一種泡沫銅為吸液芯的均熱板制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到一種半導(dǎo)體和電子裝備中二維(平面)結(jié)構(gòu)快速散熱的器件，即均熱板及其制法，特別是一種采用高孔隙率分級構(gòu)造的泡沫銅為吸液芯的均熱板及其制法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體和電子技術(shù)的快速發(fā)展，對芯片的散熱提出了更高的要求，傳統(tǒng)的散熱方式是利用風(fēng)扇強制對流對金屬散熱器進行冷卻，這種方式遠遠不能滿足目前芯片的高熱流密度和電子設(shè)備微小型化的要求。熱管技術(shù)的應(yīng)用解決了利用一維結(jié)構(gòu)特征將高熱流密度快速導(dǎo)出并散熱的難題。而均熱板(vapor chamber)的工作原理與熱管相似，區(qū)別在于熱管傳熱是一維，均熱板傳熱是二維，相對于熱管而言，均熱板可以將集中的熱源熱量傳遞到更大的面積，因此均熱板的傳熱特性更好。均熱板作為一種特殊形式的熱管，直觀或簡單地可認(rèn)為是二維平面結(jié)構(gòu)的熱管(所以也稱平面熱管)，內(nèi)部處于真空狀態(tài)并注入一定量的液態(tài)工作介質(zhì)。內(nèi)壁具有毛細芯結(jié)構(gòu)，當(dāng)均熱板受熱時，其蒸發(fā)面的工作介質(zhì)快速蒸發(fā)變成蒸汽，蒸汽通過蒸汽腔快速傳到冷凝面放熱并由氣態(tài)凝結(jié)成液體，液體在毛細作用下通過毛細芯結(jié)構(gòu)又快速回到受熱的蒸發(fā)面，形成汽液相快速流動和相變的循環(huán)，實現(xiàn)將熱量從受熱面快速傳出并散熱的效果。
[0003]其制備過程與熱管也基本相似，僅僅的差異即為均熱板產(chǎn)品制作上通常是先抽真空再注入液相介質(zhì)，以便使得液相介質(zhì)能填滿吸液芯的所有微結(jié)構(gòu)。充填的工質(zhì)除了甲醇、酒精、丙酮等外，正常使用溫度下用的最多的是去離子水，因為水的比熱容大，且環(huán)保，并可進一步提升均熱板的效能及使用壽命。目前均熱板內(nèi)常用的吸液芯的微結(jié)構(gòu)主要有兩種型態(tài):銅粉燒結(jié)結(jié)構(gòu)和編織銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)。前者銅粉燒結(jié)結(jié)構(gòu)由于制備大平面結(jié)構(gòu)，其燒結(jié)效果特別是整體均勻性和平整性不易控制；而后者編織銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)是以其與銅板的擴散接合，孔徑相近造成毛細吸力效果不佳，所以結(jié)合效果和散熱功率尚需進一步提高。
[0004]均熱板的發(fā)展趨勢是需要散熱功率更高，尺寸更薄，目前無論是銅粉燒結(jié)還是編織銅網(wǎng)燒結(jié)結(jié)構(gòu)，在產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和散熱功率兩方面仍需不斷提高。希望得到更高的散熱功率Qmax和進一步降低熱阻，這就需要尋找一種更適合的材料來滿足產(chǎn)品應(yīng)用和市場要求。江蘇格業(yè)新材料科技有限公司開發(fā)的分級構(gòu)造泡沫銅是一種非常合適的吸液芯材料，可以滿足上述性能和制備的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對目前銅粉燒結(jié)和編織銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)的均熱板存在的問題，本發(fā)明提出了一種利用分級構(gòu)造泡沫銅為吸液芯的均熱板的制作方法，該分級構(gòu)造泡沫銅作為吸液芯具有良好的毛細現(xiàn)象和結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)液態(tài)介質(zhì)相變和快速循環(huán)，且散熱功率較高和產(chǎn)品性能一致性好。所以本發(fā)明提出一種泡沫銅為吸液芯均熱板，該泡沫銅為江蘇格業(yè)新材料科技有限公司生產(chǎn)的分級構(gòu)造泡沫銅，孔徑大小范圍在300納米到I毫米之間，孔隙率可根據(jù)設(shè)計要求在40%-95%范圍內(nèi)選擇。
[0006]本發(fā)明的一種分級構(gòu)造泡沫銅為吸液芯均熱板的制造，其泡沫銅的微結(jié)構(gòu)如圖1所示，其孔徑是分級構(gòu)造；泡沫銅為吸液芯的均熱板的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其蒸汽腔的中間支撐柱模板結(jié)構(gòu)如圖3所示，具體泡沫銅均熱板制造的主要步驟如下:
(1)模板加工與清洗:根據(jù)設(shè)計要求，采用材質(zhì)為紫銅(純銅)的銅板或銅箔根據(jù)設(shè)計要求加工成上蓋板和下底板，并對其表面在加工后經(jīng)清洗和烘干處理；
(2)泡沫銅和支撐柱的加工:將分級構(gòu)造泡沫銅根據(jù)上蓋板和下底板內(nèi)腔結(jié)構(gòu)沖切加工，并沖切加工所需厚度的分級構(gòu)造泡沫銅圓柱作為中間支撐柱(厚度根據(jù)通常蒸汽腔要求至少大于或等于0.8毫米)，該支撐銅柱的數(shù)量根據(jù)均熱板內(nèi)腔結(jié)構(gòu)布局，支撐柱的直徑可選擇為3至8毫米大小的泡沫銅；
(3)泡沫銅與模板間的組裝:將泡沫銅置入相應(yīng)的上蓋板和下底板內(nèi)；并根據(jù)支撐柱布局結(jié)構(gòu)的不銹鋼模板置于底板和泡沫銅的上面，將泡沫銅支撐柱置入模板相應(yīng)的位置；不銹鋼模板對下底板的泡沫銅也起到一定的壓力作用，保證燒結(jié)結(jié)合效果；
(4)高溫還原燒結(jié)處理:高溫還原設(shè)置的最高溫度在850°C-1050°C之間選取，燒結(jié)保溫時間在30分鐘至2小時內(nèi)選取，目的是實現(xiàn)泡沫銅與上蓋板和下底板之間以及泡沫銅及泡沫銅支撐柱之間的燒結(jié)結(jié)合。具體溫度和時間的選擇原則可以根據(jù)泡沫銅與蓋板和底板之間結(jié)合強度來確定，若需結(jié)合強度大，則選擇溫度高和保溫時間相對長；
(5)焊接組裝:上蓋板和下底板根據(jù)設(shè)計要求，將四周結(jié)合邊緣除抽真空注液口外進行真空或保護氣氛下的銅銀焊接或擴散焊接；
(6)封裝:根據(jù)真空度要求，進行抽真空、注液和封裝；
(7)性能測試和檢驗:封裝后進行散熱功率Qmax和熱阻等熱性能的測試和檢驗，確保均熱板的質(zhì)量；
本發(fā)明的均熱板的主要結(jié)構(gòu)組成為如圖2所示:
1.中空外殼，其包含材質(zhì)為紫銅的銅板或銅箔加工成的上蓋板及下底板，通過焊接結(jié)合，并形成一個密封的腔室；
2.吸液芯部分的毛細結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)，均為分級構(gòu)造泡沫銅，并通過高溫還原氣氛下的擴散結(jié)合在一起，結(jié)合良好，吸液芯的泡沫銅與上下模板之間的結(jié)合良好；
3.液態(tài)介質(zhì)，例如去離子水，其加入量以充填在毛細結(jié)構(gòu)和支撐柱結(jié)構(gòu)中的孔隙的量為理論推薦值。
[0007]因此本發(fā)明的均熱板內(nèi)部是由三層分級構(gòu)造的多孔銅之間的組合，上蓋板和下底板內(nèi)表面與泡沫銅之間的結(jié)合均為良好的擴散結(jié)合。由于支撐柱也采用了毛細結(jié)構(gòu)的泡沫銅，介質(zhì)汽液轉(zhuǎn)換后液相的回流效果明顯，提高了散熱效果。
[0008]支撐柱的結(jié)構(gòu)采用直徑為3-8毫米的圓柱排列，也可采用其他模板如方形結(jié)構(gòu)作為支撐，目的是達到支撐和回流的綜合效果。
【附圖說明】
[0009]圖1是分級構(gòu)造泡沫銅的微結(jié)構(gòu)掃描電鏡照片圖2是泡沫銅為吸液芯的均熱板內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖圖3是均熱板的中間支撐柱的模板結(jié)構(gòu)示意圖
圖4支撐柱為圓柱狀,厚度為2.6 mm的均熱板的結(jié)構(gòu)示意圖圖5支撐柱為方塊狀，厚度為3.6mm的均熱板的結(jié)構(gòu)示意圖圖6中