一種銅粉和氧化銅粉復合制備高效微型熱管的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電子元器件微型熱管的制備方法，用于半導體電子器件快速散熱，特別涉及一種用銅粉和氧化銅粉的復合后經高溫還原燒結，制造同一熱管不同部位具有不同孔隙率的燒結銅為吸液芯的微型熱管的方法。
【背景技術】
[0002]熱管理對于半導體和電子器件及裝備尤其重要，因為對半導體、電子設備的運行溫度有效的熱控制，可以確保其工作的穩定性和可靠性。隨著電器集成化的程度越來越高，半導體電子元器件封裝集成密度迅速提高，芯片尺寸的不斷減少以及功率密度的持續增力口，使得電子封裝過程中的散熱和冷卻問題越來越不容忽視，并已影響和制約其發展。芯片功率密度的提高和分布不均勻而產生的局部熱節，將導致溫度迅速升高而影響其壽命和使用，采用常用的高導熱金屬材料如銅、鋁來進行散熱的技術已不能滿足不斷快速發展先進電子產品的封裝的熱設計、管理和控制要求。
[0003]熱管技術自1963年由美國洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)國家實驗室的喬治格羅佛(George Grover)發明以來,充分展現其傳熱元件的作用,利用熱傳導原理與致冷介質的快速熱傳遞性質，透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力。
[0004]熱管是一種具有極高導熱性能的新型傳熱元件，利用毛細吸附作用等流體原理，來實現良好的導熱冷卻效果。它通過在全封閉真空管內的液體介質的蒸發與凝結相變的快速轉換來傳遞熱量，具有極高的導熱性、良好的等溫性、冷熱兩側的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、溫度可控制等特點。將熱管散熱器的基板與晶閘管、IGBT、IGCT等大功率電力電子器件的管芯緊密接觸，可直接將管芯的熱量快速導出。
[0005]我們知道一般熱管主要由管殼和吸液芯組成。熱管內部是被抽成負壓狀態，充入適當的液體介質，這種液體沸點低，容易揮發。管壁有吸液芯，由毛細多孔材料構成。熱管一端為蒸發段，另外一端為冷凝段，當熱管一端受熱時，毛細管中的液體迅速蒸發，蒸氣在微小的壓力差下通過中間的蒸汽腔流向另外一端，受冷后凝結成液體，釋放出相變潛熱，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段，如此循環不止，熱量由熱管一端傳至另外一端，這種循環是快速進行，所以熱量可以被源源不斷地傳導開來。
[0006]吸液芯是熱管的一個重要組成部分。吸液芯的結構形式將直接影響到熱管和熱管換熱器的性能。隨著熱管技術的發展，各國研究者在吸液芯結構和理論研究方面做了大量工作，提出一個性能優良的熱管吸液芯應具有:足夠大的毛細抽吸壓力，或較小的管芯有效孔徑；較小的液體流動阻力，即有較高的滲透率；良好的傳熱特性，即有小的徑向熱阻；良好的工藝重復性及可靠性，制造簡單，價格便宜。
[0007]微型熱管技術已從溝槽結構熱管過渡到編織銅網結構熱管，再發展到燒結銅結構熱管。目前最常用的是直接采用微米級銅粉制成的燒結銅吸液芯微型熱管，由于燒結銅粉的孔隙率大致在40-50%，在加熱蒸發段孔隙率相對低孔徑小，毛細吸力明顯，但其在除加熱蒸發段以外的冷凝段和絕熱段采用相對低孔隙率的燒結銅，使得相變循環過程中液相回流熱阻相對大。為了解決吸液芯回流熱阻大這個影響散熱效果的關鍵問題，提出了本
【發明內容】
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【發明內容】

[0008]本發明針對目前直接用微米級銅粉進行燒結作為吸液芯，存在除蒸發段外的冷凝段和絕熱段孔隙率低影響液體介質相變循環速度和冷凝段和絕熱段液體回流阻力，提出采用銅粉和氧化銅粉復合結構來制備蒸發段由常規燒結銅粉制得相對低孔隙率而其他部分由氧化銅粉經還原燒結成的高孔隙率的燒結銅的復合結構的吸液芯微型熱管。與目前常用的銅粉燒結熱管相比，經氧化銅粉代替銅粉后，還原燒結后燒結銅的孔隙率可高達60-85%，這樣有利于加快蒸汽在冷凝段轉變為液相后在高孔隙率燒結銅中的回流速度，大大降低了冷凝段和絕熱段液體介質回流的熱阻，加快了液體介質在熱管內循環速度，提高了散熱效率，有效解決高發熱量電子元件所需快速散熱問題。
【附圖說明】
[0009]圖1是銅管置于多孔(開孔結構)陶瓷模板上的示意圖
圖2是不銹鋼或陶瓷中間柱放入銅管后的結構，銅粉和氧化銅粉將分別注入其間隙中并振實，銅粉在下端，氧化銅在上端；
圖3銅粉和氧化銅粉還原燒結后形成兩種不同孔隙率復合結構吸液芯的熱管剖視圖(在不同孔隙率的界面處，實際存在一個微小的銅和氧化銅混合復合的小區域)
具體實例
以下是利用銅粉和氧化銅粉復合，來制備直徑為6 mm和8 mm、長度為332毫米、0.5毫米厚的不同孔隙率燒結銅為吸液芯的微型熱管。
[0010](I)根據所選銅管的直徑為6或8毫米、壁厚一般可選0.3毫米的純銅管；
(2)清洗干燥后，置入多孔堇青石模板，保證垂直定位，然后按照定位方式分別放入直徑為4.4 mm或6.4 mm的不銹鋼或氧化鋁陶瓷中間柱；
(3)銅粉所選用粒度為150-200目或300-350目，氧化銅的粒度大小大致直徑為200-250目，根據計算，稱量所需的銅粉和氧化銅粉的數量，通過上述方法，將所需量的銅粉和氧化銅粉分別注入并振動緊實:
i)注入氧化銅粉后，通常呈松裝，經振動緊實
?)注入氧化銅粉后經振動緊實后，采用2-3個氣壓壓實
(4)推入還原爐進行高溫還原燒結，首先低溫下采用氮氣洗爐，當溫度達500°C以上通入氫氮混合氣氛，進行高溫還原燒結的熱機械處理，氫氮混合比為75?10% (氫氣):(25-90%(氮氣)，加熱速度為15-20 C/分，至950°C保溫I小時；
(5)然后按照常規熱管進行氬弧焊接、抽真空和注水封裝方法制備不同孔隙率復合結構的燒結銅為吸液芯的微型熱管:
i)經松裝振實，經過氫氮還原氣氛下的還原燒結在950°C保持I小時，爐冷至室溫，經分析氧化銅顆粒部分其孔隙率達到72-73%，燒結銅顆粒部分孔隙率為45-46% ；
ii)經松裝振實的氧化銅顆粒適當加壓，壓力為2-3個大氣壓力，采用同樣的熱機械處理工藝，孔隙率達到66-67%，而由微米級的純銅粉制得的燒結銅孔隙率僅為43-44%。
[0011]后續的注液封裝過程也和常規燒結銅作為吸液芯的熱管相似。注液量需要根據不同孔隙率的燒結銅的孔隙率的體積進行計算。
[0012]制得的上述兩種不同直徑由不同