一种多孔铜散热片及其制备方法技术

本发明专利技术属于冶金铸造技术领域，具体为一种用于电子器件散热的多孔铜散热片及其制备方法，该多孔铜制散热片用于计算机芯片、大功率电子设备及光电器件等散热。多孔铜散热片由铸造多孔铜锭切割加工而成，多孔铜散热片厚度0.5～10mm，相对密度为25～80%（气孔率为20-75%）；多孔铜散热片中的气孔为长圆柱状，平行于厚度方向；气孔直径为0.05～2mm，气孔长度为5～20mm，气孔密度为50～400个/cm2。本发明专利技术可解决现有多孔铜或泡沫铜散热装置经散热底座传导的热量无法及时到达散热表面，散热片中导通的气孔对流动气体的流阻较大，很难发挥出多孔金属和泡沫金属的高比表面积优势等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种多孔铜散热片及其制备方法
本专利技术属于冶金铸造
，具体为一种用于电子器件散热的多孔铜散热片及其制备方法，该多孔铜制散热片用于计算机芯片、大功率电子设备及光电器件等散热。
技术介绍
随着电子产品逐渐的小型化、轻薄化和高频化，其单位面积产生的热量愈来愈高。如何快速、安全的带走电子器件上的热量成为了制约电子科技发展的一个重要课题。电子器件的散热方式主要有三种：风冷、水冷和热管。强制风冷的散热效果远好于自然风冷，复杂性大大低于水冷和热管，散热工作可靠、易于维修保养、成本相对较低，所以在需要散热的电子设备冷却系统中常被采用，同时也是高功率器件采取的主要冷却形式。在风冷散热方式中，电子器件的散热器一般由散热片和底座两部分组成。底座与电子原件接触，主要功能是把电子原件工作时产生的热量吸收并传递到散热片上；散热片将底座吸收的热量及时地散发出去，影响热量散发效率的因素主要有散热片的材料、本身的表面积及其周围环境。在电子器件的发展初期，电子器件的功率较低，散热片多采用铝或铝合金。铝及其合金具有导热系数较高，质量较轻，容易加工成型等优点。但是随着电子器件的功率提高，铝及铝合金散热片已经不能满足散热要求。为此，出现了两种技术方向提高散热效率：一是采用热导性能更高的材料制备散热片；二是提高散热片的散热面积。针对第一个技术方向，导热性能高的铜是一个很好的替代材料。中国专利技术专利申请（名称：铜散热器及其制造工艺，申请号：02111679.2，申请人：上海发电设备成套设计研究所）中公开了一种用于高压变频调速装置的铜散热器，由用铜加工制成的散热基板、散热翅片组成，散热基板上置有若干片散热翅片。其优点是散热效率高，装置尺寸小。但是，由于铜的密度较高，散热装置增重较大。因此，其实用性受到限制。针对第二个技术方向，为了提高散热片的表面积而不增加散热装置的体积，人们很容易想到通过减小散热装置的翅片之间的间隔实现。然而，减小翅片的间隔带来了空气流动阻力的增加，从而导致热阻升高。因此，对于给定体积的散热装置在不减小翅片间隔的情况下提高对流面积成为提高散热片散热效率的发展方向。中国专利技术专利申请（名称：用于冷却高功率微处理器的平行板/针状翅片混合的铜散热装置，申请号：01808077.4，申请人：因特尔公司）公开了一种用于微处理器的散热装置，包括导热基部和多个从导热基部向上延伸的翅片构件。该专利采用化学腐蚀的方法在散热翅片表面形成了一些规则形状的凸起，成为了散热翅片表面积增大构件，从而对于给定体积的散热装置增大了对流表面积，加强了热散逸。但是，该方法工艺相对复杂，同时表面凸起的高度控制存在一定的难度，另外化学腐蚀也存在一定的污染问题，因此很难广泛采用。采用具有贯通孔洞的金属结构将可能提高散热片的表面积，有望提高散热片的散热能力。中国专利技术专利申请（名称：一种注射成形制备梯度结构铜散热片的方法，申请号：201010597913.8，申请人：北京有色金属研究总院），以及中国专利技术专利（名称：一种电子元件用梯度结构铜散热片的制备方法，专利号：200810223537.9，申请人：北京有色金属研究总院），均采用将不同粒度及粒度分布的铜粉与石蜡基多组元粘结剂混合，经双腔注塑机注射成不同梯度结构的铜散热片生坯，然后通过脱脂、烧结和压力加工制备出相对密度在50～96%之间的梯度结构铜散热片。梯度结构散热片中存在一定比例的气孔，不仅降低了散热片的重量，同时增加了其比表面积。但是，该方法存在两个主要问题：工艺相对复杂，不仅需要混料、注塑、脱脂、烧结，同时还需要后续压力加工等多道工序；散热片中的孔洞曲曲折折，可控性较差。在强制冷却模式下，流阻较大，因此将限制热量的散失。泡沫金属气孔率较高，因此具有非常大的比表面积。文献：Bastawros[BastawrosA.F.,Effectivenessofopen-cellmetallicfoamsforhighpowerelectroniccooling,ProceedingSymposiumontheThermalManagementofElectronics,Anaheim,CA:IMECE,1998:64-69]，报道了泡沫金属散热性能的实验研究。在低流速的情况下，泡沫金属的散热性能较致密金属有了明显提高；而在高流速情况下，由于大量气孔的存在导致泡沫金属的导热性能远低于致密金属（热阻较大），无法及时将热量从电子元件等热源传导至散热表面，因此泡沫金属的散热性能不够理想。采用机械加工钻孔的方法可以改变金属散热片的散热面积，但由于所获孔的尺寸、密度受钻孔工具精度和尺寸制约，由此导致的比表面积增加非常有限。因此，不能有效提高相应的散热性能。综上所述，由于表面积增大，采用多孔铜或泡沫铜可以提高电子器件的散热性能。为了使其获得较理想的散热性能需要解决两个主要问题：1.比表面积增大与导热能力下降之间的平衡。通过提高开孔多孔或泡沫铜的气孔率并降低其气孔尺寸，可以显著提高其比表面积，即增加其散热面积。但随之而来的是其导热性能的下降，由此导致电子原件经散热底座传导的热量无法及时到达散热表面，从而无法体现出这种结构的散热优势；2.有利于气体流动（对流）的气孔结构。多孔金属或泡沫金属在增加散热表面积的同时，往往需要通过气体流动（对流）快速将散发出的热量带走。如果散热片中导通的气孔对流动气体的流阻较大，例如：采用粉末冶金获得的多孔金属气孔弯弯曲曲，由此导致对流效应降低，将很难发挥出多孔金属和泡沫金属的高比表面积优势。
技术实现思路
围绕计算机芯片、大功率电子设备及光电器件散热，针对现有铜质散热片的不足，本专利技术的目的在于提供一种多孔铜散热片及其制备方法，解决现有多孔铜或泡沫铜散热装置经散热底座传导的热量无法及时到达散热表面，散热片中导通的气孔对流动气体的流阻较大，很难发挥出多孔金属和泡沫金属的高比表面积优势等问题。本专利技术的技术方案是：一种多孔铜散热片，多孔铜散热片由铸造多孔铜锭切割加工而成，多孔铜散热片厚度0.5～10mm，相对密度为25～80%；多孔铜散热片中的气孔为长圆柱状，平行于厚度方向；气孔直径为0.05～2mm，气孔长度为5～20mm，气孔密度为50～400个/cm2。所述的多孔铜散热片，多孔铜散热片厚度2～5mm，相对密度为30～70%；多孔铜散热片中的气孔为长圆柱状，平行于厚度方向；气孔直径为0.2～1mm，气孔长度为10～15mm，气孔密度为200～300个/cm2。所述的多孔铜散热片，多孔铜散热片被加工成长方体或圆环。所述的多孔铜散热片的制备方法，铸造工艺利用氢气在固态和液态铜中的溶解度差，通过在高压氢/氢和氩的气氛下熔炼铜，经保温保压后定向凝固获得多孔铜锭，沿气孔轴向垂直凝固方向将多孔铜锭切割成多孔铜散热片。所述的多孔铜散热片的制备方法，采用铜银焊条焊接在铜或铝散热底座上，散热片之间的距离是1～10mm。所述的多孔铜散热片的制备方法，铜银焊条中铜含量30～85%；焊接气氛为氢气氛，焊接温度为300～800℃，焊接时间为0.2～5min。所述的多孔铜散热片的制备方法，高压氢/氢和氩气气氛中，氢气为浓度≥99.9wt%的高纯氢气，氩气为浓度≥99.9wt%的高纯氩气，气体压强为0.1～2.0MPa；其中，氢气压强为0.1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔铜散热片，其特征在于，多孔铜散热片由铸造多孔铜锭切割加工而成，多孔铜散热片厚度0.5～10mm，相对密度为25～80%；多孔铜散热片中的气孔为长圆柱状，平行于厚度方向；气孔直径为0.05～2mm，气孔长度为5～20mm，气孔密度为50～400个/cm2。

【技术特征摘要】
1.一种多孔铜散热片，其特征在于，多孔铜散热片由铸造多孔铜锭切割加工而成，多孔铜散热片厚度5～8mm，相对密度为50.1～65.8%；多孔铜散热片中的气孔为长圆柱状，平行于厚度方向；多孔铜锭中的气孔直径为0.19～0.63mm，气孔长度为10～14mm，气孔密度为181～292个/cm2，气孔率34.2%～49.9%。2.按照权利要求1所述的多孔铜散热片，其特征在于，多孔铜散热片被加工成长方体或圆环。3.一种权利要求1所述的多孔铜散热片的制备方法，其特征在于，铸造工艺利用氢气在固态和液态铜中的溶解度差，通过在高压氢/氢和氩的气氛下熔炼铜，经保温保压后定向凝固获得多孔铜锭，沿气孔轴向垂直凝固方向将多孔铜锭切割成多孔铜散热片；高压氢/氢和氩气气氛中，氢气为浓度≥99.9wt%的高纯氢气，氩气为浓度≥99.9wt%的高...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜昊，路东柱，祁建忠，陈金生，熊天英，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21