一种具有泡沫金属与铜粉复合毛细结构的均热板.pdf

本发明公开了一种具有泡沫金属与铜粉复合毛细芯结构的均热板，其主体为一上盖及一下盖组成的真空腔体，腔体内具有泡沫金属及铜粉构成的复合毛细芯结构，灌注有一定量的低温沸腾传热工质。其中上下盖均由脱氧紫铜板制成。由泡沫金属板与一定尺寸铜粉经固相烧结组成复合毛细芯结构，相对传统毛细芯结构，具有下层毛细力大，上层渗透阻力小，毛细力可精确控制，接触热阻小等显著优点；上下盖板毛细芯结构可设计为一体，提高了回流能力。本发明具有泡沫金属与铜粉复合毛细芯结构的均热板相对传统产品，在同样散热效果下具有成本低，散热效率高，寿命长等显著优点。

1.  一种具有泡沫金属与铜粉复合毛细芯结构的均热板，包括：上盖板、下盖板和毛细芯；毛细芯位于上盖板和下盖板形成的空腔中；该空腔中灌注低温沸腾传热工质并抽真空；其特征在于：所述毛细芯通过固相扩散与上盖板和下盖板连接；毛细芯为泡沫金属与铜粉的烧结复合板经过弯折形成的框形结构，泡沫金属中的铜粉层位于框形结构的外侧，其中，框形结构的空心高度为3～8mm；泡沫金属与铜粉的烧结复合板是在泡沫金属中填充铜粉后烧结形成，铜粉的粒度小于泡沫金属的孔隙孔径，铜粉位于泡沫金属的下部，泡沫金属与铜粉的烧结复合板厚度为0.3～1.6mm，铜粉填充量占泡沫金属孔隙体积百分比的40～60％；所述泡沫金属为泡沫铜或泡沫镍。

2.  根据权利要求1所述的具有泡沫金属与铜粉复合毛细芯结构的均热板，其特征在于：所述低温沸腾传热工质为纯水、乙醇或甲醇。

3.  根据权利要求1所述的具有泡沫金属与铜粉复合毛细芯结构的均热板，其特征在于：所述铜粉的粒径为100～300目。

4.  根据权利要求1所述的具有泡沫金属与铜粉复合毛细芯结构的均热板，其特征在于：所述毛细芯通过固相扩散与上盖板和下盖板连接是将泡沫金属与铜粉的烧结复合板弯折成框形结构后置于上盖板和下盖板组成的腔体中，在875～950℃、氢气保护气氛下保温30～90分钟。

5.  权利要求1-5任一项所述具有泡沫金属与铜粉复合毛细芯结构的均热板的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)泡沫金属与铜粉的烧结复合板的制备：在烧结模具中放置泡沫金属，然后将铜粉加入泡沫金属中，铜粉填充量占泡沫金属孔隙体积百分比的40～60％；于850～950℃、氢气保护气氛下烧结30～90分钟；所述烧结模具由上模和下模组成的烧结腔；上模用作压紧块；
(2)框形结构制备：将步骤(1)所得的泡沫金属与铜粉的烧结复合板经过弯折形成的框形结构，泡沫金属中的铜粉层位于框形结构的外侧；
(3)均热板的制备：工艺垫片置于泡沫金属与铜粉的烧结复合板经过弯折形成的框形结构中，并将框形结构放入由上盖板和下盖板组成的空腔中，在氢气气氛下加热至875～950℃，保温30～90分钟，使毛细结构中底层铜粉与上下盖板通过固相扩散连接，随炉冷却至200℃以下，取出工艺垫片，将上盖板和下盖板压合，压合后均热板内腔高度1～5mm，灌注低温沸腾传热工质，抽真空后焊接密封，制得均热板。

6.  根据权利要求5所述的具有泡沫金属与铜粉复合毛细芯结构的均热板的制备方法，其特征在于：所述的上盖板和下盖板采用脱氧紫铜板为胚料。

一种具有泡沫金属与铜粉复合毛细结构的均热板
技术领域
本发明属于一种散热用均热板，特别是涉及一种具有泡沫金属与铜粉复合毛细结构的均热板。
背景技术
随着微电子技术的发展，电子元件的单位面积的发热量不断提高，但是体积却要求越来越小，因此高热流密度元件的散热问题已经成为影响电子器件设计的关键技术问题之一。近两年来，传统的风冷散热已经达到散热能力的极限，而液冷散热方式存在成本高，结构复杂，有渗漏风险等缺点制约其普及发展。随着散热能力要求的提高，应用液体相变时传递大量热量原理制成的相变散热元件开始被大量应用。相变散热模块由实心压铸件、热导管、热交换鳍片、风扇组成。热导管与压铸件组合之散热效果虽较单一压铸件底座好，然散热底座上近热源点与远热源点温差仍可达10℃以上，散热效果仍未臻理想。为了解决此矛盾，均热板的概念被提出，即在同样的原理下，将热管设计为平板状，其受热面直接与热源(芯片)接触，由传统热管的一维方向散热转化为二维散热，并突出在径向方向的小热阻及均温能力。均热板的均温性可针对此点改善，功能上取代实心压铸件与热导管之组合。均热板于信息产品散热之应用(林道燊，CompoTech China，2008年12月)公开了一种均热板；该均热板可视为热管的变形，其外观上为一平面板状物，上下各有一盖相互密合，其内有铜柱支撑。均热板上下两铜片以无氧铜为材质，通常以纯水为工作流体，毛细结构以铜粉烧结或铜网之工艺制作。然而，铜粉烧结毛细芯渗透率较低，铜网毛细芯结构接触热阻较大，单一结构的毛细微结构性能已很难提高。
发明内容
本发明专利要解决的技术问题单一结构的毛细芯性能低的问题，提供一种渗透阻力小、对工质提供较大的毛细力大的具有泡沫金属与铜粉复合毛细芯结构的均热板。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种具有泡沫金属与铜粉复合毛细芯结构的均热板，包括：上盖板、下盖板和毛细芯；毛细芯位于上盖板和下盖板形成的空腔中；该空腔中灌注低温沸腾传热工质并抽真空；所述毛细芯通过固相扩散与上盖板和下盖板连接；毛细芯为泡沫金属与铜粉的烧结复合板经过弯折形成的框形结构，泡沫金属中的铜粉层位于框形结构的外侧，其中，框形结构的空心高度为3～8mm；泡沫金属与铜粉的烧结复合板是在泡沫金属中填充铜粉后烧结形成，铜粉的粒度小于泡沫金属的孔隙孔径，铜粉位于泡沫金属的下部，泡沫金属与铜粉的烧结复合板厚度为0.3～1.6mm，铜粉填充量占泡沫金属孔隙体积百分比的40～60％；所述泡沫金属为泡沫铜或泡沫镍。
为进一步实现本发明目的，所述低温沸腾传热工质为纯水、乙醇或甲醇。
所述铜粉的粒径为100～300目。
所述毛细芯通过固相扩散与上盖板和下盖板连接是将泡沫金属与铜粉的烧结复合板弯折成框形结构后置于上盖板和下盖板组成的腔体中，在875～950℃、氢气保护气氛下保温30～90分钟。
本发明另一目的在于提供上述具有泡沫金属与铜粉复合毛细芯结构的均热板的制备方法。该目的通过如下方法实现：
具有泡沫金属与铜粉复合毛细芯结构的均热板的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)泡沫金属与铜粉的烧结复合板的制备：在烧结模具中放置泡沫金属，然后将铜粉加入泡沫金属中，铜粉填充量占泡沫金属孔隙体积百分比的40～60％；于850～950℃、氢气保护气氛下烧结30～90分钟；所述烧结模具由上模和下模组成的烧结腔；上模用作压紧块；
(2)框形结构制备：将步骤(1)所得的泡沫金属与铜粉的烧结复合板经过弯折形成的框形结构，泡沫金属中的铜粉层位于框形结构的外侧；
(3)均热板的制备：工艺垫片置于泡沫金属与铜粉的烧结复合板经过弯折形成的框形结构中，并将框形结构放入由上盖板和下盖板组成的空腔中，在氢气气氛下加热至875～950℃，保温30～90分钟，使毛细结构中底层铜粉与上下盖板通过固相扩散连接，随炉冷却至200℃以下，取出工艺垫片，将上盖板和下盖板压合，压合后均热板内腔高度1～5mm，灌注低温沸腾传热工质，焊接密封，制得均热板。
所述的上盖板和下盖板优选采用脱氧紫铜板为胚料。
本发明专利与现有技术相比，具有显著的优点和有益效果：
毛细结构是相变传热元件设计中非常重要，单一结构的毛细芯结构性能已很难提高，传统相变导热元件中的毛细芯结构局限于粉体烧结结构、单层或多层丝网、机械加工沟槽及其复合结构。本发明提出了泡沫金属与铜粉烧结组成复合式毛细芯结构，相对传统毛细结构，其具有以下优点：铜粉烧结层有效毛细半径小，可以对工质提供较大的毛细驱动力；泡沫金属的多孔骨架结构渗透阻力小，可以保护底层工质回流不受蒸汽冲刷，减小工质回流损失，组合而成的复合毛细芯结构优势明显；其可以通过预加工而成一定形状的中间制品，其塑性较好，可在均热板内形成连续的毛细芯结构，保证了上下盖板间工质回流。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明上盖板结构示意图；
图3为本发明下盖板结构示意图；
图4为本发明泡沫铜与铜粉复合板烧结工艺示意图；
图5a本发明泡沫铜与铜粉复合烧结板剖面结构示意图；
图5b为图5a上层泡沫铜电镜图；
图5c为图5a下层泡沫铜与铜粉复合烧结后的电镜图；
图6为本发明由复合板加工而成的毛细芯结构框形中间制品结构示意图；
图7为本发明毛细芯结构扩散连接工艺示意图；
图8为本发明工作实例示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方案对本发明作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，一种具有泡沫金属与铜粉复合毛细芯结构的均热板，包括上盖板1、下盖板2和位于上盖板1和下盖板2形成的空腔中的毛细芯3。上盖板1和下盖板2采用TP-2脱氧铜板为胚料(也可采用其它类型的脱氧紫铜材)，通过冲压成形(或机械加工)成如图2及图3所示凹腔形结构，凹腔形结构四周为焊接密封带，该凹腔形空腔中灌注低温沸腾传热工质。
如图5b示，泡沫金属(一般为板状，泡沫金属主要有泡沫铜、泡沫镍)为骨架形多孔疏松结构)；泡沫金属与铜粉烧结而成的复合烧结板经弯折后形成图6示的框形结构，其上下面分别与均热板的上盖板1和下盖板2内壁固相扩散连接。毛细芯为泡沫金属与铜粉的烧结复合板经过弯折形成的框形结构，泡沫金属中的铜粉层位于框形结构的外侧，其中，框形结构的空心高度为3～8mm；如图5a、5c所示，泡沫金属与铜粉的烧结复合板是在泡沫金属中填充铜粉后烧结形成，铜粉的粒度小于泡沫金属的孔隙孔径，铜粉位于泡沫金属的下部，泡沫金属与铜粉的烧结复合板厚度为0.3～1.6mm，铜粉填充量占泡沫金属孔隙体积百分比的40～60％。
泡沫金属板与铜粉的复合结构中，铜粉在氢气气氛保护烧结下通过固相扩散连接在泡沫金属的骨架上，铜粉层能提供较大的毛细力，泡沫金属板的孔隙率大，渗透性较好，可以减少回流工质受蒸汽流冲刷的损失。该毛细结构使上下表面间有联通的毛细通道，大大加强工质的回流能力，提高了均热板的蒸发极限。将上表面(冷凝面)凝结的工质输送到下表面(蒸发面)，同时加强工质在冷凝面的凝结速度和在蒸发面的气化速度。泡沫金属板与铜粉的复合结构能加大工质的气化及冷凝速度，提高在蒸发面和冷凝面的传热能力。因此，使用泡沫金属板与铜粉的复合毛细芯结构可以提高均热板的蒸发极限，减小各部分间接触热阻并提供极好的工质输送能力，从而减小均热板的整体热阻，提高其传热能力及均热性能，达到提均热板性能的目的。
以外尺寸55mm×55mm×4mm，内腔尺寸50mm×50mm×2mm的均热板为例，说明其毛细芯结构加工工艺。其复合毛细结构由泡沫铜板及球形铜粉烧结为复合板后冲压弯折而成。
泡沫铜板与铜粉复合板的烧结制造：如图4示，烧结模具结构包括压紧块(上模)4、泡沫铜板5、烧结腔(下模)6和铜粉层7。泡沫铜板孔隙率为110ppi(每英寸孔数)、厚度为1.6mm、面密度为400g/m²；铜粉层7的铜粉为200目球形铜粉，铜粉填充量为填充泡沫铜孔隙体积百分比的40～60％。制备时，首先将泡沫铜板5压缩至所需厚度0.4mm，压缩工艺采用小型压力机(压力3t以下)即可，压扁至0.4mm(通过垫片精确控制压缩厚度)，保持30s，开模取件。泡沫铜板经压缩后，剪裁为50mm×114mm，置于模具的凹腔中(模具凹腔略大于泡沫铜板尺寸，便于取件)，压实后在凹腔中添加可填充泡沫铜板约40～60％孔隙体积的铜粉，由于铜粉的粒度小于泡沫铜板的孔隙孔径，铜粉会填充其孔隙并沉积在底部形成一约0.2mm厚、具有较小毛细半径(≤75μm)的铜粉层。将整个模具在氢气气氛保护下加热至850～950℃，保温30～90分钟，使铜粉与铜粉、铜粉与泡沫铜骨架通过固相扩散连接，随炉冷却至200℃以下取样，即可得到泡沫铜板与铜粉的复合板，如图5示。
图5示泡沫铜板与铜粉的复合板剖面结构，其基体为泡沫铜板骨架结构，底层有一层0.2mm铜粉与泡沫铜板的复合毛细层(图5c)。底层毛细半径≤75μm，可以提供较大的毛细力；上层的泡沫铜孔隙率较大(≥95％)，渗透阻力较小，同时可以保护底层工质回流时不受蒸汽冲刷，减小工质回流损失。毛细芯结构中间制品的制造：将烧结好的泡沫铜板与铜粉复合板经冲压弯折成图6所示框形结构，其尺寸为50mm×50mm×7mm，复合板的底层铜粉层位于外表面。由于烧结而成的复合板强度较小、塑性较好，此工序亦可采用模具手工弯曲制成。
泡沫金属铜粉复合毛细芯结构与上下盖板固相烧结连接：如图7示，上盖板1、下盖板2、毛细芯3中间制品、工艺垫片8。在上述预成形工艺后制成的毛细芯结构中间制品中塞入三块2mm厚工艺垫片8(单块垫块厚度应小于压紧后上下盖焊接带间距以保证可以取出)，再将毛细结构与上盖板1、下盖板2压紧，在气氛保护炉中加热至875～950℃，在氢气保护气氛下保温30～90分钟，使毛细结构中底层铜粉与上下盖板通过固相扩散连接，随炉冷却至200℃以下取样，并依次取出工艺垫片8，即可使毛细芯结构连接至上下盖板内表面。此种连接方式可以保证毛细芯结构与盖板间的良好接触，具有较小的接触热阻，同时保证上下盖间毛细芯结构为一体。此时压缩上盖板1和下盖板2，由于泡沫金属具有优良的塑性变形能力，连接上下盖板毛细芯结构壁即会向内弯曲直至上下盖板闭合，将上下盖板四周的焊缝焊接密封，即可在密封腔体中形成连续的毛细芯结构。
上下盖板的焊接密封：如上述，在毛细结构中间制品与上下盖板经固相烧结连接后，取出垫片，将上下盖板压合，将上下盖板焊缝对接压紧，使用压力焊接机压焊密封焊缝即可，其工艺与一般均热板压力焊接无异，故不详尽说明。
均热板的灌注工质与抽真空：通过一抽口，向均热板中灌注相当于毛细结构孔隙体积50％-80％的工质，再抽至1.3×10^-1-10^-4p_a的真空度后将抽口密封。此工艺与一般热管的灌注工质与抽真空工艺无异，故不详尽说明。
如图8示，工作时，热源9置于所述均热板下表面，通过涂覆导热硅胶并加以一定压紧力保证紧密接触，热源的热量传递至其下盖板2，再经毛细芯结构3传递给工质，工质蒸发为气态，以音速充满均热板腔体，在上表面的毛细芯结构上冷凝为液态，将热量传递给上盖板1，同时液态的工质通过连接上下表面毛细芯结构的通道，由上表面回流至下表面，如此循环。传递至上表面的热量由热沉10散发至周围环境。
以上所述，仅是本发明专利的较佳实施方案而已，并非对本发明做任何形式的限制，任何熟悉本专业的方法人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实施方案，但是凡是未脱离本发明的技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施方案所作的任何简单修改，等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围。