CN104759627B - 一种通过还原氧化铜粉制造微型热管的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用毫米、微米或纳米氧化铜粉制造微型高孔隙率烧结铜热管的方法。该方法与常规烧结铜热管相似，不同点在于通过加入氧化铜粉或不同粒度混合的氧化铜粉，经过氢还原和烧结处理，制备所需高孔隙率烧结铜为吸液芯的热管方法。微型热管通常由铜粉直接烧结制得，其烧结铜吸液芯孔隙率一般为40‑50%。利用毫米、微米或纳米氧化铜粉或其不同粒度混合制得的烧结铜热管，获得的烧结铜孔隙率高达60‑80%，且孔隙率可根据需要设计。有利于加速液体介质在高孔隙烧结铜吸液芯中的回流速度，大大降低热管内介质在液‑汽相变循环过程中的热阻，提高散热效率。该制造方法简单，生产过程无污染且成本低，适合工业化生产。

Description

一种通过还原氧化铜粉制造微型热管的方法

技术领域

本发明涉及一种电子元件进行快速散热用微型热管的制造方法，特别涉及通过还原氧化铜粉制造具有高孔隙率的烧结多孔铜为吸液芯的微型热管的制造方法。

背景技术

电子热管理是半导体和电子行业中的一个重要领域，因为热管理就是对半导体电子设备的运行温度进行有效的热控制，以保证其工作的稳定性和可靠性。随着IT、通讯、LED和太阳能等微电子技术突飞猛进的发展，半导体电子元器件尺寸已经从微米量级进入亚微米和纳米量级。随着电子器件集成化的程度越来越高，电子器件的高频、高速以及集成电路的高密度和体积趋于微小化使得单位容积的电子元件发热量和单个芯片的能耗加大，设备紧凑化结构的设计又使得散热更加困难，因而迫切需要解决高效散热技术难题。这一问题对高速发展的便携电子和通讯设备、电子元件、高电压大功率电子器件以及军事装备上的电子元器件至关重要。热管技术的发明与发展，为半导体和电子散热提供了重要的解决方法和途径。

热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。

为什么热管会拥有如此良好的导热能力呢？因为物体的吸热、放热是相对的，凡是有温差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。从热传递的三种方式来看（辐射、对流、传导），其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体介质，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一端为加热端或蒸发端，另外一端为冷凝端，当热管一端受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发端，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。

热管是一种具有极高导热性能的新型传热元件，它通过在全封闭真空管内的液体介质的蒸发与凝结来传递热量，它利用毛细吸附作用等流体原理，起到良好的制冷效果。具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、温度可控制等特点。将热管散热器的基板与晶闸管、IGBT、IGCT等大功率电力电子器件的管芯紧密接触，可直接将管芯的热量快速导出。

吸液芯是热管的一个重要组成部分。吸液芯的结构形式将直接影响到热管和热管换热器的性能。近年来随着热管技术的发展，各国研究者在吸液芯结构和理论研究方面做了大量工作，一个性能优良的管芯应具有： (1) 足够大的毛细抽吸压力，或较小的管芯有效孔径； (2) 较小的液体流动阻力，即有较高的渗透率； (3) 良好的传热特性，即有小的径向热阻； (4) 良好的工艺重复性及可靠性，制造简单，价格便宜。

针对目前普遍直接采用微米级铜粉制成的烧结铜吸液芯热管，其烧结铜粉的孔隙率大致在40-50%，孔隙率相对低，循环过程中回流热阻相对大。为了解决这两个吸液芯存在的关键问题，提出本发明内容。

发明内容

本发明针对目前直接用铜粉进行烧结作为吸液芯，存在孔隙率低影响液体介质相变循环速度和相对增大冷凝端液体回流阻力，提出采用氧化铜粉或以不同颗粒尺寸的氧化铜粉混合后进行还原烧结，可制成高孔隙率的烧结多孔铜为吸液芯的热管。与现有用铜粉制成的烧结铜热管相比，经氧化铜粉代替铜粉后，还原烧结后烧结铜的孔隙率可高达60-80%，孔径大小即颗粒间隙也发生明显变化，使得液体介质产生较强的毛细吸力，促使相变过程和液-汽循环速度加快，特别是大大加快了气体在冷凝端转变为液相后的回流速度，降低冷凝后液体介质回流的热阻，提高了散热效率，有效解决高发热量电子元件所需快速散热问题。

附图说明

图1是铜管置于通孔的多孔陶瓷模板上的示意图（具有通孔结构的支撑模板）

图2是不锈钢或陶瓷中间柱放入后的结构，氧化铜粉将注入其间隙中并振实（由氧化铜粉制成的高孔隙率烧结铜管结构简图）

具体实施方式

常规微型热管的直径4、5、6、8、10、16mm，根据吸液芯的厚度要求，分别选用不同直径不锈钢或氧化铝陶瓷中间柱，铜管切割并清洗干燥后，置于图1所示的支撑模板上，模板采用开孔的多孔陶瓷板，如多孔的堇青石、莫来石等作为模板。

根据最后所需高孔隙率烧结铜的厚度，确定所需加入氧化铜粉的数量，精确称量所需的氧化铜粉的量，在铜管与不锈钢或氧化铝陶瓷中间柱之间的孔隙中注入氧化铜粉并进行振动紧实。其中氧化铜粉可以由下列两种组成：

（i）氧化铜粉可以是相近颗粒大小的微米级氧化铜粉组成

（ii）氧化铜粉也可以由毫米、微米和纳米级不同粒度大小的混合粉末组成

按照图2结构加入上述粉末，振动紧实后，将其推入还原炉内，炉子用氮气充分洗炉，保证后续通入氢氮混合气体时的安全。还原气氛用氢氮混合气，混合气中氢的含量可以在10%-75%之间均可。通常在温度为500℃以上时，通入氢氮混合气。还原温度在850℃到1050℃之间，还原时间在20分钟至2小时，还原后随炉冷却至室温（实际操作在小于等于80℃即可取出）。制备所需的高孔隙率的烧结铜为吸液芯的厚度从0.15毫米到1.5毫米进行调节和控制。

然后进入常规热管封装和散热性能测试过程。首先是取出中间柱，检测经氧化铜还原后的高孔隙烧结铜在热管中位置是否满足要求，因为氧化铜粉的还原过程中由于重力作用，实际高孔隙率的烧结铜的高度会有少量下降。检测满足要求后，进行下端的保护气氛下的摩擦焊合。上端后续进行拉拔缩颈后，进行抽真空注液，然后封装焊合。注液量的多少是根据高孔隙率烧结铜的孔隙率的量来计算所需液体介质的量。这样就完成了由氧化铜粉经高温还原烧结的圆状高孔隙烧结铜热管的制造过程。

后续制造方法所需的弯曲形变等工序和常规烧结铜热管的弯曲形变相似。

本发明提供了一种通过毫米、微米、纳米氧化铜粉经过还原烧结工艺，制得高孔隙率烧结的多孔铜为吸液芯的热管制造方法，经测定其Qmax（散热功率）提高且液体回流的热阻明显下降，相变循环速度加快，满足电子设备所需的快速散热要求。本发明制备方法简单、操作方便，设备简单，生产过程无污染，产品质量好（产品纯度高、结构可控），生产效率高，生产成本低，适合工业化生产。

具体实例

以下详细说明本发明的具体实例，利用氧化铜粉的还原烧结，制备0.5毫米厚高孔隙率烧结铜为吸液芯的热管。

(1)根据所选的直径为6或8毫米、壁厚为0.3毫米的铜管，

(2)清洗干燥后，置入多孔堇青石模板，保证垂直定位，然后按照定位方式放入不锈钢或氧化铝陶瓷中间柱；

(3)选用直径为50-60微米左右的氧化铜粉，根据热管长度和烧结铜厚度等要求计算，称量所需的氧化铜粉的数量，通过上述方法，将所需量的氧化铜粉注入铜管和不锈钢中间柱间隙并振动紧实。

i)注入氧化铜粉后，通常呈松装，经振动紧实

ii)注入氧化铜粉后经振动紧实后，采用3-5个气压压实

(4)转入氢氮混合气氛的还原烧结炉内进行机械热处理，氢氮混合比为75~10%（氢气）：（25-90%（氮气），加热速度为15-20℃/分，至950℃保温1小时；

(5)然后按照常规热管进行焊接、抽真空和注水封装方法制备了高孔隙率烧结多孔铜为吸液芯热管：

i) 经松装振实，经过氢氮还原气氛下的还原烧结在950℃保持1小时，炉冷至室温，其孔隙率分析达到70-72%；

ii）经松装振实的氧化铜颗粒适当加压，压力为3-5个大气压力，其采用同样的热机械处理工艺，其孔隙率达到65-67%。

后续的封装注液成型过程同上面相同，也和常规烧结铜作为吸液芯的热管相似。注液量需要根据高孔隙的烧结铜的量进行计算。

制得的上述两种高孔隙率烧结铜为吸液芯的圆状热管，与直接用铜粉进行烧结的烧结铜为吸液芯的热管相比，经测试Qmax提高明显。表明还原氧化铜制备的高孔隙率烧结铜为吸液芯的热管具有高效散热效果。

Claims (3)

1.一种通过氧化铜粉的还原烧结来制备高孔隙率烧结铜为吸液芯的微型热管的方法，其特点是利用氧化铜粉颗粒间隙以及利用不同粒度大小的氧化铜粉的混合调整颗粒间隙，来控制所需氧化铜还原后形成的烧结多孔铜的孔隙率和孔径大小，利用高孔隙率和孔径变化产生的毛细作用来实现热管中介质相变过程的快速循环，大大降低介质在热管冷凝端由汽转液后的液体快速回流过程中的热阻，提高了散热效率；

其制备过程包括：(1)铜管清洗干燥；(2)置于模夹具中定位和放入中间柱，然后注入氧化铜粉末并振实；(3)还原烧结；(4)一端焊接、一端缩颈处理；(5)抽真空注水并封装；(6)圆状热管性能检测；(7)弯曲及形变成型；(8)散热效果分析检测；

所述还原烧结过程采用氢氮混合气体，所述氢氮混合气体中氢：氮比例为75％-10％：25％-90％；还原烧结的温度在850℃到1050℃，加热速度为15～20℃/分钟，还原烧结时间在20分钟至2小时，根据所制备的高孔隙率烧结铜厚度从0.15毫米到1.5毫米进行调节，按照上述时间范围，厚度薄时，还原烧结时间适当缩短，厚度厚时，还原烧结时间适当延长。

2.如权利要求1所述的氧化铜粉的还原烧结来制备高孔隙率烧结铜为吸液芯的微型热管的方法，其特征在于氧化铜粉在还原烧结后形成的高孔隙率烧结铜的孔隙率可以高达60-80％。

3.如权利要求1所述的氧化铜粉的还原烧结来制备高孔隙率烧结铜为吸液芯的微型热管的方法，其特征在于不同颗粒大小的氧化铜粉混合，形成了高孔隙率烧结铜的孔径大小可变化与调节，使得介质在孔隙中毛细作用非常明显，加快介质的相变后的循环速度，大大降低了介质在热管的冷凝端转化为液体后的快速回流过程时的热阻，提高了散热效率。