一种陶瓷基均热板及其制造方法

1.本发明涉及集成电子器件散热技术领域，更具体的说是一种陶瓷基均热板及其制造方法。


背景技术：

2.随着电子/光电芯片不断朝着复杂化，小型化与集成化发展，其热流密度不断增大，给散热带来严峻挑战。均热板是一种高效的相变传热装置，其具有比传统铜铝散热器高达数十倍甚至上百倍的传热性能，且无需外加泵功，是解决电子/光电散热难题的理想选择。
3.目前，均热板蒸发端和冷凝端均是由上下两块铜或铝金属盖板焊接拼合而成。然而铜或铝的热膨胀系数与电子/光电芯片的热膨胀系数并不匹配，导致电子/光电器件在使用过程中芯片易从金属基板表面脱落，大大降低了电子/光电器件的使用寿命与工作可靠性。此外，金属基平板热管与电子/光电器件封装时均需设置绝缘层，其导热系数低，显著增大了总传热热阻，极大程度上降低了电子/光电器件的散热效果。另一方面，由于绝缘层耐热性能较差，无法承受高温焊接，从而显著影响了封装工艺的实施，极大程度上限制了封装结构的优化。


技术实现要素：

4.本发明提供一种陶瓷基均热板及其制造方法，目的是可以克服以金属为均热板基板时热阻较大的问题。
5.上述目的通过以下技术方案来实现：
6.一种陶瓷基均热板，包括蒸发端，分布在蒸发端上端的微柱，固定连接在蒸发端上端的冷凝端，蒸发端和冷凝端之间密封形成腔体，所述冷凝端上分布有与所述腔体连通且直径大于所述微柱的微柱通道，所述蒸发端和冷凝端耦合后形成有与所述腔体连通的通孔，其特征在于，所述蒸发端上端的中心设有热源区域，以及与热源区域连通的槽道，所述槽道为网状且包括围绕所述热源区域的环状槽道，以及与环状槽道和热源区域连通的直线槽道。
7.所述蒸发端为碳化硅或氮化铝陶瓷。
8.所述冷凝端为铝或铜。
9.所述蒸发端和冷凝端的内端面设有凹腔。
10.所述微柱直径为0.3-0.4mm，高0.6-0.8mm。
11.所述微柱在蒸发端上端远离中心区域时，微柱间的间距逐渐增加，各微柱间距为0.15-0.3mm。
12.所述环状槽道宽度为0.4-0.5mm，所述直线槽道宽度为0.6-0.9mm。
13.所述直线槽道的夹角均相同，为30
°‑
50
°
14.上述陶瓷基均热板的制备方法，包括以下步骤：
15.s1、通过激光烧蚀的方式，在蒸发端表面加工出所述微柱、所述槽道和所述热源区域，激光功率为25-30w，激光频率为20khz，扫描速度为350-400mm/s，扫描次数为10-20次；
16.s2、通过微铣削的方式，在冷凝端上加工出凹腔与微柱通道，微铣削主轴转速为15000-16000r/min，进给量为100-130mm/min，背吃刀量为150-200um；
17.s3、利用碱溶液电镀对冷凝端进行超疏水处理；
18.s4、将蒸发端和冷凝端扣合形成腔体且在蒸发端与冷凝端之间加入充液管，通过焊接将其四周密封形成均热板；
19.s5、通过充液管对所述腔体进行抽真空，然后灌注工质，最后在充液管靠近均热板端部进行封口。
20.一种陶瓷基均热板及其制造方法的有益效果：
21.1)本发明的陶瓷基均热板既充分利用了均热板相变传热的高均温性和高效散热性能，又利用了陶瓷的高导热性能、绝缘性以及与电子/光电芯片相匹配的热膨胀系数，从而避免绝缘层的使用、显著减少系统热阻，提升散热效率，同时大大减少封装基板与电子/光电芯片之间的热应力。
22.2)本发明陶瓷基均热板梯度微柱吸液芯结构结构可提供良好的毛细力，驱使工质快速从蒸发端边缘回流至中心热源区域，从而促进蒸发-冷凝。
附图说明
23.图1为一种陶瓷基均热板的爆炸图；
24.图2为均热板蒸发端的结构示意图；
25.图3为均热板冷凝端的微柱通道结构示意图；
26.图4为冷凝端与散热翅片的结构示意图；
27.图5为均热板沿直径方向的剖视图；
28.图6为陶瓷基均热板的制备方法流程图。
具体实施方式
29.如图1-4所示，一种陶瓷基均热板，包括陶瓷基的蒸发端1，与安装在蒸发端1上端的冷凝端2且二者连接处密封，以形成均热板；为便于描述的，靠近蒸发端1和冷凝端2之间为内侧，相反则为外侧。蒸发端1和冷凝端2二者之一的内端设有凹腔，或者，在蒸发端1的内端和冷凝端2的内端均设有凹腔，使得蒸发端1和冷凝端2的内侧形成腔体；
30.其中，蒸发端1优选为碳化硅或氮化铝陶瓷，冷凝端2优选为铝或铜，所述工质优选采用去离子水。
31.特别的，在蒸发端1的上端设置有吸液芯结构，即分布的微柱，所述微柱位于腔体内，微柱的顶端与冷凝端2的下端面接触；
32.所述腔体能够与外部供液设备连通以实现腔体内部的抽真空与灌注工质；具体的，在蒸发端1和冷凝端2耦合后具有与所述腔体连通的通孔，其中，供液设备包括充液管3，充液管3穿过所述通孔与所述腔体连通，充液管3与均热板的连接处密封，利用充液管3将工质导入所述腔体内；
33.上述提到的密封采用焊接的方式实现，更优选的采用扩散焊。
34.其中，蒸发端1用于与热源接触，热量在此传递至整个均热板，均热板内部工质吸收热量汽化，变为蒸汽。蒸汽在压差作用下进行运动，并在冷凝端2放出热量液化，重新变为液体，凝结在冷凝端2表面。液体在冷凝端2表面聚集，在重力作用下通过微柱回到蒸发端，完成一次循环。
35.因蒸发端1可直接与芯片进行集成封装而无需绝缘层，冷凝端也可直接与散热器作为一体式而无界面材料，大大减小了整体热阻。
36.进一步的，为加快工质回流的能力，所述冷凝端2上也设置有吸液芯结构，即分布在冷凝端2上且与所述腔体连通的微柱通道，所述微柱通道的直径大于所述微柱的直径，微柱通道之间的距离也大于微柱之间的距离；
37.所述微柱通道与微柱的配合使用，可以使工质可通过从冷凝端2的微柱通道向蒸发端1的微柱回流，提高工质回流率。
38.其中，进行优化的，所述微柱直径为0.3-0.4mm，高0.6-0.8mm，所述微柱在蒸发端1上端远离蒸发端1中心区域时，微柱间的间距逐渐增加，各微柱间距为0.15-0.3mm；所述间距逐渐增加可以是一个虚拟直线上的微柱与相邻虚拟直线上的微柱的间距逐渐增加，或是一个虚拟环形线上的微柱与相邻虚拟环形线上的微柱的间距逐渐增加。
39.更进一步的，为了进一步的提高工质回流能力，所述蒸发端1上端的中心设有不存在微柱的热源区域，以及与热源区域连通的槽道，槽道上不存在微柱，槽道将微柱分隔为24-30个部分。
40.该方案中蒸发端3阵列的微柱与槽道结构复合的梯度微柱吸液芯结构，增加了吸液芯的毛细性能，提高了工质回流的能力。总体来说，相比于已有的均热板，可以较大程度的减小其热阻。
41.如图2所示，进一步优化的，所述槽道为网状且包括围绕所述热源区域的环状槽道，以及与环状槽道和热源区域连通的直线槽道，所述环状槽道宽度为0.4-0.5mm，所述直线槽道宽度为0.6-0.9mm。该规格在提高散热效果的同时，进一步增加了工质回流能力。
42.配合上述范围，所述蒸发端1直径为55mm，厚度为1mm。冷凝端2直径为55mm，厚度为3mm。
43.在上述范围中，最优选的参数为：微柱直径为0.3mm，高0.6mm，微柱间距未变化的部分的间距为0.2mm，直线槽道宽度为0.8mm，环状槽道宽度为0.4mm，槽道深度与微柱同高。
44.优选的，在冷凝端2上的微柱通道的底部靠近热源区域的一侧设置倒角面，使得液体同过微柱通道下降回流时，加快流向热源区。
45.如图5所示，铝材料的金属冷凝端2可与同样为铝或铜材料的散热翅片作成一体形式，消除连接的界面热阻，其中散热翅片不阻挡微柱通道。
46.制备上述陶瓷基均热板制备方法，如图6所示，包括以下步骤：
47.s1、蒸发端1通过激光烧蚀的方式，在其表面加工出所述微柱、所述槽道和所述热源区域。优选激光加工参数为：激光功率25-30w，激光频率20khz，扫描速度350-400mm/s，扫描次数10次；
48.s2、冷凝端2通过微铣削的方式，加工出其上的凹腔与微柱通道；优选微铣削参数为：主轴转速15000-16000r/min，进给量100-130mm/min，背吃刀量150-200um。
49.s3、通过碱溶液电镀对冷凝端2进行超疏水处理，以加强工质回流。
50.s4、将蒸发端1和冷凝端2扣合形成腔体且在蒸发端1与冷凝端2之间加入充液管3，通过焊接，优选为扩散焊，将其四周密封形成均热板；
51.s5、通过充液管3对所述腔体进行抽真空，然后灌注工质，最后在充液管3靠近均热板端部进行封口。