一種超薄泡沫銀為吸液芯的微型熱管制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電子器件能夠?qū)崿F(xiàn)快速導(dǎo)和散熱應(yīng)用微型熱管的制造方法，特別涉及利用超薄結(jié)構(gòu)泡沫銀作為吸液芯的微型熱管的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電子熱管理是半導(dǎo)體和電子行業(yè)中的一個重要領(lǐng)域，因?yàn)闊峁芾砭褪菍Π雽?dǎo)體電子設(shè)備的運(yùn)行溫度進(jìn)行有效的熱控制，以保證其工作的穩(wěn)定性和可靠性。隨著信息技術(shù)、通訊、LED和太陽能等微電子技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，半導(dǎo)體電子元器件尺寸已經(jīng)從微米量級進(jìn)入亞微米和納米量級。隨著電子器件集成化的程度越來越高，電子器件的高頻、高速以及集成電路的高密度和體積趨于微小化使得單位容積的電子元件發(fā)熱量和單個芯片的能耗加大，設(shè)備緊湊化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)又使得散熱更加困難，因而迫切需要解決器件集成后的高效散熱技術(shù)難題。這一問題對高速發(fā)展的便攜電子和通訊設(shè)備、高電壓大功率電子器件以及軍事裝備上的電子元器件至關(guān)重要。熱管技術(shù)的發(fā)明與發(fā)展，為半導(dǎo)體和電子散熱提供了重要的解決方法和途徑。
[0003]熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的新型傳熱元件，它通過在全封閉真空管內(nèi)的液體介質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，它利用毛細(xì)吸附作用等流體原理，起到良好的制冷效果。具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、溫度可控制等特點(diǎn)。將熱管散熱器的基板與晶閘管、IGBT、IGCT等大功率電力電子器件的管芯緊密接觸，可直接將管芯的熱量快速導(dǎo)出。
[0004]吸液芯是熱管的一個重要組成部分。吸液芯的結(jié)構(gòu)形式將直接影響到熱管和熱管換熱器的性能。近年來隨著熱管技術(shù)的發(fā)展，各國研究者在吸液芯材料、結(jié)構(gòu)和理論研究方面做了大量工作，一個性能優(yōu)良的管芯應(yīng)具有:(I)足夠大的毛細(xì)抽吸壓力，或較小的管芯有效孔徑；(2)較小的液體流動阻力，即有較高的滲透率；(3)良好的傳熱特性，即有小的徑向熱阻；(4)良好的工藝重復(fù)性及可靠性，制造簡單，價(jià)格便宜。
[0005]針對目前普遍直接采用微米級銅粉制成的燒結(jié)銅吸液芯微型熱管，其燒結(jié)銅粉的孔隙率大致在40-50%，孔隙率相對低，循環(huán)過程中回流熱阻相對大。為了解決這兩個吸液芯存在的關(guān)鍵問題，提出本
【發(fā)明內(nèi)容】
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對目前直接用銅粉進(jìn)行燒結(jié)作為吸液芯，存在孔隙率低影響液體介質(zhì)相變循環(huán)速度和相對增大冷凝端液體回流阻力，提出一種采用超薄泡沫銀為吸液芯的熱管。與現(xiàn)有用銅粉燒結(jié)制成的燒結(jié)銅為吸液芯的熱管相比，采用超薄泡沫銀為吸液芯后，泡沫銀本身的熱導(dǎo)率是金屬中最好之一，泡沫銀的孔隙率可高達(dá)60-90%，孔徑大小是分級構(gòu)造，使得液體介質(zhì)產(chǎn)生較強(qiáng)的毛細(xì)吸力，促使相變過程和液-汽循環(huán)速度加快，特別是大大加快了氣體在冷凝端轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗪蟮幕亓魉俣龋档屠淠笠后w介質(zhì)回流的熱阻，提高了散熱效率，有效解決高發(fā)熱量電子元件所需快速散熱問題。
【附圖說明】
[0007]圖1是銅管置于通孔的多孔陶瓷模板上的示意圖
圖2是不銹鋼或陶瓷中間柱放入后的結(jié)構(gòu)，放入超薄泡沫銀的示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0008]常規(guī)微型熱管采用外徑為4、5、6、8、10、12.7、16mm的純銅管，壁厚可選用0.2、
0.3,0.4或0.5_，根據(jù)吸液芯的厚度要求，分別選用不同直徑的不銹鋼或氧化鋁陶瓷中間柱，銅管切割并清洗干燥后，可以縮頸處理也可以不做縮頸處理，直接置于圖1的支撐模板上，模板采用通孔的多孔陶瓷板，如多孔的堇青石、莫來石等作為模板。
[0009]根據(jù)熱管的長度設(shè)計(jì)，結(jié)合所需不同孔隙率的超薄泡沫銀的厚度，選取合適大小的超薄泡沫銀，切割卷曲后放入銅管與不銹鋼或陶瓷中間柱之間的孔隙中，如圖2所示。
[0010]將其推入還原爐內(nèi)，爐子用氮?dú)獬浞窒礌t，保證后續(xù)通入氫氮混合氣體時的安全。還原氣氛用氫氮混合氣，混合氣中氫的含量可以在10%_75%之間均可。通常在溫度為500°C以上時，通入氫氮混合氣。還原溫度在700C-900°C之間，還原時間在30分鐘至2小時，還原后隨爐冷卻至室溫(實(shí)際操作在小于等于80°C即可取出)?？芍苽渌璧母呖紫堵实某∨菽y為吸液芯的厚度從0.1毫米到2毫米進(jìn)行調(diào)節(jié)。若吸液芯厚度偏厚時，則還原燒結(jié)溫度可選適當(dāng)高的溫度和延長保溫時間等。
[0011]然后進(jìn)行圓狀熱管縮頸處理、注液、封裝和散熱性能測試過程。首先是取出中間柱，檢測燒結(jié)后超薄泡沫銀在熱管中位置是否滿足要求。檢測滿足要求后，進(jìn)行下端拉拔，并用氬弧摩擦焊接。上端后續(xù)進(jìn)行拉拔縮頸后，進(jìn)行抽真空注液，然后封裝焊合。注液量的多少是根據(jù)超薄泡沫銀的孔隙率的量來計(jì)算所需液體介質(zhì)的量，實(shí)際注液量是通過傳感器根據(jù)注液量直接控制，通常稍有偏差。這樣就完成了超薄泡沫銀經(jīng)高溫還原燒結(jié)的微型熱管的制造。
[0012]后續(xù)設(shè)計(jì)所需的彎曲形變工序和常規(guī)燒結(jié)銅熱管的彎曲形變制備方法相似。
[0013]本發(fā)明提供了一種通過超薄泡沫銀經(jīng)過還原燒結(jié)工藝，制得不同孔隙率的超薄泡沫銀作為吸液芯的熱管。經(jīng)熱性能測試與分析發(fā)現(xiàn)，散熱功率有明顯提高且液體回流的熱阻明顯下降，相變循環(huán)速度加快，滿足電子設(shè)備所需的超快速散熱要求。本發(fā)明制備方法簡單、操作方便，設(shè)備簡單，生產(chǎn)過程無污染，產(chǎn)品質(zhì)量好(產(chǎn)品純度高、結(jié)構(gòu)可控)，但作為貴金屬銀的應(yīng)用，相對成本比較高，故適合高端裝備所需的熱管理器件應(yīng)用。
[0014]具體實(shí)例
以下是利用超薄泡沫銀，制備0.4毫米厚度不同孔隙率的吸液芯的外徑為8 mm的微型熱管。
[0015](I)根據(jù)所選純銅管(紫銅或無氧銅)的外徑為8毫米、壁厚為0.3毫米的銅管；
(2)清洗干燥后，置入多孔堇青石模板，保證垂直定位，然后按照定位方式分別放入直徑為6.6 mm的不銹鋼或氧化鋁陶瓷中間柱；
(3)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選取合適大小的0.4毫米厚度的超薄泡沫銀，經(jīng)卷曲后與不銹鋼或陶瓷中間柱一并插入銅管的孔隙中；
(4)轉(zhuǎn)入還原爐進(jìn)行高溫還原燒結(jié)，首先低溫下采用氮?dú)庀礌t，當(dāng)溫度達(dá)500°C以上通入氫氮混合氣氛，進(jìn)行高溫還原燒結(jié)的熱機(jī)械處理，氫氮混合比為(75-10%)(氫氣):(25-90% (氮?dú)?，加熱速度為15-200C /分，至850°C保溫I小時；
(5)然后按照常規(guī)熱管制造方法，其一端進(jìn)行縮頸和氬弧焊接，另一端進(jìn)行縮頸后，注水、抽真空和封裝。然后經(jīng)二次除氣，制得不同孔隙率的超薄泡沫銀為吸液芯的微型熱管。注液量的多少是根據(jù)超薄泡沫銀的孔隙率的數(shù)量進(jìn)行計(jì)算。
[0016]制得的上述不同孔隙率超薄泡沫銀為吸液芯的圓狀熱管，可與直接用銅粉燒結(jié)的燒結(jié)銅為吸液芯的熱管相比，經(jīng)測試Qmax提高明顯，且熱阻大大減少。表明由超薄泡沫銀為吸液芯制備的熱管具有高效散熱效果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種由超薄泡沫銀作為吸液芯的微型熱管制備方法，其特征在于選用超薄泡沫銀作為吸液芯，具有高孔隙率、高熱導(dǎo)率和分級構(gòu)造的孔徑變化特點(diǎn)，制成具有小的熱阻和高的熱傳導(dǎo)功率的熱管。2.如權(quán)利要求1所述的超薄泡沫銀為吸液芯的微型熱管的方法，其制備過程包括:(I)銅管清洗干燥，其中一端可進(jìn)行拉拔縮頸處理，也可在步驟(4)進(jìn)行；(2)將超薄泡沫銀按照大小要求切割并卷曲，隨中間柱一并置于?；驃A具中；(3)還原燒結(jié)；(4)如步驟(I) 一端已拉拔縮頸，則將其進(jìn)行氬弧焊接，如兩端均未進(jìn)行拉拔縮頸，則一端需要進(jìn)行拉拔縮頸并進(jìn)行氬弧焊接，另一端需拉拔縮頸用于注液；(5)注液、抽真空和機(jī)械封裝；(6)加熱進(jìn)行二次除氣并機(jī)械封裝端口 ；(7)機(jī)械封裝端口進(jìn)行氬弧焊接；(8)圓狀熱管溫差、熱阻和散熱功率等性能檢測；(9)根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行彎曲及形變成型；(10)熱阻和散熱功率等性能檢測，確?？煽啃院唾|(zhì)量。3.如權(quán)利要求1所述的超薄泡沫銀為吸液芯的微型熱管制造方法，其特征在于超薄泡沫銀的孔隙率可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求高達(dá)50-90%，明顯高于銅粉或銀粉燒結(jié)制備的熱管，銅或銀粉燒結(jié)結(jié)構(gòu)為吸液芯的孔隙率一般在40-50%的范圍內(nèi)。4.如權(quán)利要求2所述的超薄泡沫銀為吸液芯的微型熱管的制造工藝過程，其泡沫銀與銅管壁采用還原燒結(jié)制備方法，還原氣氛采用氫氮混合氣體，氫:氮比例為(75%-10%):(25%-90%)(氫:氮比為75%:25%時是液氨分解的比例)，氫的比例下降是利用氮?dú)鈦碚{(diào)整，在上述范圍內(nèi)均滿足還原燒結(jié)和質(zhì)量氣氛要求。5.如權(quán)利要求2所述的超薄泡沫銀為吸液芯的微型熱管的制備工藝過程，其還原燒結(jié)的溫度在700°C到900°C均滿足還原燒結(jié)的溫度范圍，還原燒結(jié)時間在20分鐘至2小時，根據(jù)所制備的高孔隙率的超薄泡沫銀厚度從0.1毫米到2毫米進(jìn)行調(diào)節(jié)，按照上述時間范圍，厚度薄時，還原燒結(jié)時間可適當(dāng)縮短和溫度可選擇適當(dāng)?shù)托?，厚度厚時，還原燒結(jié)時間和適當(dāng)延長和溫度可選擇適當(dāng)高些。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超薄泡沫銀為吸液芯的微型熱管制造方法。該方法與常規(guī)燒結(jié)銅熱管相似，不同點(diǎn)在于采用超薄泡沫銀取代銅粉或銀粉燒結(jié)作為吸液芯，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)等工序制得所需孔隙率的超薄泡沫銀為吸液芯的熱管方法。 微型熱管通常由銅粉直接燒結(jié)制得，其燒結(jié)銅吸液芯孔隙率一般為40-50%。利用超薄泡沫銀制得的熱管，吸液芯孔隙率高達(dá)60-90%，且孔隙率可根據(jù)需要設(shè)計(jì)。本發(fā)明所采用的超薄泡沫銀具有良好的毛細(xì)吸力、均勻的分級構(gòu)造、孔隙率和熱導(dǎo)率高，有利于加速液體介質(zhì)的相變循環(huán)速度，減少熱管熱阻，明顯提高散熱效率。該制造方法簡單，生產(chǎn)過程無污染，能夠滿足高熱流密度的電子裝備所需高導(dǎo)熱效率和小型化的要求，因價(jià)格原因適合高端裝備熱管理應(yīng)用。
【IPC分類】F28D15/02
【公開號】CN104930888
【申請?zhí)枴緾N201410099936
【發(fā)明人】施忠良, 王虎, 施忠偉, 邱晨陽
【申請人】江蘇格業(yè)新材料科技有限公司
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2014年3月18日