CN115628632A - 一种抗重力、低膨胀率均热板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抗重力、低膨胀率均热板及其制备方法，包括：上壳体，其内侧面设有凸台和多个第一支撑柱，凸台的正后方形成容纳热源的凹槽；下壳体，其内侧面分布有多个与第一支撑柱对应的第二支撑柱，外侧面与外部冷却工装相接；吸液芯，其为片状结构，开设有使第一支撑柱穿过的第一通孔，并与上壳体的内侧面紧密贴合；粉环，其嵌套于下壳体的第二支撑柱上，上端对接第一支撑柱，将下壳体内侧冷凝后的工质输送给吸液芯后回流至凸台处；工质，其为流动的相变液体，将凸台处热量传递至整个均热板。本发明的均热板具有抗重力的特征和较低的膨胀率，克服了均热板逆重力效果差及与半导体封装器件热膨胀特性不匹配的技术难题。

Description

一种抗重力、低膨胀率均热板及其制备方法

技术领域

本发明属于热管技术领域，特别涉及一种抗重力、低膨胀率均热板及其制备方法。

背景技术

电子器件向着高集成度、高性能、使用场景广泛的方向发展。高热流、小空间、适用范围广成为电子器件散热技术的发展必然趋势。对于不同的使用场景而言，电子器件对散热***也具有不同的要求。

均热板作为一种被动相变换热元件，采用液体相变传热技术，通过相变将热量迅速传至整个表面，具有散热能力强、传热温差小、无需额外维护等优点，多用于需要高效散热的场景，能够迅速降低热源的温度，改善了电子器件的散热问题，延长了电子产品的使用寿命。

传统的均热板大多只能在顺重力和低功率的条件下进行工作，在逆重力的条件下具有较差的均温性能，并且在高功率高温的条件下容易出现膨胀等问题，这大大限制了其使用的场景。同时，对于半导体功率器件，其膨胀系数较低，热膨胀匹配是保证其稳定运行的关键，目前的热管制作中常用膨胀系数较大的金属作为壳体材料，无法满足热膨胀匹配要求。为满足高功率器件的散热需求，现有技术方案多采用导热性能较好的金刚石铜、金刚石铝等实体材料，重量较大，成本高昂。对于航天航空领域中零重力条件下高功率电子封装器件的热控需求，如何设计一种稳定可靠的抗重力、低膨胀率均热板进行快速传热，仍是业界所需解决的技术瓶颈。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一在于：提供一种梯度丝网加粉环结构，在热源安装面设计向内的凸台结构，提高腔体工质回流速率，在逆重力姿态下仍可促进液体回流，提高均热板的性能，能够使其在逆重力条件下具有较好的均温性能，克服均热板逆重力效果差的技术难题。

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之二在于：在上壳体和下壳体连接处，设计支撑柱结构，采用低膨胀率的金属材料进行壳体加工制备，在高功率高温条件下均热板仍可正常工作，保持较低的膨胀率，解决了传统均热板与半导体封装器件热膨胀特性不匹配的技术难题。

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之三在于：提供一种抗重力、低膨胀率均热板的制备方法。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，一种抗重力、低膨胀率均热板，包括：

上壳体，其与下壳体对接形成容纳吸液芯、粉环和工质的腔体；上壳体的内侧面设有凸台和多个第一支撑柱，凸台的正后方形成容纳热源的凹槽；

下壳体，其内侧面分布有多个与第一支撑柱对应的第二支撑柱，外侧面与外部冷却工装相接；

吸液芯，其为片状结构，开设有使第一支撑柱穿过的第一通孔，并与上壳体的内侧面紧密贴合；

粉环，其嵌套于下壳体的第二支撑柱上，上端对接第一支撑柱，将下壳体内侧冷凝后的工质输送给吸液芯后回流至凸台处；

工质，其为流动的相变液体，将凸台处热量传递至整个均热板。

第二方面，一种抗重力、低膨胀率均热板的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：通过铣削工艺或者蚀刻工艺加工上壳体和下壳体，上壳体外侧面热源安装处向内加工凹槽，内侧面相应形成凸台，上壳体或下壳体边缘处设置注液孔，上壳体和下壳体内侧阵列排布支撑柱结构；

步骤2：采用还原气氛烧结法将至少一层金属丝网烧结成一体，并加工成与上壳体内侧型面相同的吸液芯结构；

步骤3：将吸液芯压置于上壳体内，采用还原气氛烧结法连接吸液芯与上壳体；

步骤4：将粉环嵌套于下壳体的第二支撑柱上，将上壳体与下壳体拼合，通过焊接方式进行连接；

步骤5：将注液管与上壳体或下壳体上预留的注液孔连接，将工质通过注液管灌注于上壳体和下壳体形成的腔体中；

步骤6：将腔体内部抽真空处理，并实施液压封口，完成均热板制备。

根据本发明提供的一种抗重力、低膨胀率均热板及其制备方法，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的一种抗重力、低膨胀率均热板，采用梯度丝网加粉环结构，在热源安装面设计向内的凸台结构，提高腔体工质回流速率，在逆重力姿态下仍可促进液体回流，在逆重力条件和顺重力的条件下均具有较好的均温性能，克服了传统均热板热源只能置于均热板下方的技术难点；

(2)本发明提供的一种抗重力、低膨胀率均热板，采用梯度丝网加粉环结构，在上壳体和下壳体连接处，设计支撑柱结构，采用低膨胀率的金属材料进行壳体加工制备，在高功率高温条件下，均热板仍然具有较低的膨胀率，与半导体封装功率器件的膨胀特性相匹配，可与功率器件的可靠焊接，实现功率器件的直接冷却，解决了传统均热板与半导体封装器件热膨胀特性不匹配的技术难题；

(3)本发明提供的一种抗重力、低膨胀率均热板的制备方法，与现有均热板工艺性兼容较佳，实现方法简单，适合用于工业生产。

附图说明

图1为本发明一种优选实施方式中抗重力、低膨胀率均热板的立体结构分解示意图。

图2为完成密封连接后的均热板示意图。

图3为上壳体的结构示意图。

图4为下壳体的结构示意图。

图5为吸液芯的结构示意图。

图6为完成密封连接后的均热板工作原理示意图；

图7为使用均热板与金刚石铜的热源温度对比；

图8为不同测试状态(顺重力、逆重力)下的热源温度。

附图标号说明：

1-上壳体、11-凸台、12-第一支撑柱、13-凹槽、2-注液管、3-吸液芯、31第一通孔、32第二通孔、4-粉环、5-下壳体、51-第二支撑柱、52-第三支撑柱、6-变功率器件、7-水冷板。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明的第一方面，提供了一种抗重力、低膨胀率均热板，如图1和图2所示，包括对应连接的上壳体1和下壳体5，上壳体1和下壳体5均为金属材料；上壳体1和下壳体5对接形成的腔体内部设有吸液芯3、粉环4和工质；上壳体1和下壳体5连接处通过焊接连接。焊接封装后，将均热板灌注工质，内部抽真空并密封实现抗重力、低膨胀率均热板制造。

如图3所示，上壳体1采用低膨胀率金属材料，热膨胀系数低于15ppm/℃，包括但不限于钼铜、可伐合金、殷钢等低膨胀金属或合金，优选为钼铜。上壳体1的内侧面设有凸台11和多个均布的第一支撑柱12，外侧为热源安装面，设置有凹槽13，凹槽13深度为1-1.5mm。第一支撑柱12用于上下壳体间的对接，可为圆柱形、多边棱柱或不规则柱状等，优选为圆柱形，更优选呈三角阵列排布；凸台11作为加热端，凹槽13设于凸台11的正后方，用于安装热源如电子器件。上壳体1和下壳体5的厚度为1.5-2mm。

上壳体1边缘处设置有连通内腔的注液孔，通过注液管2置于上壳体1预留的注液孔内将工质灌注于腔体内部。当然，注液孔也可设在下壳体5上。

如图4所示，下壳体5采用低膨胀率金属材料，包括但不限于钼铜、可伐合金、殷钢等低膨胀金属或合金，优选为钼铜。下壳体5的内侧面分布有多个与第一支撑柱12对应的第二支撑柱51，用于上下壳体间的对接。第二支撑柱51可为圆柱形、多边棱柱等，优选为圆柱形，更优选呈三角阵列排布。优选地，下壳体5内侧对应凸台11处设置有条形的第三支撑柱52，宽度对应凸台11宽度。

如图5所示，吸液芯3为片状结构，置于上壳体1下方，与上壳体1的内侧面紧密贴合。吸液芯3采用至少一层薄型金属丝网，金属丝网数目为两层以上时烧结为一体，金属丝网的材料包括但不限于铜、不锈钢或钛合金。优选地，金属丝网目数为100-300目，厚度为0.06-2mm，层数为1-7层，烧结后形成的吸液芯3保留了金属丝网的多孔结构，具有较强的结构稳定性和良好的液体扩散能力，有利于对工质的传输。吸液芯3上开设第一通孔31，使第一支撑柱12穿过；对应凸台11处模压形成凹部，凹部上对应下方下壳体5上第三支撑柱52处开设第二通孔32，使凸台11处受热后汽化形成高温水蒸气，较快地在下壳体5处冷凝液化，释放热量。

如图1所示，粉环4嵌套于下壳体5的第二支撑柱51上，上端对接第一支撑柱12，其采用金属粉末烧结而成，金属粉末的材料包括但不限于铜、不锈钢或钛合金，目数为100-200目。优选地，粉环4的高度大于第二支撑柱51的高度，小于等于第一支撑柱12和第二支撑柱51的高度和。

粉环4承接第一支撑柱12和第二支撑柱51，内部工质在凸台11处受热后汽化形成高温水蒸气，在下壳体5处冷凝液化，并释放热量，冷凝工质沿着粉环4和吸液芯3回流至凸台11处，往复循环实现对电子器件的相变冷却，粉环4和吸液芯3起到工质引流的作用。

粉环4嵌套于第二支撑柱51上后，相邻粉环4之间留有空隙，形成工质流道，加快换热。

工质采用去离子水、丙酮、乙醇或甲醇，优选为去离子水。

根据本发明的第二方面，提供了一种抗重力、低膨胀率均热板的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：壳体制备。通过铣削工艺或者蚀刻工艺加工上壳体和下壳体，上壳体外侧面热源安装处向内加工凹槽13，内侧面相应形成凸台11，上壳体或下壳体边缘处设置注液孔，上壳体和下壳体内侧阵列排布支撑柱结构；

步骤2：吸液芯制备。采用还原气氛烧结法将至少一层薄型金属丝网烧结成一体，通过激光加工得到与上壳体内侧型面相同的吸液芯结构；

步骤3：吸液芯3烧结于上壳体1内。将吸液芯3压置于上壳体1内，采用还原气氛烧结法连接吸液芯3与上壳体1；

步骤4：均热板焊接。将粉环4嵌套于下壳体5的第二支撑柱51上，将上壳体1与下壳体5拼合，通过焊接方式进行连接；焊接方式包括但不限于硬钎焊、扩散焊或激光焊接；

步骤5：工质灌注。将注液管2与上壳体1或下壳体5上预留的注液孔连接，将工质通过注液管2灌注于上壳体1和下壳体5形成的腔体中；

步骤6：真空封口。将腔体内部抽真空处理，真空度小于10Pa，并实施液压封口，完成均热板制备。

实施例

实施例1

一种抗重力、低膨胀率均热板的制作方法，包括如下步骤：

S1.壳体制备。上下壳体均采用铣削工艺加工，上壳体1尺寸为70×50×1.85mm，上壳体内部腔体高度为1mm，下壳体5尺寸为70×50×1.2mm，下壳体内部腔体高度为0.7mm；上下壳体内部呈三角阵列排布一一对应的支撑柱结构，支撑柱的直径为2.8mm，间距为8mm，高度为与腔体高度一致；上壳体1热源安装面设有凹槽13。

S2.吸液芯3制备。采用还原气氛烧结法将多层薄型铜丝网烧结形成吸液芯3结构。吸液芯3采用5层薄型铜丝网烧结而成，铜丝网目数为250目，厚度为0.06mm。烧结采用氢气还原气氛，烧结温度为800℃，保温时间为1小时。采用激光加工的方式对多层铜丝网进行激光切割，得到适用于上壳体1的吸液芯3结构。吸液芯3上开设呈三角阵列排布的第一通孔31，使第一支撑柱12穿过；对应凸台11处模压形成凹槽，凹槽上对应下方下壳体5上第三支撑柱52处开设第二通孔32，使凸台11处受热后汽化形成高温水蒸气，较快地在下壳体5处冷凝液化，释放热量。

S3.吸液芯3烧结于上壳体1上。使用石墨模具将吸液芯3压置于上壳体1内，并施加1.5kPa的压力将吸液芯3与上壳体1紧密贴合，采用还原气氛烧结法将吸液芯3结构与上壳体1连接。烧结采用氢气还原气氛，烧结温度为650℃，保温时间为1小时。

S4.均热板焊接。粉环4嵌套于下壳体5的第二支撑柱51上。进一步，焊接采用焊膏进行硬钎焊，将焊膏置于下壳体5边缘处和第二支撑柱51之上，将上、下壳体拼合定位、夹紧，夹紧压力为1.5kPa。采用还原气氛烧结法进行上、下壳体间的焊接，通过焊接工艺完成均热板的壳体制作。烧结采用氢气还原气氛，烧结温度为650℃，保温时间为1小时。

S5.工质灌注。注液管2置于上壳体1预留注液孔位置，采用焊接工艺进行注液管2与上壳体1的连接，适量工质通过注液管2灌注于腔体内部。工质采用去离子水，充液量为1mL。

S6.真空封口。将腔体内部抽真空处理，并且在抽真空状态下待真空度为6Pa时，实施液压封口，保证腔体内部处于高真空状态，即可完成整个均热板的制备工艺。

经过上述步骤S1-S6，可获得本发明所述的一种抗重力、低膨胀率均热板，如图6所示。本发明均热板在抗重力工作时，变功率器件6置于上壳体1的凹槽13之上，水冷板7置于下壳体5的底部，内部工质在凸台11处受热后汽化形成高温水蒸气，在下壳体5处冷凝液化，并释放热量，冷凝工质沿着粉环4和吸液芯3回流至凸台11处，往复循环实现对变功率器件6相变冷却。

将本发明的均热板与金刚石铜进行对比测试，结果见图7。从数据可以看出，相同功率下，均热板的热源温度要低于金刚石铜，说明均热板比金刚石铜具有更好的热扩散性能，可以有效降低热源温度。

对本发明的抗重力、低膨胀率均热板分别在顺重力和逆重力状态下进行测试，在不同的功率条件下的热源温度如图8所示。可知，本发明均热板在顺重力与逆重力条件下具有相当的传热性能，在逆重力条件下的传热性能略优于顺重力条件。

上述实施例为本发明较佳的实施方法，但本发明的实施方法并不受上述实施例的限制，其中上、下壳体是相对空间上的命名，以方便对实施例的说明，并非对其进行空间限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种抗重力、低膨胀率均热板，其特征在于，包括：

上壳体(1)，其与下壳体(5)对接形成容纳吸液芯(3)、粉环(4)和工质的腔体；上壳体(1)的内侧面设有凸台(11)和多个第一支撑柱(12)，凸台(11)的正后方形成容纳热源的凹槽(13)；

下壳体(5)，其内侧面分布有多个与第一支撑柱(12)对应的第二支撑柱(51)，外侧面与外部冷却工装相接；

吸液芯(3)，其为片状结构，开设有使第一支撑柱(12)穿过的第一通孔(31)，并与上壳体(1)的内侧面紧密贴合；

粉环(4)，其嵌套于下壳体(5)的第二支撑柱(51)上，上端对接第一支撑柱(12)，将下壳体(5)内侧冷凝后的工质输送给吸液芯(3)后回流至凸台(11)处；

工质，其为流动的相变液体，将凸台(11)处热量传递至整个均热板。

2.根据权利要求1所述的抗重力、低膨胀率均热板，其特征在于，所述上壳体(1)和所述下壳体(5)均为金属材料，热膨胀系数低于15ppm/℃。

3.根据权利要求1所述的抗重力、低膨胀率均热板，其特征在于，所述第一支撑柱(12)和第二支撑柱(51)为圆柱形、多边棱柱或不规则柱状。

4.根据权利要求1所述的抗重力、低膨胀率均热板，其特征在于，所述第一支撑柱(12)和第二支撑柱(51)分别在上壳体(1)和下壳体(5)的内侧面呈三角阵列排布。

5.根据权利要求1所述的抗重力、低膨胀率均热板，其特征在于，所述下壳体(5)内侧对应凸台(11)处设置有条形的第三支撑柱(52)，宽度对应凸台(11)宽度。

6.根据权利要求1所述的抗重力、低膨胀率均热板，其特征在于，所述上壳体(1)或下壳体(5)的边缘处设置有连通内腔的注液孔，通过注液管(2)置于上壳体(1)或下壳体(5)预留的注液孔内将工质灌注于腔体内部。

7.根据权利要求1所述的抗重力、低膨胀率均热板，其特征在于，所述吸液芯(3)采用至少一层金属丝网，金属丝网数目为两层以上时烧结为一体，金属丝网目数为100-300目，厚度为0.06-2mm，层数为1-7层。

8.根据权利要求5所述的抗重力、低膨胀率均热板，其特征在于，所述吸液芯(3)对应凸台(11)处形成凹部，凹部上对应下方下壳体(5)上第三支撑柱(52)处开设第二通孔(32)。

9.根据权利要求1所述的抗重力、低膨胀率均热板，其特征在于，所述粉环(4)采用金属粉末烧结而成，金属粉末目数为100-200目。

10.一种抗重力、低膨胀率均热板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：通过铣削工艺或者蚀刻工艺加工上壳体(1)和下壳体(5)，上壳体(1)外侧面热源安装处向内加工凹槽(13)，内侧面相应形成凸台(11)，上壳体(1)或下壳体(5)边缘处设置注液孔，上壳体(1)和下壳体(5)内侧阵列排布支撑柱结构；

步骤2：采用还原气氛烧结法将至少一层金属丝网烧结成一体，并加工成与上壳体(1)内侧型面相同的吸液芯结构；

步骤3：将吸液芯(3)压置于上壳体(1)内，采用还原气氛烧结法连接吸液芯(3)与上壳体(1)；

步骤4：将粉环(4)嵌套于下壳体(5)的第二支撑柱(51)上，将上壳体(1)与下壳体(5)拼合，通过焊接方式进行连接；

步骤5：将注液管(2)与上壳体(1)或下壳体(5)上预留的注液孔连接，将工质通过注液管(2)灌注于上壳体(1)和下壳体(5)形成的腔体中；

步骤6：将腔体内部抽真空处理，并实施液压封口，完成均热板制备。

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