可組合設(shè)計(jì)的分級構(gòu)造泡沫銅均熱板的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到一種均熱板的制造方法，屬于半導(dǎo)體電子元器件領(lǐng)域，是通過采用不同孔隙率的分級構(gòu)造泡沫銅的組合設(shè)計(jì)作為吸液芯的均熱板及其制法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體電子器件的高頻、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，因此人們一直不斷尋求高效散熱的器件以滿足不斷發(fā)展的半導(dǎo)體和電子散熱要求。熱管理器件的設(shè)計(jì)和研發(fā)一直制約半導(dǎo)體和電子器件的快速發(fā)展，這一問題對高速發(fā)展的便攜電子和通訊設(shè)備、電子元件、高電壓大功率電子器件以及軍工和航空航天上的電子元器件等重大裝備至關(guān)重要。近十年來由熱管和均熱板構(gòu)建散熱模組的研發(fā)與應(yīng)用使得半導(dǎo)體電子器件得到快速發(fā)展。
[0003]半導(dǎo)體電子器件均熱板(Vapor Chamber)是一個內(nèi)壁具微結(jié)構(gòu)的真空腔體，當(dāng)熱由熱源傳導(dǎo)至蒸發(fā)區(qū)時(shí)，腔體里面的液相介質(zhì)會在低真空度的環(huán)境中，開始發(fā)生液相氣化，吸收熱能并且體積迅速膨脹，并逐步充滿整個蒸汽腔，氣相的介質(zhì)快速通過蒸汽腔，傳導(dǎo)到一個較冷的區(qū)域時(shí)便發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象，借由氣-液轉(zhuǎn)變釋放出在相變潛熱，凝結(jié)后的液相介質(zhì)會借由內(nèi)壁上微結(jié)構(gòu)的毛細(xì)現(xiàn)象再快速回流到熱源的蒸發(fā)端，此過程將在腔體內(nèi)周而復(fù)始地循環(huán)進(jìn)行，這就是均熱板的工作過程。由于介質(zhì)在蒸發(fā)時(shí)吸液芯的微結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的毛細(xì)力，所以均熱板的工作是不受重力的影響，也稱其反重力特性和應(yīng)用過程中的無方向性。均熱板具有擴(kuò)展熱阻低、均勻的熱通量、熱量快速擴(kuò)散、重量輕和無噪音等優(yōu)點(diǎn)，正在得到重視和不斷開發(fā)之中。
[0004]目前通常的均熱板是由形變加工的微型溝槽結(jié)構(gòu)、編織銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)或燒結(jié)銅粉結(jié)構(gòu)分別作為吸液芯來制造成均熱板的毛細(xì)結(jié)構(gòu)。然后在銅片/板上加工具有毛細(xì)現(xiàn)象的微型溝槽難度大，編織的銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)其毛細(xì)現(xiàn)象又不如意，燒結(jié)銅粉結(jié)構(gòu)又難以控制最后燒結(jié)的質(zhì)量，因而產(chǎn)品的不良率和制造費(fèi)用較高且效果不盡如意。而江蘇格業(yè)新材料科技有限公司生產(chǎn)的分級構(gòu)造泡沫銅均能克服上述三種毛細(xì)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，具有滿足均熱板吸液芯的特征和各種性能要求。因此，本發(fā)明是利用江蘇格業(yè)新材料科技有限公司生產(chǎn)的分級構(gòu)造泡沫銅作為吸液芯的均熱板，結(jié)合均熱板的傳熱特點(diǎn)，提出可組合設(shè)計(jì)的分級構(gòu)造泡沫銅均熱板的制造方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對目前溝槽結(jié)構(gòu)、編織銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)和燒結(jié)銅粉結(jié)構(gòu)的均熱板存在的問題，本發(fā)明提出了一種根據(jù)均熱板應(yīng)用特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特征，即蒸發(fā)端區(qū)域和其他部分液體介質(zhì)的流動差異，利用不同孔隙率的分級構(gòu)造泡沫銅進(jìn)行組合作為吸液芯的均熱板的制作方法，該分級構(gòu)造泡沫銅具有良好的毛細(xì)吸力，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。該分級構(gòu)造的泡沫銅由江蘇格業(yè)新材料科技有限公司生產(chǎn)，孔徑大小范圍在300納米到I毫米之間可控，孔隙率可根據(jù)設(shè)計(jì)要求在40%-95%范圍內(nèi)選擇。具體的設(shè)計(jì)方法:均熱板內(nèi)腔的吸液芯均采用分級構(gòu)造泡沫銅和泡沫銅柱，其中受熱蒸發(fā)端的部分，采用低孔隙率的分級構(gòu)造泡沫銅，其孔隙率可選擇在40-75% ;其他部分采用高孔隙率的分級構(gòu)造泡沫銅，孔隙率為60-95% ;孔徑大小范圍從300納米到I毫米；其厚度一般選擇相同厚度，在0.1毫米至3毫米之間根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇，但也可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求受熱蒸發(fā)端和其他部分選擇相近但不相同的厚度。
[0006]本發(fā)明的一種可組合設(shè)計(jì)的分級構(gòu)造泡沫銅為吸液芯均熱板的制造方法，其分級構(gòu)造泡沫銅的微結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以看出其孔的結(jié)構(gòu)和孔徑大小是不同的，即分級構(gòu)造結(jié)構(gòu)特征。不同孔隙率的泡沫銅為吸液芯組合設(shè)計(jì)的均熱板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)熱源的情況分別如圖2、3和4所示，其蒸汽腔的中間支撐柱模板結(jié)構(gòu)如圖5所示，具體可組合設(shè)計(jì)的分級構(gòu)造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(jì)要求，采用材質(zhì)為紫銅(純銅)的銅板或銅箔根據(jù)設(shè)計(jì)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:將不同孔隙率分級構(gòu)造泡沫銅根據(jù)均熱板熱傳導(dǎo)特點(diǎn)進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，采用模具結(jié)合上蓋板和下底板內(nèi)腔結(jié)構(gòu)中的位置和大小要求進(jìn)行沖切加工，并沖切加工設(shè)計(jì)所需厚度的分級構(gòu)造泡沫銅圓柱作為中間支撐柱(厚度通常根據(jù)蒸汽腔要求一般大于或等于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)和尺寸布局，通常每根支撐柱間隔為10-12毫米，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:將不同孔隙率厚度相同或相近的分級構(gòu)造泡沫銅按照組合結(jié)構(gòu)要求置入所設(shè)計(jì)的上蓋板和下底板內(nèi)；并將控制支撐柱布局結(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:通常高溫還原設(shè)置的最高溫度可在850°C-1050°C之間選取，燒結(jié)保溫時(shí)間在30分鐘至2小時(shí)內(nèi)選取，目的是實(shí)現(xiàn)不同孔隙率的分級構(gòu)造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有效的燒結(jié)結(jié)合。具體溫度和時(shí)間的選擇原則可以根據(jù)泡沫銅與上蓋板和下底板之間結(jié)合強(qiáng)度來確定，若需結(jié)合強(qiáng)度大，則選擇溫度高和保溫時(shí)間相對長；
(5)焊接組裝:將不同孔隙率的分級構(gòu)造泡沫銅已燒結(jié)的上蓋板和下底板根據(jù)焊接的模具或夾具要求，將四周結(jié)合邊緣(除抽真空注液口外)進(jìn)行真空或保護(hù)氣氛下的銅銀焊接或擴(kuò)散焊接；
(6)封裝:根據(jù)真空度要求，抽真空、注液和封裝；
(7)性能測試和檢驗(yàn):封裝后進(jìn)行散熱功率Qmax和熱阻等熱性能的測試和檢驗(yàn)，確保均熱板的質(zhì)量；
本發(fā)明的可組合設(shè)計(jì)的分級構(gòu)造泡沫銅均熱板的主要結(jié)構(gòu)組成如圖2、3和4所示:
1.殼體結(jié)構(gòu)，其包含材質(zhì)為純銅的銅板或銅箔加工成的上蓋板及下底板，然后將不同孔隙率的泡沫銅材料和支撐柱燒結(jié)在相應(yīng)的位置通過焊接結(jié)合，并形成一個具有蒸汽腔的密封的腔室結(jié)構(gòu)；
2.吸液芯部分的毛細(xì)結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)，是由不同孔隙率的分級構(gòu)造泡沫銅，并通過高溫還原氣氛下的擴(kuò)散結(jié)合在一起，結(jié)合良好，吸液芯中不同孔隙率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、酒精、乙醇和醚類，其加入量以充填在毛細(xì)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)部是由不同孔隙率的分級構(gòu)造的泡沫銅之間的組合形成，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(kuò)散結(jié)合。由于支撐柱也采用了毛細(xì)結(jié)構(gòu)的泡沫銅，起到良好的回流作用，介質(zhì)汽液轉(zhuǎn)換后液相的回流效果明顯，提高了散熱