CN100417908C - 热管、烧结成型该热管毛细结构的粉体及方法 - Google Patents

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Abstract

一种热管毛细结构由粉体烧结而成，该粉体包括一种基底粉末及一种添加物粉末，该添加物粉末的熔点低于该基底粉末的熔点，该种粉体烧结成型热管毛细结构时，首先将提供一管体，将一芯棒置于管体内；然后将该粉体填充于管体内；最后在基底粉末的膨胀率低于2%的温度下对该填充有粉体的管体进行烧结，使该添加物粉末扩散至基底粉末之间而形成毛细结构。

Description

热管、烧结成型该热管毛细结构的粉体及方法
【技术领域】
本发明涉及一种热管，以及一种烧结成型热管毛细结构的粉体及方法。
【背景技术】
随着大规模集成电路技术的不断进步及广泛应用，高频高速处理器不断推出，其产生的热量若不及时排除将引起处理器温度的不断升高，对***的安全及性能造成很大影响，目前散热问题已经成为新一代高速处理器推出时必需解决的问题。
由于对散热需求不断提高，新式散热装置不断出现，将热管应用于电子组件散热就是其中的一种。热管为一密封低压的管体，该管体内盛装适量液体，如水、乙醇、丙酮等，利用液体在汽、液两态间转变时吸收或放出大量热量而使热量由管体一端迅速传到另一端，为驱动冷凝液体回流，一般于管体内壁面设置毛细结构层，以提供驱动液体回流的毛细作用力。
现有的热管毛细结构层一般是通过铜粉烧结而成，其主要制程包括芯棒定位、填粉、烧结、芯棒脱膜等，由于铜粉的熔点约在1080℃左右，其烧结峰值温度一般控制在850～980℃左右，如图4所示，烧结时铜粉在小于600℃时体积基本上没有变化，但当温度在600～800℃区域时铜粉会产生2％～3％的急剧膨胀，因此在烧结完成后的脱模过程中，由于铜粉膨胀体积增大，必需额外施加更多的外力才能将芯棒抽离，而热管经过高温烧结后其管体表面软化，在外力作用下容易使得热管变形，严重时甚至无法脱膜，从而造成热管不良率的增加。
为改善芯棒脱模问题，目前通常将芯棒经过氮化处理或于芯棒表面涂布抗反应层，如：钨粉(W)、氮化硼(NB)、高温陶瓷粉(Al2O3)等。然而，在芯棒抽拔时所涂布的抗反应层容易因摩擦力而剥落进而残留于管体内，导致毛细结构堵塞，造成工作介质回流不顺畅，影响热管的性能甚至毁坏热管，同时由于所涂布的抗反应层逐渐剥落，其厚度逐渐缩减，导致芯棒在使用次数上受到严重的限制，造成生产成本的增加。
因此，如何降低热管的烧结温度，改善芯棒脱模对热管良率及性能的影响是相关业者努力的方向所在。
【发明内容】
有鉴于此，有必要提供一种产品良率高的烧结成型热管毛细结构的粉体及方法，以及由此烧结成型的热管。
一种烧结成型热管毛细结构的粉体，其包括一种基底粉末及至少一种添加物粉末，该基底粉末的熔点高于该添加物粉末的熔点，在该添加物粉末可扩散至基底粉末之间而形成毛细结构的温度下，该基底粉末的膨胀率低于2％。
该烧结成型热管毛细结构的粉体中加入添加物粉末降低该粉体的烧结温度，可有效避免粉体在烧结时产生过度的膨胀。
一种热管，其内具由粉体烧结而成的毛细结构，该粉体包括一基底粉末及至少一添加物粉末，该添加物粉末的熔点低于该基底粉末的熔点，该基底粉末为铜粉，该添加物粉末与铜粉的共晶温度小于或等于铝粉的熔点.
该热管烧结时避免铜粉产生急剧膨胀，铜粉的膨胀率大大减小，有利于后续脱模过程，有效提升产品良率及性能。
一种烧结成型热管毛细结构的方法包括以下步骤：首先提供一管体，将一芯棒置于管体内；然后将一种粉体填充于管体内，该粉体包括至少一种基底粉末及至少一种添加物粉末，使该基底粉末的熔点高于该添加物粉末的熔点；最后在基底粉末的膨胀率低于2％的温度下对该填充有粉体的管体进行烧结，使该添加物粉末扩散至基底粉末之间而形成毛细结构。
该烧结成型热管毛细结构的方法于基底粉末中加入添加物粉末，从而在低于粉体产生急剧膨胀的温度前成型该毛细结构，有效降低了其烧结温度，提升产品良率及产品性能。
【附图说明】
图1为本发明热管一较佳实施例的示意图。
图2为本发明烧结成型热管毛细结构的粉体烧结前示意图。
图3为图2所示粉体烧结后键结示意图。
图4为铜粉烧结膨胀率与温度关系示意图。
【具体实施方式】
下面参照附图，结合实施例作进一步说明。
如图1至图3所示，热管10包括一管体20、设于管体20内的毛细结构30及填充于管体20内的工作液体(图未示)。
烧结成型该热管10的毛细结构30的制造方法主要包括以下步骤：
首先提供一管体20，并将芯棒(图未示)置于管体内的中央位置，以便于后续过程中粉体40的均匀填充。此过程中可根据所需要的毛细结构层的厚度大小选择管体20及芯棒。
然后填粉，并参照图2，将粉体40填充于管体20内，该粉体40包括至少两种熔点不同的粉末，该两种粉末中熔点较高的粉末作为基底，熔点较低的粉末作为添加物。
本实施例中，以铜粉(Cu)50作为基底，其熔点约为1080℃，以铝粉(Al)60作为添加物，其熔点约为660℃，其中该铝粉60的质量百分比约为4％，铝粉的粒径约为20微米(μm)，而铜粉50的粒径大于该铝粉的粒径，铜粉50的粒径范围为50～200筛目(Mesh)，约90～300微米。“筛目”即筛子单位面积所具有的筛孔的数目，业界多用标准筛的筛目表示通过该标准筛的粉末的粒径大小，筛目越小，表示粒径越大，烧结后所形成的毛细结构的孔径越大，该基底与添加物的粒径选择可根据热管所需孔径大小做相应的设定.
所述铜粉50与铝粉60可通过混练设备将其完全混合，其混练方式可以是机械式搅拌或湿式喷雾造粒，使每颗铜粉50表面至少附有一颗铝粉60，从而在后续的烧结过程中形成较均匀的孔隙.
最后烧结，对该填充有粉体40的管体20进行烧结，粉体40之间形成孔隙70，同时粉体40之间形成具有足够强度的金属键结，从而维持足够的机械强度及孔隙率。
该过程中随着烧结温度的逐渐上升粉体40开始产生变化，铝粉60逐渐融化形成铝粉熔体60’，当烧结温度低于粉体40的共晶温度(约548℃)时，由于铜粉50表面的氧化层尚未完全被还原，铝粉熔体60’对于铜粉50表面的润湿性较差，铝粉熔体60’向铜粉50颗粒间的流动量很少，随后，随着温度的逐渐增加，铝粉熔体60’与铜粉50开始产生部分共晶反应(Eutectic reaction)而形成金属键结，当继续加热达到其共晶温度后，铝粉熔体60’明显扩散至铜粉50颗粒间，在原来铝粉60位置处形成孔隙70，烧结后的粉体40’即形成热管10的毛细结构层30。
由于该种粉体40于铜粉50中添加有铝粉60，烧结时两者产生共晶反应，其烧结温度约在540℃～580℃左右，而铜粉50在小于600℃时基本上不会产生膨胀，因此在铜粉50中添加铝粉60形成粉体40时，其烧结温度小于铜粉50产生2％～3％的急剧膨胀的600～800℃温度区域，在烧结过程中粉体40的膨胀率低于2％，甚至基本上不会产生膨胀，因此在脱模时芯棒容易抽离，从而在抽离芯棒时不会破坏热管10的毛细结构层，而且亦不会造成管体20变形，而芯棒于抽离后可重复利用，因此不仅热管的产品良率及性能有效提升，同时还可降低生产成本。
上述实施例中，以铝粉60作为添加物与铜粉50产生共晶反应降低烧结温度，以将粉体40的烧结温度控制在铜粉50产生急剧膨胀的600～800℃区域以下，从而基底粉末在烧结时膨胀率低于其产生急剧膨胀(2％～3％)的膨胀率，从而该粉体40在烧结后其体积基本上没有变化。同理亦可选用其它可产生共晶反应的熔点更低的低熔点金属粉体，如：锌(Zn)、铅(Pb)、锡(Sn)、铋(Bi)、锑(Sb)等其中之一种或多种作为添加物降低烧结温度，而，添加物的含量一般其质量百分比不大于30％.实际上，虽然由于铜的高导热性以及成本等方面的考量，一般均以铜粉50作为烧结粉体40的基底，显然，该基底的选择并不限于铜粉50，其它高导热性能的材料亦可.当选择其它材料作为基底时，同理在确定添加物的成份、含量时只要保证最终粉体40的烧结温度小于基底发生急剧膨胀的温度即可.
上述实施方式中直接采用与基底共晶反应温度低的低熔点材料作为添加物，下面介绍本发明另一实施方式，粉体40中以铜粉作为基底粉末，以具有纳米级粒径的超细粉末作为添加物以达到降低粉体40的烧结温度的目的，该超细粉末可为铜(Cu)、铝(Al)、锌(Zn)、锡(Sn)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)等其中的一种或多种。
当固态物质为大尺寸时，其熔点几乎是一定值，而在其细化为超细粉末时，即在粒径界于1nm(纳米)到100nm时，特别当粒径小于10nm时，其熔点将显着降低，由于超细粉末中每一粒子组成原子少，表面原子处于不安定状态，使其表面晶格震动的振幅较大，所以具有较高的表面能量，造成熔点下降，比传统的大尺寸粉末容易在较低温度烧结。例如，铜的常规熔点约在1080℃左右，而在细化为超细粉末时其熔点约在257～372℃之间，而金的常规熔点约为1064℃，当颗粒尺寸减小到10nm时，金的熔点降低27℃，而颗粒尺寸达到2nm时，其熔点仅为327℃左右；银的常规熔点670℃，而纳米级银颗粒的熔点可低于100℃。
粉体40的实际烧结温度等于其为大尺寸状态下的烧结温度减去粉末表面储存的能量，因此在粉体40内含有超微粉末时，由于超微粉末的具有高的表面能，因此粉体40的实际烧结温度可有效降低。
在烧结过程中，根据质量传输、最低能量分布理论，当基底(即大颗粒粉末)与超细粉末(即小颗粒粉末)接触产生反应时，由于小颗粒的表面能量远高于大颗粒粉末的表面能量，因此小颗粒粉末将渐渐移往大颗粒粉末最后成为一个更大颗粒，于原有的小颗粒粉末位置处形成孔隙70，此时基底之间形成足够的金属键结，便于芯棒脱模，提升产品良率及性能。

Claims (17)

1. 一种烧结成型热管毛细结构的粉体，其特征在于：该粉体包括一种基底粉末及至少一种添加物粉末，该添加物粉末的熔点低于该基底粉末的熔点，在该添加物粉末可扩散至基底粉末之间而形成毛细结构的温度下，该基底粉末的膨胀率低于2％。
2. 如权利要求1所述的烧结成型热管毛细结构的粉体，其特征在于：该添加物粉末为与基底粉末的共晶反应温度小于或等于铝的熔点的低熔点金属粉末。
3. 如权利要求2所述的烧结成型热管毛细结构的粉体，其特征在于：该低熔点金属粉末为铝、锌、铅、锡、铋和锑粉其中之一。
4. 如权利要求2所述的烧结成型热管毛细结构的粉体，其特征在于：该低熔点金属粉末的粒径小于或等于20微米。
5. 如权利要求1所述的烧结成型热管毛细结构的粉体，其特征在于：该添加物粉末为粒径介于1～100纳米之间的超细粉末。
6. 如权利要求5所述的烧结成型热管毛细结构的粉体，其特征在于：该超细粉末为铜、铝、锌、铅、锡、镍、银和金粉其中之一。
7. 如权利要求1所述的烧结成型热管毛细结构的粉体，其特征在于：添加物粉末的质量百分比小于或等于30％。
8. 如权利要求1至7中任意一项所述的烧结成型热管毛细结构的粉体，其特征在于：该基底粉末为铜粉，该铜粉的粒径为50～200筛目。
9. 一种热管，其内具由粉体烧结而成的毛细结构，其特征在于：该粉体包括一基底粉末及至少一添加物粉末，该添加物粉末的熔点低于该基底粉末的熔点，该基底粉末为铜粉，该添加物粉末与铜粉的共晶反应温度小于或等于铝粉的熔点。
10. 如权利要求9所述的热管，其特征在于：在小于或等于600℃时，该添加物粉末扩散至铜粉之间形成该毛细结构。
11. 如权利要求9所述的热管，其特征在于：在基底粉末的膨胀率低于2％的烧结温度下，该添加物粉末扩散至铜粉之间形成该毛细结构。
12. 如权利要求9所述的热管，其特征在于：该添加物粉末为粒径小于或等于20微米的铝、锌、银、铅、锡、铋和锑粉其中之一。
13. 如权利要求9所述的热管，其特征在于：该添加物粉末为粒径介于1～100纳米之间的铜、铝、锌、铅、锡、镍、银和金粉其中之一。
14. 一种烧结成型热管毛细结构的方法，包括以下步骤：
提供一管体，将一芯棒置于管体内；
将一种粉体填充于管体内，该粉体包括至少一种基底粉末及一种添加物粉末，该添加物粉末的熔点低于该基底粉末的熔点；
在基底粉末的膨胀率低于2％的温度下对该填充有上述粉体的管体进行烧结，该添加物粉末扩散至基底粉末之间而形成毛细结构。
15. 如权利要求14所述的烧结成型热管毛细结构的方法，其特征在于：该基底粉末为铜粉，该添加物粉末为粒径小于或等于20微米的铝、锌、银、铅、锡、铋和锑粉其中之一。
16. 如权利要求14所述的烧结成型热管毛细结构的方法，其特征在于：该基底粉末为铜粉，该添加物粉末为粒径介于1～100纳米之间的铜、铝、锌、铅、锡、镍、银和金粉中至少其中之一。
17. 如权利要求14所述的烧结成型热管毛细结构的方法，其特征在于：该基底粉末的膨胀率低于2％的温度小于或等于600℃。
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