[发明专利]一种铜粉和氧化铜粉复合制备高效微型热管的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电子元器件微型热管的制备方法，用于半导体电子器件快速散热，特别涉及一种用铜粉和氧化铜粉的复合后经高温还原烧结，制造同一热管不同部位具有不同孔隙率的烧结铜为吸液芯的微型热管的方法。 

背景技术

热管理对于半导体和电子器件及装备尤其重要，因为对半导体、电子设备的运行温度有效的热控制，可以确保其工作的稳定性和可靠性。随着电器集成化的程度越来越高，半导体电子元器件封装集成密度迅速提高，芯片尺寸的不断减少以及功率密度的持续增加，使得电子封装过程中的散热和冷却问题越来越不容忽视，并已影响和制约其发展。芯片功率密度的提高和分布不均匀而产生的局部热节，将导致温度迅速升高而影响其寿命和使用，采用常用的高导热金属材料如铜、铝来进行散热的技术已不能满足不断快速发展先进电子产品的封装的热设计、管理和控制要求。 

热管技术自1963年由美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明以来，充分展现其传热元件的作用，利用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。 

热管是一种具有极高导热性能的新型传热元件，利用毛细吸附作用等流体原理，来实现良好的导热冷却效果。它通过在全封闭真空管内的液体介质的蒸发与凝结相变的快速转换来传递热量，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。 

我们知道一般热管主要由管壳和吸液芯组成。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，由毛细多孔材料构成。热管一端为蒸发段，另外一端为冷凝段，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通过中间的蒸汽腔流向另外一端，受冷后凝结成液体，释放出相变潜热，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，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，所以热量可以被源源不断地传导开来。 

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。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，提出一个性能优良的热管吸液芯应具有：足够大的毛细抽吸压力，或较小的管芯有效孔径；较小的液体流动阻力，即有较高的渗透率；良好的传热特性，即有小的径向热阻；良好的工艺重复性及可靠性，制造简单，价格便宜。 

微型热管技术已从沟槽结构热管过渡到编织铜网结构热管，再发展到烧结铜结构热管。目前最常用的是直接采用微米级铜粉制成的烧结铜吸液芯微型热管，由于烧结铜粉的孔隙率大致在40-50%，在加热蒸发段孔隙率相对低孔径小，毛细吸力明显，但其在除加热蒸发段以外的冷凝段和绝热段采用相对低孔隙率的烧结铜，使得相变循环过程中液相回流热阻相对大。为了解决吸液芯回流热阻大这个影响散热效果的关键问题，提出了本发明内容。 

发明内容

本发明针对目前直接用微米级铜粉进行烧结作为吸液芯，存在除蒸发段外的冷凝段和绝热段孔隙率低影响液体介质相变循环速度和冷凝段和绝热段液体回流阻力，提出采用铜粉和氧化铜粉复合结构来制备蒸发段由常规烧结铜粉制得相对低孔隙率而其他部分由氧化铜粉经还原烧结成的高孔隙率的烧结铜的复合结构的吸液芯微型热管。与目前常用的铜粉烧结热管相比，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60-85%，这样有利于加快蒸汽在冷凝段转变为液相后在高孔隙率烧结铜中的回流速度，大大降低了冷凝段和绝热段液体介质回流的热阻，加快了液体介质在热管内循环速度，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是铜管置于多孔（开孔结构）陶瓷模板上的示意图 

图2是不锈钢或陶瓷中间柱放入铜管后的结构，铜粉和氧化铜粉将分别注入其间隙中并振实，铜粉在下端，氧化铜在上端；

图3铜粉和氧化铜粉还原烧结后形成两种不同孔隙率复合结构吸液芯的热管剖视图（在不同孔隙率的界面处，实际存在一个微小的铜和氧化铜混合复合的小区域）

具体实例

以下是利用铜粉和氧化铜粉复合，来制备直径为6 mm和8 mm、长度为332毫米、0.5毫米厚的不同孔隙率烧结铜为吸液芯的微型热管。

(1)       根据所选铜管的直径为6或8毫米、壁厚一般可选0.3毫米的纯铜管；