一种热沉材料为底板超薄均热板的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种均热板的制造方法，该均热板的特点之一是其底板采用热沉材料如钥铜或钨铜合金等，实现了热沉材料与均热板的一体化；特点之二是采用超薄泡沫铜，同时将均热板的内部结构布局如蒸汽腔的位置和结构寓于吸液芯的同层结构内，制备超薄结构的均热板。
【背景技术】
[0002]热管理直接关系到半导体电子器件和重大装备工作的稳定性和可靠性，目前结合器件散热要求进行均热板的设计、制造和应用逐步得到重视，因为均热板具有扩展热阻低、均匀的热通量、热量快速扩散、重量轻和无噪音等优点，能够实现对半导体电子器件及装备的运行温度有效的热控制。
[0003]均热板(Vapor Chamber)是一个内壁具有微观结构的高真空腔体，其结构如图1所示是由吸液芯、铜柱、上下盖板上的毛细结构材料和上下铜盖板经烧结和焊接(扩散焊接或铜银焊接)结合而成，再通过抽真空、注液和封装等工序制得。应用时，当热由半导体的芯片热源传导至均热板的蒸发区时，腔体里面的液相介质会在高真空度环境中，开始发生液相气化，吸收热能并且体积迅速膨胀，并逐步充满整个蒸汽腔，气相的介质快速通过蒸汽腔，传导到一个较冷的区域时便发生凝结现象，借由气-液转变释放出相变潜热，凝结后的液相介质会借由内壁上微结构的毛细现象再快速回流到热源的蒸发端，此过程将在腔体内周而复始地循环进行，这就是均热板的工作过程。由于均热板内吸液芯的微结构具有很强的毛细力，液体介质依靠毛细现象吸附在吸液芯内，在均热板工作时不受重力的影响，也称其反重力特性和应用过程中的无方向性。均热板的高效快速的散热效率和功率、均匀的热通量、无噪音等优点，越来越受到重视并得到不断研究和开发。此外，由于半导体电子器件特别是便携电子器件不断向小型、美观、高效方向发展，均热板同样不断地超薄、高效和高可靠性的方向发展。
[0004]图1所示是常规均热板的内部结构图，均热板通常由五层结构构成，及下底板+毛细芯材料+蒸汽腔+毛细芯材料+上盖板，其中蒸汽腔的厚度通常设计需要不小于0.8 mm,加上各种材料的厚度，这样均热板的厚度就目前而言一般大于3毫米。如何实现均热板厚度的进一步降低和重量的不断减少，对设计和制备都不断提出新的要求，本发明从均热板的内部吸液芯材料和结构提出了解决的方法。
图2所示是芯片等热源与均热板的常规连接过程，热源如芯片通常首先通过导热胶等与热沉材料采用贴片技术实现多层复合，然后热沉材料再通过导热胶或焊接方法与均热板及其相应的散热模组结合，实际结构由五层组成:热源(如芯片)+导热胶等复合层(采用贴片技术)+热沉材料+导热胶(或焊接层)+均热板及其模组。由此可以看出减少热阻是芯片等热源散热的一个至关重要的需求。因为增加了连接层，也造成了结构变化、几何尺寸和重量的增大，相对降低了器件的可靠性。因为多一层连接，就多一次可能接触失效的可能性。因此本发明也从均热板的材质和结构两方面提出了解决的方法。
【发明内容】
[0005]目前半导体芯片特别是如晶闸管、IGBT、IGCT等大功率电力电子器件的芯片因为对温度变化产生的热应力非常敏感，通常需设计结合贴片技术与热沉材料集成，该热沉材料需要具有良好的导热性能，且热膨胀系数和相应的芯片相近，这样随温度变化时，产生的热应力小，确保其安全工作和可靠性。如果将热沉材料作为均热板的一个面，就至少减少了两层集成工艺产生的热阻，一是热沉材料本身的热阻，二是热沉材料与均热板连接的焊接层或导热胶的热阻。这样就可以减少热沉材料和通过焊接或导热胶连接在均热板及其相应的模组上的两个工序，达到快速高效的导热和散热目的。为了满足散热要求，减少热阻和提高芯片和散热模组结合的可靠性，提出了本发明从均热板的制备材质方面着手，即将热沉材料作为制作均热板的一个面，这样就至少减少了两层热阻，一是热沉材料本身的热阻，二是热沉材料与均热板连接的焊接层或导热胶的热阻。
[0006]即根据设计要求，将超薄均热板的外壳材料采用上盖板为无氧纯铜，下底板采用钥铜合金或钨铜合金代替通常所用的无氧纯铜。因为钥铜合金和钨铜合金具有很好的物理性能，如高的热导性能、耐热性能及低的热膨胀系数等要求，也具有良好的力学性能如高弹性模量，可满足大功率的集成电路和微波器件的热沉应用。用该热沉超薄板材作为均热板的一个面，就可实现热沉材料和常规均热板一体化，大大降低整个散热模组的热阻，提高可靠性。另一面则选用超薄无氧铜板，便于跟散热片之间的连接。
[0007]其二是从均热板的内部结构着手，通常均热板内部构成由五层结构，本发明采用江苏格业新材料科技有限公司生产的超薄泡沫铜作为吸液芯。该吸液芯孔隙率可在40-95%范围内选择，孔径结构是分级构造，其大小范围在数百纳米至数百微米范围内，厚度> 0.1毫米，该材料本身具有很好的毛细特性。可以将内部结构调整，改成三层结构，即上盖板和下底板，加上中间的分级构造超薄泡沫铜。其中中间的蒸汽腔可以通过设计，寓于吸液芯的同层结构内。即根据芯片等热源位置和结构特点，对用于均热板吸液芯的超薄泡沫铜进行结构设计，满足所需蒸汽腔的空间要求。设计后通过相应的模具将超薄泡沫铜进行冲切，可以根据设计要求加工成各种形状或结构，如图3所示的花瓣形和米字形，即其相应的热源蒸发区和蒸汽腔通过超薄泡沫铜的结构设计来实现。
[0008]该均热板是一种由超薄泡沫铜和超薄的钥铜或钨铜合金通过结构设计、高温烧结、焊接和封装注液等工艺制造而成，实现了将热沉材料和均热板合为一体的超薄均热板，可大大降低元器件所需散热集成的热阻、满足半导体电子元器件快速高效的导热和散热需求。此外该均热板也改变了常规均热板内部的结构布局，结合热源所处蒸发区的大小、位置和数量，将超薄泡沫铜结构进行设计，并将蒸汽腔的位置和结构寓于吸液芯的同层结构内，确保均热板的超薄结构。
【附图说明】
[0009]图1常规均热板的结构示意图，即下底板+毛细芯材料+蒸汽腔+毛细芯材料+上盖板
图2芯片等热源与常规热沉材料和均热板结合的示意图图3超薄均热板中超薄泡沫铜的模板结构设计示意图图4超薄泡沫铜为吸液芯、热沉材料为下底板超薄均热板的结构示意图图5尺寸为80*80*0.6 mm的超薄泡沫铜为吸液芯的超薄均热板的结构示意图具体实例
例一，尺寸为80*80*0.6 mm的方形结构钥铜超薄均热板的制造制备尺寸为80*80*0.6 mm的方形结构兼具热沉材料和均热板为一体的钥铜为底板的超薄均热板，具体步骤如下:
(1)均热板的设计和部件材料的准备:底板钥铜合金板大小为80*80mm，厚度为0.2mm，上盖板为纯铜，为0.2 mm,大小经适当形变后，形变深度为0.2 mm,尺寸为80*80 mm。超薄泡沫铜的厚度为0.22 mm,孔隙率为82%。因为超薄泡沫铜容易变形，经适当压力其将可变形至0.20 mm,此时孔隙率约为80.2%，目的是确保铜的上盖板和钥铜的下底板能充分接触并焊接在一起；
(2)均热板用吸液芯的准备:吸液芯采用超薄泡沫铜，厚度为0.22 mm，孔隙率为82%，根据芯片的位置位于均热板的中间部位，尺寸大小为20*20 mm，吸液芯的结构设计成“米字形”，详见图5所示，经冲压模具冲切加工成所需的模板结构；
(3)清洗和组合:将加工后的上盖板无氧铜板材和下底板钥铜合金板经清洗、干燥后，与冲切后的超薄泡沫铜模板组合，在其边沿四周(包括预留的用于抽真空注液的毛细纯铜管)均均匀涂覆铜银钎料