專利名稱：一種梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于電子器件散熱的多孔芯的制造方法，屬于散熱材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)字化及網(wǎng)絡(luò)資訊化的發(fā)展，對微電子器件性能和速度的需求越來越高，目前，半導(dǎo)體技術(shù)已進(jìn)入納米量級，可在IC芯片上制造更多的晶體管，基于輕便而需整合功能的需求，目前也朝著系統(tǒng)單芯片方向發(fā)展。IC中晶體管等有源器件運(yùn)算時，產(chǎn)生大量的熱量，隨著芯片中晶體管的數(shù)目越來越多，發(fā)熱量也越來越大，在芯片面積不隨之大幅增加的情況下，器件發(fā)熱密度越來越高，過熱問題已成為目前制約電子器件技術(shù)發(fā)展的瓶頸，以 CPU為例，其發(fā)熱量隨著速度的提高而逐漸增加，目前已達(dá)115W以上，相對應(yīng)的熱流密度也大幅度增加。散熱問題已成為制約微電子器件發(fā)展的最大障礙，并引起了廣泛的關(guān)注。微電子器件發(fā)熱量不斷提高，而與之相匹配的散熱技術(shù)卻未及時趕上，使得CPU 的發(fā)展逐漸面臨重大的瓶頸。根據(jù)ITRS預(yù)估，2006年每只DRAM的發(fā)熱量將從IW左右增加到2W，為了擴(kuò)大存儲模塊容量，目前許多公司開始采用3D堆疊形式的封裝，雖然提高了芯片的應(yīng)用效率，但也使散熱問題顯得越來越重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由熱所引起的失效約占電子器件失效的一半以上。溫度過高除了會造成半導(dǎo)體器件的損毀，也會造成電子器件可靠性降低及性能下降，對于散熱問題的解決，必須尋求綜合解決技術(shù)方案。此外，散熱問題也是影響 LED壽命的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。普通的多孔芯換熱器一般包括蒸發(fā)區(qū)、絕熱區(qū)和冷凝區(qū)，各區(qū)域是采用壓實(shí)密度、 孔徑和孔隙率相同的多孔芯(多孔合金熱管)，在微型結(jié)構(gòu)內(nèi)，當(dāng)工質(zhì)發(fā)生相變時，其內(nèi)部壓力會急劇增大，導(dǎo)致滲透性差，熱導(dǎo)率降低，影響散熱效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有用于電子器件散熱的多孔芯換熱器中多孔芯存在的問題，提供一種散熱能力強(qiáng)、滲透性好、熱導(dǎo)率高的具有梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)的多孔芯的制備方法。本發(fā)明的具有梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)的多孔芯的制備方法，包括以下步驟。(1)將金屬粉與聚酯球按體積比例分別為1 5、1 4和1 3進(jìn)行混合，形成三種不同的混合粉，金屬粉是指鐵粉、鋁粉、鎳粉或者三種金屬粉任意比例的混合物，三種不同的混合粉分別用于制備散熱器蒸發(fā)區(qū)多孔芯、散熱器絕熱區(qū)多孔芯和散熱器冷凝區(qū)多孔芯，蒸發(fā)區(qū)多孔芯混合粉、絕熱區(qū)多孔芯混合粉和冷凝區(qū)多孔芯混合粉中聚酯球的直徑是依次增大的，將三種混合粉分別加入黏結(jié)劑進(jìn)行黏結(jié)；三種混合粉中聚酯球的直徑大小按照以下公式來確定In (p/po) = -(2 γ Vm/rRT) cos θ (1)；式中，Ρ(1為工作介質(zhì)液面為平面時的飽和蒸氣壓，ρ為多孔芯內(nèi)液體工作介質(zhì)的飽和蒸氣壓，Vm*對應(yīng)相的摩爾體積，γ為各區(qū)內(nèi)對應(yīng)相的表面張力，R為常數(shù)，T為絕對溫度，θ為液體工作介質(zhì)與多孔芯金屬層壁的接觸角；對應(yīng)相是指實(shí)際工作時，散熱器蒸發(fā)區(qū)、絕熱區(qū)以及冷凝區(qū)內(nèi)工作介質(zhì)的狀況，蒸發(fā)區(qū)工作介質(zhì)是液相，絕熱區(qū)工作介質(zhì)是汽液兩相，冷凝區(qū)工作介質(zhì)是汽相；(2)將黏結(jié)后的三種比例不同的混合粉通過模具壓制成蒸發(fā)區(qū)多孔芯毛坯、絕熱區(qū)多孔芯毛坯和冷凝區(qū)多孔芯毛坯，各個毛坯的壓制密度為0. 2g/cm3-l. 3g/cm3 ；散熱器蒸發(fā)區(qū)多孔芯、散熱器絕熱區(qū)多孔芯和散熱器冷凝區(qū)多孔芯的毛坯高度可
根據(jù)以下公式確定-H1 = j-^- H^ = j^-mH, = H - j-^ - J^ ；其中H1為蒸
發(fā)區(qū)多孔芯的高度，H3為冷凝區(qū)多孔芯的高度，H2為絕熱區(qū)多孔芯的高度，H為三個區(qū)域高度之和Wi為液相充液體積，Ct1為蒸發(fā)區(qū)多孔芯孔隙率，Vg為汽相體積，Φ3為冷凝區(qū)多孔芯孔隙率，L為任一區(qū)域的長度，W為任一區(qū)域的寬度。(3)在毛坯制備完成后，對于外層金屬層與聚酯球相切或金屬層高出聚酯球兩種情況的毛坯進(jìn)行研磨，去除毛坯外層的金屬層，去除的毛坯外層厚度應(yīng)大于或等于聚酯球的半徑；(4)把研磨后的毛坯，按所包含的聚酯球孔徑從小到大的順序(即按照蒸發(fā)區(qū)多孔芯、絕熱區(qū)多孔芯和冷凝區(qū)多孔芯的順序)黏結(jié)成一個整體；(5)將黏結(jié)成整體的三個毛坯在真空爐中燒制，當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到金屬粉中熔點(diǎn)最低金屬的熔點(diǎn)時，保溫10-60分鐘，然后自然冷卻至室溫，即得到具有梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)的多孔芯。真空爐的真空度為0. OOlPa-O. IPa0本發(fā)明制備出的多孔芯具有梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)，每層的孔徑和孔隙率不同，可以滿足微型熱管散熱器對多孔芯的需求，散熱能力強(qiáng)、滲透性好、熱導(dǎo)率高。在制備過程中，注重不同規(guī)格樹脂球與金屬粉的搭配狀況，采用分層壓坯整體燒結(jié)制備工藝燒結(jié)，避免盲孔的出現(xiàn)，保證多孔芯內(nèi)部微孔暢通。


圖1是散熱器的區(qū)域示意圖。圖2是聚酯球的高度大于金屬層高度的情況。圖3是聚酯球與金屬層相切的情況。圖4是聚酯球外徑離金屬層有一定距離的情況。其中1、蒸發(fā)區(qū)，2、絕熱區(qū)，3、冷凝區(qū)，4、金屬層，5、聚酯球。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，換熱器一般分為蒸發(fā)區(qū)1、絕熱區(qū)2和冷凝區(qū)3，在實(shí)際工作時，蒸發(fā)區(qū)1的工作介質(zhì)質(zhì)主要是液相，絕熱區(qū)2工質(zhì)是汽液兩相，冷凝區(qū)3工質(zhì)主要是氣相。要達(dá)到最佳的散熱效果，就要使蒸發(fā)區(qū)1的多孔芯孔徑最小，冷凝區(qū)3的多孔芯孔徑最大，絕熱區(qū)2的多孔芯孔徑介于兩者之間(目前各區(qū)域中的多孔芯采用相同的壓實(shí)密度、孔徑和孔隙率)。這樣在制備三個區(qū)域(蒸發(fā)區(qū)、絕熱區(qū)和冷凝區(qū))的多孔芯時，就要考慮三個區(qū)域多孔芯和蒸發(fā)區(qū)與絕熱區(qū)臨界面以及絕熱區(qū)與冷凝區(qū)界面的制備工藝，要避免在臨界面產(chǎn)生盲孔，保持臨界面處上下暢通成為關(guān)鍵的技術(shù)問題。
1.多孔芯孔徑和孔隙率的設(shè)計(jì)利用飽和多孔合金的連續(xù)性方程、考慮重力效應(yīng)的達(dá)西定律、能量方程對三個區(qū)域的工質(zhì)輸運(yùn)過程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模
權(quán)利要求
1.一種梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯的制備方法，包括以下步驟(1)將金屬粉與聚酯球按體積比例分別為1 5、1 4和1 3進(jìn)行混合，形成三種不同的混合粉，金屬粉是指鐵粉、鋁粉、鎳粉或者三種金屬粉任意比例的混合物，三種不同的混合粉分別用于制備散熱器蒸發(fā)區(qū)多孔芯、散熱器絕熱區(qū)多孔芯和散熱器冷凝區(qū)多孔芯， 蒸發(fā)區(qū)多孔芯混合粉、絕熱區(qū)多孔芯混合粉和冷凝區(qū)多孔芯混合粉中聚酯球的直徑是依次增大的，將三種混合粉分別加入黏結(jié)劑進(jìn)行黏結(jié)；(2)將黏結(jié)后的三種比例不同的混合粉通過模具壓制成蒸發(fā)區(qū)多孔芯毛坯、絕熱區(qū)多孔芯毛坯和冷凝區(qū)多孔芯毛坯，各個毛坯的壓制密度為0. 2g/cm3-l. 3g/cm3 ；(3)在毛坯制備完成后，對于外層金屬層與聚酯球相切或金屬層高出聚酯球兩種情況的毛坯進(jìn)行研磨，去除毛坯外層的金屬層，去除的毛坯外層厚度應(yīng)大于或等于聚酯球的半徑；(4)把研磨后的毛坯，按所包含的聚酯球孔徑從小到大的順序黏結(jié)成一個整體；(5)將黏結(jié)成整體的三個毛坯在真空爐中燒制，當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到金屬粉中熔點(diǎn)最低金屬的熔點(diǎn)時，保溫10-60分鐘，然后自然冷卻至室溫，即得到具有梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)的多孔芯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯的制備方法，其特征在于，所述三種混合粉中聚酯球的直徑大小按照以下公式來確定ln(p/p0) = -(2yVm/rRT)cos θ式中，Po為工作介質(zhì)液面為平面時的飽和蒸氣壓，P為多孔芯內(nèi)液體工作介質(zhì)的飽和蒸氣壓，Vm*對應(yīng)相的摩爾體積，γ為各區(qū)內(nèi)對應(yīng)相的表面張力，R為常數(shù)，T為絕對溫度，θ 為液體工作介質(zhì)與多孔芯金屬層壁的接觸角；對應(yīng)相是指實(shí)際工作時，散熱器蒸發(fā)區(qū)、絕熱區(qū)以及冷凝區(qū)內(nèi)工作介質(zhì)的狀況，蒸發(fā)區(qū)工作介質(zhì)是液相，絕熱區(qū)工作介質(zhì)是汽液兩相，冷凝區(qū)工作介質(zhì)是汽相。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯的制備方法，其特征在于，所述散熱器蒸發(fā)區(qū)多孔芯、散熱器絕熱區(qū)多孔芯和散熱器冷凝區(qū)多孔芯的毛坯高度根據(jù)以下公式確定 凡=TW^1 h^ = T^mii2 = Η-T^1 -1^3其中&為蒸發(fā)區(qū)多孔芯的高度，H3為冷凝區(qū)多孔芯的高度，H2為絕熱區(qū)多孔芯的高度，H為三個區(qū)域高度之和J1為液相充液體積，小工為蒸發(fā)區(qū)多孔芯孔隙率，Vg為汽相體積，Φ3為冷凝區(qū)多孔芯孔隙率，L為任一區(qū)域的長度，W為任一區(qū)域的寬度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯的制備方法，包括(1)將金屬粉與聚酯球進(jìn)行混合，形成三種不同的混合粉；(2)將三種不同的混合粉制成毛坯；(3)在毛坯制備完成后進(jìn)行研磨，去除毛坯外層的金屬層，去除的毛坯外層厚度應(yīng)大于或等于聚酯球的半徑；(4)把研磨后的毛坯，按所包含的聚酯球孔徑從小到大的順序黏結(jié)成一個整體；(5)將黏結(jié)成整體的三個毛坯在真空爐中燒制。本發(fā)明制備出的多孔芯具有梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)，每層的孔徑和孔隙率不同，散熱能力強(qiáng)、滲透性好、熱導(dǎo)率高，可以滿足微型熱管散熱器對多孔芯的需求。
文檔編號H01L23/427GK102184901SQ201110093959
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月14日
發(fā)明者位紅燕, 安保睿, 常威, 張樹生, 田帥, 郭雷, 陳巖, 陳雅群, 霍夢佳 申請人:山東大學(xué)