均热板的封装装置，其特征在于所述的封口端夹紧治具(7)的厚度≤5mm。

6.根据权利要求1所述的一种制造真空腔均热板的封装装置，其特征在于当所述的冷冻端组件(2)以直接接触热传导方式对均热板进行冷冻时，是以以下冷冻平面金属板形式当中的至少一种体现的：

a.内部埋有冷媒通道的冷冻金属板；b.背面焊接冷媒盘管的冷冻金属板或者；c.带有孔通道将冷媒盘管穿过的金属板；d.两片带有半孔通道夹紧冷媒盘管的双层金属板；e.冷媒盘管焊接在两块或多块独立的金属板之间的组合金属板；f.半导体电制冷片或者绑定有半导体电制冷片的金属板。

7.根据权利要求1所述的一种制造真空腔均热板的封装装置，其特征在于当所述的封口端夹紧治具(7)是与液压、气压或者电动设备连接，通过其活动组件控制封口端夹紧治具的开合、夹紧动作。

8.根据权利要求1所述的一种制造真空腔均热板的封装装置，其特征在于当所述的封口端夹紧治具(7)本身作为焊接封口时的焊接组件，或者将焊接组件设置于封口端夹紧治具(7)的上方。

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