一种高效高可靠性平板热管的制作方法

1.本发明涉及一种高效高可靠性平板热管，属于散热技术领域。
技术背景
2.电力电子装置内部产生的高热流密度对装置的可靠性造成极大威胁。由于高温导致的失效在所有电子设备失效中所占的比例大于50％，传热问题甚至成为了装置朝小型化方向发展的瓶颈。电子元件除了对最高温度的要求外，对温度的均匀性也提出了要求。随着微电子技术的迅速发展，电子器件的微型化已经成为现代电子设备发展的主流趋势。电子器件特征尺寸不断减小、芯片的集成度、封装密度以及工作频率不断提高，这些都使芯片的热流密度迅速升高。因此电路及其芯片散热问题显得格外突出。而平板热管具有高的热导率和良好的均温性，成为解决电子散热问题的很有前途的技术之一。
3.普通平板热管整体结构偏厚，体积较大难以适应微小型电子结构对散热的需求。同时，目前普通热管基本上都是采用金属作为密封腔体，工作时金属腔体难免会在大量热的传导过程中出现变形、凸起等情况，造成传热过程中的热阻增大，使器件性能降低。另外，金属材料与半导体器件的材料存在较大的热失配，容易造成平板热管与发热器件脱离的情况，使其导热、散热性能大打折扣。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处，提供一种高效高可靠性平板热管，该高效高可靠性平板热管具有匀热效果好、热导率高，结构热稳定好、与现有的半导体工艺兼容的优点，特别适用于各种高功率电子器件的散热。
5.本发明的目的通过以下技术方案实现：
6.一种高效高可靠性平板热管，包括碳化硅封闭平板壳体，置于碳化硅平板壳体内部并与碳化硅封闭平板壳体上下内表面形成热接触的微孔结构垂直生长的石墨烯互连阵列，在碳化硅封闭平板壳体内还设置有散热工质。
7.上述技术方案中，所述平板壳体采用具有高导热系数120
‑
160w/m
·
k、高杨氏模量410gpa、低热膨胀系数特4.4x10
‑
6oc
‑
1点的单晶碳化硅制成封闭的平板壳体。
8.上述技术方案中，单晶碳化硅制成封闭的平板壳体，是由两块镜面对称的带有凹槽的碳化硅片键合而成的中空结构。
9.上述技术方案中，碳化硅封闭平板壳体的厚度为0.5mm
‑
1mm。
10.上述技术方案中，垂直生长的石墨烯为单层单晶结构。
11.上述技术方案中，垂直生长的石墨烯横向之间相互连接，形成蜂窝状微结构，具有良好的毛细力和虹吸力。
12.上述技术方案中，石墨烯互连阵列的厚度为100um
‑
500um。
13.上述技术方案中，散热工质为蒸馏水、乙醇、甲醇、乙二醇的任一一种或多种混合物。
14.上述技术方案中，散热工质填充的体积占碳化硅平板壳体内部空腔体积的5％
‑
30％。
15.本发明因为采用上述技术方案，因此具备以下有益效果：
16.一、本发明的平板热管在局部受热以后，内部填充的散热工质会通过相变过程迅速吸收大量的热量，同时沿平板热管面内方向迅速匀热，可以极大地降低局部热点的温度，避免发热元件由于局部温度过高造成的结构崩塌。
17.二、本发明内部填充的散热工质在受热以后会从液态形态吸热转变为气态形态，在吸收大量热的同时会在压力梯度的作用下传质至平板热管另外一面，结合平板热管外部热沉实现快速散热。
18.三、本发明的平板热管内部垂直生长的石墨烯互连阵列具有在平板热管垂直方向极高的热导率，结合散热工质的相变散热，该平板热管可以在平板热管法线方向实现极高的热导率。
19.四、本发明的平板热管内部垂直生长的石墨烯互连阵列具有蜂窝状微结构，具有良好的毛细力和虹吸力，因此该平板热管无需额外添加内部毛细结构，就能把液化的散热工质吸附回热源附近。
20.五、本发明的平板热管是利用碳化硅材料制备的封闭壳体，具有高导热系数、高杨氏模量、低热膨胀系数特点，在高热量传输过程中也不会出现变形、凸起等现象，能保证平板热管稳定工作的温度区间大，适合于高功率器件的散热。另外，碳化硅材料制备与现有的半导体器件工艺兼容，非常适合于半导体器件的散热。
附图说明
21.利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其他附图。
22.图1本发明的一种高效高可靠性平板热管的结构示意图。
23.图2本发明的一种高效高可靠性平板热管的分解示意图。
24.图3本发明的一种高效高可靠性平板热管内部蜂窝状垂直生长的石墨烯微结构阵列顶部照片。
具体实施例
25.为了便于理解本发明，下面将根据相关附图对本发明作进一步说明。附图给出了本发明一种典型的实施例。但是，本发明可以用许多不同的形式实现，并不限于本实施例。相反，展示这一实施例的目的是为了对本发明公开的内容说明的更详细。
26.图1
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图3所示，本实施例展示了一种高效高可靠性平板热管，包括由碳化硅材料制成的封闭腔体(图1所示)，以及封闭腔体内部的蜂窝状垂直生长的石墨烯微结构阵列。
27.封闭腔体是由两块镜面对称的带有凹槽的碳化硅片(如图2所示的上盖和下盖)键合而成的中空结构，外部尺寸为：长10mm，宽10mm，高1mm；内部中空尺寸为：长8mm，宽8mm，高0.4mm。
28.如上所述的封闭腔体内中空结构填充有蜂窝状垂直生长的石墨烯微结构阵列，蜂
窝状垂直生长的石墨烯微结构阵列是利用等离子体化学气相沉积方法直接生长于带有凹槽的碳化硅片凹槽内(下盖)，形成良好的热接触，控制生长时间，把蜂窝状垂直生长的石墨烯微结构阵列的高度控制在400um，以使其和上盖内部凹面处也形成良好的热接触。同时，垂直生长的石墨烯片在横向相互连接在一起，保证横向也有良好的热导。
29.封闭腔体内部填充有蒸馏水，填充量为封闭腔体体积的10％。
30.由于所选用的腔体材料属于半导体碳化硅材料，该平板热管的制作工艺也跟常规的金属热管有所不同。带有凹槽的上、下盖分别利用化学刻蚀方法制备。上、下盖是利用键合法连接成为一个整体。
31.形成整体平板热管之后该热管没有上下面之分，使用效果具有镜面对称性。
32.本实施例所展示的一种高效高可靠性平板热管，在散热工质和石墨烯协同作用下，具有极高的纵向热导率。横向方向由于石墨烯的互连作用，也具有很好的热传递性质，可以保证与其热接触的发热元件做产生的热量被该平板热管快速地均匀化，并利用其极高的纵向热导率把热量传递到另外一侧，该平板热管另外一侧一般于热沉连接，以使其传递到该侧的热量被热沉带走，起到给发热元件降温的目的。
33.同时，该实施例所展示的平板热管壳体材料是具有高杨氏模量的碳化硅材料，能保证其内部散热工质在相变转换为气态之后所产生的高压力不会导致其产生形变或凹起，这一特点能保证该平板热管在使用时于发热元件已知处于良好的热接触，从而保证其具有高的可靠性。


技术特征：
1.一种高效高可靠性平板热管，其特征在于：包括碳化硅封闭平板壳体，置于碳化硅平板壳体内部并与碳化硅封闭平板壳体上下内表面形成热接触的微孔结构垂直生长的石墨烯互连阵列，在碳化硅封闭平板壳体内还设置有散热工质。2.根据权利要求1所述的一种高效高可靠性平板热管，其特征在于，所述平板壳体采用具有高导热系数120
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160w/m
·
k、高杨氏模量410gpa、低热膨胀系数4.4x10
‑6℃
‑1点的单晶碳化硅制成封闭的平板壳体。3.根据权利要求2所述的一种高效高可靠性平板热管，其特征在于，单晶碳化硅制成封闭的平板壳体，是由两块镜面对称的带有凹槽的碳化硅片键合而成的中空结构。4.根据权利要求2所述的一种高效高可靠性平板热管，其特征在于，碳化硅封闭平板壳体的厚度为0.5mm
‑
1mm。5.根据权利要求1所述的一种高效高可靠性平板热管，其特征在于，其特征在于，垂直生长的石墨烯为单层单晶结构。6.根据权利要求1所述的一种高效高可靠性平板热管，其特征在于，垂直生长的石墨烯横向之间相互连接，形成蜂窝状微结构，具有良好的毛细力和虹吸力。7.根据权利要求1所述的一种高效高可靠性平板热管，其特征在于，石墨烯互连阵列的厚度为100um
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500um。8.根据权利要求1所述的一种高效高可靠性平板热管，其特征在于，散热工质为蒸馏水、乙醇、甲醇、乙二醇的任一一种或多种混合物。9.根据权利要求8所述的一种高效高可靠性平板热管，其特征在于，散热工质填充的体积占碳化硅平板壳体内部空腔体积的5％
‑
30％。

技术总结
一种高效高可靠性平板热管，涉及平板热管技术领域。其结构包括具有高导热系数、高杨氏模量特点的碳化硅封闭平板壳体，散热工质以及具有微孔结构垂直生长的石墨烯互连阵列。微孔结构垂直生长的石墨烯互连阵列置于碳化硅平板壳体内部。该结构结合了平板热管的高匀热优点，石墨烯层面内的高导热优点以及碳化硅的高硬度和低热膨胀系数优点，这些优点协同作用的结果使得这种平板热管不仅具有良好的匀热和导热性能，同时具有高温工作条件下形变极小的特点，特别适用于各种高功率电子器件的散热。特别适用于各种高功率电子器件的散热。特别适用于各种高功率电子器件的散热。


技术研发人员：赵强 张永起
受保护的技术使用者：电子科技大学长三角研究院（湖州）
技术研发日：2021.08.18
技术公布日：2021/11/8