CN103335550B - 一种热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯及其制造方法，包括蒸汽干道和毛细层；毛细层为多段沿复合吸液芯轴向堆叠的铜粉烧结式毛细层，不同段的毛细层具有不同的孔隙率，从接近热源处起，毛细层孔隙率由小到大沿吸液芯轴向梯度排列；蒸汽干道为空心结构，贯穿整个毛细层，包括主蒸汽干道和副蒸汽干道；主蒸汽干道位于圆柱形复合吸液芯中心，副蒸汽干道为多个，位于主蒸汽干道外周，多个副蒸汽干道，以及副蒸汽干道与主蒸汽干道之间间隔。本发明优化了热柱吸液芯结构，实现冷凝工质在吸液芯内的轴向、周向和径向三维流动，具有热阻低，传热能力强，角度适应性强，制造工艺简单可行，成本低廉等诸多优点。

Description

一种热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种吸液芯，特别是涉及一种热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯及其制造方法。

背景技术

热柱作为一种特殊的热管，在具备有高导热率、高可靠性、热响应快、无需外加驱动力的同时，将热管圆柱状的蒸发段改进为一蒸发平面，从而能将其直接压合于电子芯片上进行导热，已成为了当前高热流密度电子芯片散热的理想元件。由于微电子制造技术的快速发展，采用高集成化，微型化的电子芯片已是大势所趋，这对热柱的传热性能有了更高的要求，因此提高热柱的传热性能仍是关键。热柱的传热性能主要由毛细吸液芯结构决定，目前常用的烧吸液芯结构包括烧结型、沟槽型和丝网型。烧结式吸液芯具有较大的毛细抽吸力，传热量较大，但存在毛细压力提高的同时液体回来阻力增大的矛盾，且存在一定的方向性；沟槽式吸液芯槽道液体流动阻力小，但毛细压力小，传热量较小，热柱方向性很强；而丝网式吸液芯可得出很高的传热性能，但因制造工艺重复性差已基本被淘汰。

发明内容

本发明的目的是克服现有用于热柱的吸液芯的不足，提出一种热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯及其制造方法，该复合吸液芯具有热阻低，导热率高，能在不同角度高性能工作的优点。

本发明通过如下技术方案实现：

一种热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯：该复合吸液芯为圆柱状结构，包括蒸汽干道和毛细层；毛细层为多段沿复合吸液芯轴向堆叠的铜粉烧结式毛细层，不同段的毛细层具有不同的孔隙率，从接近热源处起，毛细层孔隙率由小到大沿吸液芯轴向梯度排列；烧结所用铜粉粒径为100～400网目；蒸汽干道为空心结构，贯穿整个毛细层，包括主蒸汽干道和副蒸汽干道；主蒸汽干道位于圆柱形复合吸液芯中心，副蒸汽干道为多个，位于主蒸汽干道外周；多个副蒸汽干道，以及副蒸汽干道与主蒸汽干道之间间隔；主蒸汽干道的横截面积大于副蒸汽干道的横截面积，主蒸汽干道的横截面积至少占所述吸液芯横截面总面积的六分之一；蒸汽干道底面距离吸液芯底面0.5～2mm，蒸汽干道顶面位于吸液芯顶面。

优选地，各个副蒸汽干道的横截面积相同。所述主蒸汽干道和副蒸汽干道的横截面为圆形、矩形、三角形或不规则形状。各个副蒸汽干道均匀分布在主蒸汽干道外周。毛细层数量与各毛细层的轴向高度可变。

所述热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯的一体化制造方法：包括以下步骤：

（1）在热柱管壳内放入主蒸汽干道和副蒸汽干道对应形状的芯棒，形成吸液芯填充空间，按目数从大到小的顺序和毛细层烧结用铜粉层级要求依次往管壳填充铜粉颗粒；

（2）将填粉完的热柱管壳置于烧结炉加热升温，烧结炉升温速度控制为3℃/min～5℃/min,并在加热至750℃～800℃时保温30‐35分钟，然后在850℃～900℃温度下保温烧结30min～60min；烧结炉为氢气、氩气或氮气保护气氛烧结炉或真空烧结炉中的任意一种；

（3）烧结完成后，炉冷至室温，取出热柱管壳，拔出芯棒后即在管壳内部得到与热柱管壳一体化的热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯。

所述的热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯的组装制造方式，包括以下步骤：

（1）在模具内放入主蒸汽干道和副蒸汽干道对应形状的芯棒，形成吸液芯填充空间，按目数从大到小的顺序和毛细层烧结用铜粉层级要求依次往管壳填充铜粉颗粒；

（2）将填粉完的模具置于烧结炉加热升温，烧结炉升温速度控制为3℃/min～5℃/min,并在加热至750℃～800℃时保温30‐35分钟，然后在850℃～900℃温度下保温烧结30min～60min；烧结炉为氢气、氩气或氮气保护气氛烧结炉或真空烧结炉中的任意一种；

（3）烧结完成后，炉冷至室温，取出模具，拔出芯棒，脱模后可得多蒸汽干道复合多孔材料；

（4）再将多蒸汽干道复合多孔材料装入热柱壳体中，置于烧结炉烧结后即得到热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯。

所述的热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯的制造方法，可采用石墨或者不锈钢做为芯棒和模具原材料，可在芯棒和模具表面喷涂一层抗高温的脱模剂，以减少芯棒在拨出时的拔出力及多孔材料脱模时的脱模力，避免吸液芯结构遭到破坏、芯棒拔不出或脱模失败。

所述的热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯，其铜粉颗粒之间的粘结形态以及孔隙形态都受到吸液芯烧结温度的较大影响。温度过低，铜粉颗粒之间的粘结不充分，吸液芯结构强度不够；温度过高，铜粉颗粒之间会粘结成块状，无明显的孔隙结构。经过多次实验，确定合理的烧结温度范围为850℃～900℃。

本发明适用于各种长度和直径的导热热柱，可应用于高热流密度的半导体芯片的散热。本发明制造工艺与传统的烧结式热管吸液芯的制造工艺基本相同，可实现产业化，具有热阻低，传热量大和角度适应性强等优点。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

（1）热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯内设置有多个相互分离的蒸汽干道，可实现冷凝工质在吸液芯内的轴向、周向和径向三维流动，保证热柱在任何工作角度下冷凝后的工质都能在冷凝段迅速合理分布，增强热柱的角度适应性;同时，热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯内各蒸汽干道以并联方式存在，各个蒸汽干道可根据不同工作情况自动改变干道内的蒸汽压力降，各个蒸汽干道之间能具有不同的蒸汽压力降，提高热柱的导热能力；

（2）热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯沿轴向设置有多个按孔隙率离散梯度排列的毛细层，每个毛细层的孔隙率一致，毛细层按其孔隙率由小到大从吸液芯的底部热源位置向顶面依次排列，使得热柱内蒸汽压降较大的蒸发面以上区域内具有小孔隙率的吸液芯，提高吸液芯的毛细压力，蒸汽压降较小的冷凝端内具有大孔隙率的吸液芯，增强工质的回流速度，最终优化热柱的传热性能；

（3）热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯的各种参数都可以优化，如：各蒸汽干道的形状与数量，毛细层的数量、轴向高度及其孔隙率，以使吸液芯的性能达到最佳；

附图说明

图1a是本发明热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯剖面正视图。

图1b是本发明热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯横截面俯视图。

图2a是热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯的另一种结构剖面正视图。

图2b是图2a的热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯横截面俯视图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明的具体实施方法作进一步的说明，但本发明的实施方法不限于此。

如图1a，图1b所示，一种热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯，复合吸液芯为圆柱状结构，包括蒸汽干道和毛细层；毛细层为多段沿复合吸液芯轴向堆叠的铜粉烧结式毛细层，不同段的毛细层具有不同的孔隙率，从接近处热源开始，毛细层孔隙率由小到大沿吸液芯轴向梯度排列；烧结所用铜粉粒径为100～400网目；蒸汽干道为空心结构，贯穿整个毛细层，包括位于主蒸汽干道和副蒸汽干道；主蒸汽干道位于圆柱形复合吸液芯中心，副蒸汽干道为多个，位于主蒸汽干道外周，多个副蒸汽干道，以及副蒸汽干道与主蒸汽干道之间间隔。本实施方式中，毛细层为四段沿轴向堆叠的铜粉烧结式毛细层，分别是第一毛细层6、第二毛细层5、第三毛细层4和第四毛细层3；图1a所示，第一毛细层6、第二毛细层5、第三毛细层4和第四毛细层3分别由单一目数的铜粉颗粒烧结而成，每个毛细层的孔隙率一致；具体是，第一毛细层6、第二毛细层5、第三毛细层4和第四毛细层3分别采用400目、230目、170目和100目铜粉颗粒烧结而成；实际应用中，各个毛细层所采用的铜粉颗粒目数也可变，只需保证离热源越近的毛细层所采用的铜粉颗粒目数越小，可根据实际情况采用不同数量的毛细层及所采用的铜粉颗粒目数，如图2a所示。主蒸汽干道1位于于圆柱形复合吸液芯中心，8个副蒸汽干道21、22、23、24、25、26、27、28均匀分布在主蒸汽干道1外周。如图1b所示，主蒸汽干道1的直径优选为6mm，副蒸汽干道21、22、23、24、25、26、27、28的直径都优选为2.5mm；实际应用中，各个蒸汽干道可根据不同工作情况自动改变干道内的蒸汽压力降，各个蒸汽干道之间能具有不同的蒸汽压力降；但具体的实施方式中各个蒸汽干道的横截面形状、当量直径都可变，蒸汽干道的数量也可改变，可根据实际分别设定各个蒸汽干道的横截面形状、当量直径及蒸汽干道的总数，如图2b所示。主蒸汽干道的横截面积大于副蒸汽干道的横截面积，主蒸汽干道的横截面积至少占所述吸液芯横截面总面积的六分之一。各个副蒸汽干道的横截面积相同或者不同。

如图2a，图2b所示是另一种热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯，与第一种热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯不同的是，主蒸汽干道1的截面为正六边形，而多个副蒸汽干道的形状不同，有圆形、三角形、四边形、五边形和六边形。蒸汽干道底面距离吸液芯底面0.5～2mm，蒸汽干道顶面位于吸液芯顶面。

热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯的制造方法，包括一体化制造和组装式制造两种方式。

一种热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯的一体化制造方式，包括如下步骤：

（1）往热柱管壳内放入一根直径6mm的芯棒和8根直径2.5mm的芯棒，形成吸液芯填充空间，根据吸液芯中每个毛细层的高度及所用的铜粉颗粒目数，用天平称量出各种目数的铜粉颗粒所需的质量，按目数从大到小的顺序依次填入各种铜粉颗粒。

（2）将填粉完的热柱管壳放入烧结炉中加热升温，烧结炉升温速度控制为3℃/min～5℃/min，并在加热至750℃～800℃时保温30分钟，然后在850℃～900℃温度下烧结，保温30min～60min；烧结炉为氢气、氩气或氮气保护气氛烧结炉或真空烧结炉中的任意一种。

（3）烧结完成后，炉冷至室温，取出热柱，拔出芯棒后，拔出芯棒后即在管壳内部得到与热柱管壳一体化的热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯。

一种热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯的组装制造方式，包括如下步骤：

（1）往模具内放入一根直径6mm的芯棒和8根直径2.5mm的芯棒，形成吸液芯填充空间，根据吸液芯中每个毛细层的高度及所用的铜粉颗粒目数，用天平称量出各种目数的铜粉颗粒所需的质量，按目数从大到小的顺序依次填入各种铜粉颗粒。

（2）将填粉完的模具置于烧结炉加热升温，烧结炉升温速度控制为3℃/min～5℃/min,并在加热至750℃～800℃时保温30分钟，然后在850℃～900℃温度下保温烧结30min～60min；烧结炉为氢气、氩气或氮气保护气氛烧结炉或真空烧结炉中的任意一种。

（3）烧结完成后，炉冷至室温，取出模具，拔出芯棒，脱模后可得多蒸汽干道复合多孔材料。

（4）再将多蒸汽干道复合多孔材料装入热柱壳体中，置于烧结炉烧结后即得到热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯。

但以上两种制造方式的具体实施方式中，需根据所要求的蒸汽干道数量与各个蒸汽干道的横截面形状与当量直径往模具内放入相应数量的具有相应横截面形状与当量直径的芯棒往热柱壳内放入芯棒

上述的热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯的制造方法，可采用石墨或者不锈钢做为芯棒和模具原材料，可在芯棒和模具表面喷涂一层抗高温的脱模剂，以减少芯棒在拨出时的拔出力及多孔材料脱模时的脱模力，避免吸液芯结构遭到破坏、芯棒拔不出或脱模失败。

如上所述便可较好的实现本发明。

Claims (7)

1.一种热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯，其特征在于，该复合吸液芯为圆柱状结构，包括蒸汽干道和毛细层；毛细层为多段沿复合吸液芯轴向堆叠的铜粉烧结式毛细层，不同段的毛细层具有不同的孔隙率，从接近热源处起，毛细层孔隙率由小到大沿吸液芯轴向梯度排列；烧结所用铜粉粒径为100～400网目；蒸汽干道为空心结构，贯穿整个毛细层，包括主蒸汽干道和副蒸汽干道；主蒸汽干道位于圆柱形复合吸液芯中心，副蒸汽干道为多个，位于主蒸汽干道外周；多个副蒸汽干道，以及副蒸汽干道与主蒸汽干道之间间隔；主蒸汽干道的横截面积大于副蒸汽干道的横截面积，主蒸汽干道的横截面积至少占所述吸液芯横截面总面积的六分之一；蒸汽干道底面距离吸液芯底面0.5～2mm，蒸汽干道顶面位于吸液芯顶面。

2.根据权利要求1所述的热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯，其特征在于：各个副蒸汽干道的横截面积相同。

3.根据权利要求1所述的热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯，其特征在于：所述主蒸汽干道和副蒸汽干道的横截面为圆形、矩形或三角形。

4.根据权利要求1所述的热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯，其特征在于：各个副蒸汽干道均匀分布在主蒸汽干道外周。

5.根据权利要求1所述的热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯，其特征在于：毛细层数量与各毛细层的轴向高度可变。

6.权利要求1所述热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯的一体化制造方法：其特征在于包括以下步骤：

(1)在热柱管壳内放入主蒸汽干道和副蒸汽干道对应形状的芯棒，形成吸液芯填充空间，按目数从大到小的顺序和毛细层烧结用铜粉层级要求依次往管壳填充铜粉颗粒；

(2)将填粉完的热柱管壳置于烧结炉加热升温，烧结炉升温速度控制为3℃/min～5℃/min,并在加热至750℃～800℃时保温30‐35分钟，然后在850℃～900℃温度下保温烧结30min～60min；烧结炉为氢气、氩气或氮气保护气氛烧结炉或真空烧结炉中的任意一种；

(3)烧结完成后，炉冷至室温，取出热柱管壳，拔出芯棒后即在管壳内部，得到热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯。

7.根据权利要求1所述的热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯的组装制造方式，其特征在于包括以下步骤：

(1)在模具内放入主蒸汽干道和副蒸汽干道对应形状的芯棒，形成吸液芯填充空间，按目数从大到小的顺序和毛细层烧结用铜粉层级要求依次往管壳填充铜粉颗粒；

(2)将填粉完的模具置于烧结炉加热升温，烧结炉升温速度控制为3℃/min～5℃/min,并在加热至750℃～800℃时保温30‐35分钟，然后在850℃～900℃温度下保温烧结30min～60min；烧结炉为氢气、氩气或氮气保护气氛烧结炉或真空烧结炉中的任意一种；

(3)烧结完成后，炉冷至室温，取出模具，拔出芯棒，脱模后可得多蒸汽干道复合多孔材料；

(4)再将多蒸汽干道复合多孔材料装入热柱壳体中，置于烧结炉烧结后，即得到热柱阵列蒸汽干道复合吸液芯。