一种具有毛细效应的三明治结构超亲水泡沫铜的制备方法与流程

[0001]
本发明涉及传热传质技术领域，具体涉及一种具有毛细效应的三明治结构超亲水铜的制备方法。


背景技术：

[0002]
近年来，随着集成电路技术、半导体技术和电子元器件质量的突破，电子产业高性能、微型化、集成化的发展直接面临的问题就是散热问题。电子元器件、组件、电路板、线路等在较高的温度下不能可靠地工作，甚至缩短其工作寿命。铜因为其良好的导热性能，而广泛应用在传热散热领域。然而，单纯的铜作为散热器早已不能满足现有的散热技术需求。在此基础上，结合工质水的气液相变传热，开发出了基于铜的热管和均热板。
[0003]
目前均热板主要由腔体(如铜管、铜盒)、毛细结构(烧结层、丝网或沟槽)和工质(水、乙醇等)三部分组成，其中毛细结构是直接影响传热效率的关键结构。目前市面上均热板中的毛细结构有丝网纤维、铜粉颗粒、泡沫铜等，一般采用不锈钢丝网作为毛细结构，但其孔隙率只有30％左右，且孔隙的连通性不好，不利于制冷液体的流动。如果采用纯铜或纯铜粉烧结工艺作为毛细结构，可保证50％以上孔隙率，具有较好的毛细力，但是亲水性不稳定。而且，目前的均热板工艺技术复杂，需要经过切割、电镀、冲压、焊接、表面处理、高温烧结、注液、封装、测试等一系列工艺过程，甚至焊接都需要两到三次，过多的工艺过程和技术要求使得均热板的成品质量难以保证，稳定性较差，成品率较低，成本较高。
[0004]
因此，制备一种价格低，工艺简单，高孔隙率并且高渗透力的散热结构件仍是业界亟待解决的问题。


技术实现要素：

[0005]
本发明要解决的技术问题是：提供一种工艺简单、流程短、成本低且能获得产品质量和结构稳定性好、成品率高、具有优良毛细效应的三明治结构超亲水铜的制备方法。
[0006]
本发明的解决方案是这样实现的：一种具有毛细效应的三明治结构超亲水铜的制备方法，包括如下步骤：（1）将铜粉、氯化铵和去离子水混合搅拌均匀后进行真空除泡，形成粘稠状混合物w1备用；（2）对铜箔进行加工，使铜箔的中部位置形成平底凹槽结构，获得第一板体，所述第一板体上留有一出口，作为气体通道或注液口；（3）将所述粘稠状混合物w1倒入所述平底凹槽结构中，将平底凹槽完全填充，并压实压平（中间层），然后在平底凹槽周围除了预留出口处以外的铜箔部位均匀铺上纳米铜焊膏层；（4）取第二板体与所述第一板体叠合在一起，第一板体、中间层和第二板体叠合在一起形成三明治结构；（5）将三明治结构于含有氢气的保护气氛环境中，升温至350～360℃并保温，使水和氯
化铵完全挥发和升华，然后继续升温至900～920℃并保温，通过与氢气反应除去氧化层，铜焊膏使上板和下板之间连接牢固，继续升温至1000～1020℃并保温，使中间形成的泡沫铜充分再结晶，冷却即得具有毛细效应的三明治结构超亲水铜。
[0007]
本方案中，可以采用普通铜箔机械冲压，使其形成中间低、四周高的平底凹槽结构；平底凹槽结构的部分的形状可根据需要设置，该平底凹槽开口形状可以是长方形、正方形或任何需要的异形结构图形。
[0008]
优选地，所述粘稠状混合物w1中，所述铜粉、氯化铵和去离子水的量依次为80～85份、10～20份和5～10份。
[0009]
优选地，所述铜粉的粒径为200～500nm。
[0010]
优选地，步骤（4）中，以8～10℃/min缓慢升温至350～360℃；升温至350～360℃后保温的时间为1～2小时；升温至900～920℃后保温的时间为1～2小时；升温至1000～1020℃保温的时间为1～2小时。
[0011]
优选地，所述第二板体可以是平面铜箔或是与第一板体具有对称的带平底冲压凹槽结构的铜箔；所述第二板体在与第一板体出口对应的位置留有对应出口。
[0012]
优选地，当所述第二板体是与第一板体具有对称的带冲压平底凹槽结构的铜箔时，步骤（4）中，在将第一板体与第二板体叠合前，还包括：将由铜粉、氯化铵和去离子水混合搅拌均匀后进行真空除泡形成粘稠状混合物w2，倒入所述第二板体的平底凹槽结构中，将凹槽完全填充，并压实压平。
[0013]
优选地，毛细效应的毛细引力可以通过粘稠状混合物中铜粉的孔径大小调节，孔径大小可以通过粘稠状混合物中氯化铵的含量进行调节。
[0014]
优选地，步骤（3）中，纳米铜焊膏层厚度为100μm以下。
[0015]
优选地，步骤（5）中，含有氢气的保护气氛环境中含有氢气与氮气的混合气体；含有氢气的保护气氛环境为填充有氢气与氮气的真空容器，真空容器可以是真空管式炉。
[0016]
优选地，所述粘稠状混合物w2中，铜粉、氯化铵和去离子水的量依次为80～85份、10～20份和5～10份。
[0017]
与现有技术相比，本发明具备以下优点：（1）本发明的方法能够通过一步同时实现三明治结构铜的上下板之间的连接、泡沫铜的形成、泡沫铜与上下板之间的连接、上下板之间的支撑、超亲水与毛细力的获得，实现了一体烧结成型，且本发明的方法制备的三明治结构超亲水铜具有优良的毛细效应，相比于现有方法制备的三明治结构亲水性更强，且其中各组成部分之间连接更稳定，产品质量和结构稳定性好、成品率高，产品中形成的均匀分布的泡沫铜是贯穿的多孔泡沫结构，除了具有优良的亲水性和毛细效应，可以广泛用作气液相变传热散热元器件、吸水材料等外，其本身与上下板一体成型，具有力学强度，能起到支撑作用，防止上下板受力不均接触到一起，导致其抗压强度更优，且整体传热性能会更稳定。
[0018]
（2）三明治结构铜的中间层的孔径大小以及孔径分布方便调节，从而容易根据需要来调节亲水性和毛吸引力，实用性极强。
[0019]
（3）三明治结构铜的外形可以根据需要调节，不限定其几何形状。
[0020]
（4）相比于现有方法，本发明的制备方法工艺更简单便捷、且成本低、灵活度和可控性强、实用性高，适合大规模生产。
附图说明
[0021]
图1为实施例1制备的上板为平面铜箔的三明治结构超亲水铜的结构图。
[0022]
图2为实施例2制备的上板与下板为对称凹槽结构的三明治结构超亲水铜的结构图。
[0023]
图3为实施例3制备的上板与下板为对称凹槽结构、中间层泡沫铜孔径大小可调的三明治结构超亲水铜的结构图。
[0024]
附图标记：
①
下板；
②
纳米铜锡膏层；
③
上板；
④
结晶泡沫铜。
具体实施方式
[0025]
本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。
[0026]
实施例1：一种具有毛细效应的三明治结构超亲水铜的制备方法，包括如下步骤：（1）按重量份计，将80份平均粒径为400nm铜粉、10份氯化铵和5份去离子水混合搅拌均匀后进行真空除泡，形成粘稠状混合物备用。
[0027]
（2）将普通铜箔机械冲压，使其形成中间低、四周高的平底凹槽结构，作为下板
①
。下板
①
凹槽结构的边沿留有一个出口，作为气体通道或注液口。
[0028]
（3）在下板
①
的凹槽中倒入粘稠状混合物，将凹槽完全填充，并压实压平（中间层）。
[0029]
（4）在下板
①
的上表面四周（除了预留出口处）均匀铺上一层薄的纳米铜焊膏层
②
；将另一块相同尺寸、没有冲压的平面铜箔（上板
③
）平放在下板
①
正上方，使其与下板
①
完全叠合在一起，下板
①
、中间层和上板
③
一起形成三明治结构，该上板
③
在与下板
①
预留出口对应的位置也预留有出口。
[0030]
（5）将三明治结构放入充有氮气和氢气保护气的真空管式炉中，以8～10℃/min缓慢升温至350～360℃并保持1h，使水和氯化铵完全挥发和升华；继续在真空管式炉中升温至900～920℃并保温1～2小时，通过与氢气反应除去氧化层，铜焊膏使上板
③
和下板
①
之间连接牢固；继续在真空管式炉中升温至1000～1020℃并保温1h，使中间形成的泡沫铜充分再结晶获得结晶泡沫铜
④
；冷却至室温后，取出即得具有毛细效应的三明治结构超亲水铜，结构示意图如附图1所示。
[0031]
实施例2：一种具有毛细效应的三明治结构超亲水铜的制备方法，包括如下步骤：（1）按重量份计，将80份平均粒径为400 nm铜粉、10份氯化铵和5份去离子水混合搅拌均匀后进行真空除泡，形成粘稠状混合物备用。
[0032]
（2）将普通铜箔机械冲压，使其形成中间低、四周高的平底凹槽结构，作为下板
①
。下板
①
平底凹槽结构的边沿留有一个出口，作为气体通道或注液口。
[0033]
（3）在下板
①
的凹槽中倒入粘稠状混合物，将凹槽完全填充，并压实压平（中间层）；在下板
①
的上表面四周（除了预留出口处）均匀铺上一层薄的纳米铜焊膏层
②
。
[0034]
（4）类似地，将另一块对称的、冲压的铜箔（上板
③
）凹槽中倒入粘稠状混合物，将凹槽完全填充，并压实压平（中间层），在与下板
①
预留出口对应的位置也预留有出口后，平放在下板
①
正上方，使其与下板
①
完全叠合在一起，下板
①
、中间层和上板
③
一起形成三明治结构。
[0035]
（5）将三明治结构放入充有氮气和氢气保护气的真空管式炉中，以8～10℃/min缓慢升温至350～360℃并保持1 h，使水和氯化铵完全挥发和升华；继续在真空管式炉中升温至900～920℃并保温1～2小时，通过与氢气反应除去氧化层，铜焊膏使上板
③
和下板
①
之间连接牢固；继续在真空管式炉中升温至1000～1020℃并保温1h，使中间形成的泡沫铜充分再结晶获得结晶泡沫铜
④
；冷却至室温后，取出即得具有毛细效应的三明治结构超亲水铜，结构示意图如附图2所示。
[0036]
实施例3：一种具有毛细效应的三明治结构超亲水铜的制备方法，包括如下步骤：（1）按重量份计，将80份平均粒径为400 nm铜粉、10份氯化铵和5份去离子水混合搅拌均匀后进行真空除泡，形成粘稠状混合物w1。
[0037]
（2）将普通铜箔机械冲压，使其形成中间低、四周高的平底凹槽结构，作为下板
①
。下板
①
平底凹槽结构的边沿留有一个出口（平底凹槽的周围，即侧面），作为气体通道或注液口。
[0038]
（3）在下板
①
的凹槽中倒入粘稠状混合物w1，将凹槽完全填充，并压实压平（中间层）；在下板
①
的上表面四周（除了预留出口处）均匀铺上一层薄的纳米铜焊膏层
②
。
[0039]
（4）类似地，按重量份计，将80份平均粒径为400 nm铜粉、20份氯化铵和5份去离子水混合搅拌均匀后进行真空除泡，形成粘稠状混合物w2；将另一块对称的、冲压的铜箔（上板
③
）凹槽中倒入粘稠状混合物w2，将凹槽完全填充，并压实压平（中间层），在与下板
①
预留出口对应的位置也预留有出口后，平放在下板
①
正上方，使其与下板
①
完全叠合在一起，下板
①
、中间层和上板
③
一起形成三明治结构。
[0040]
（5）将三明治结构放入充有氮气和氢气保护气的真空管式炉中，以8～10℃/min缓慢升温至350～360℃并保持1 h，使水和氯化铵完全挥发和升华；继续在真空管式炉中升温至900～920℃并保温1～2小时，通过与氢气反应除去氧化层，铜焊膏使上板
③
和下板
①
之间连接牢固；继续在真空管式炉中升温至1000～1020℃并保温1h，使中间形成的泡沫铜充分再结晶获得结晶泡沫铜
④
，该结晶泡沫铜
④
的下部为小孔径结晶泡沫铜，上部为大孔径结晶泡沫铜；冷却至室温后，取出即得具有毛细效应的三明治结构超亲水铜，结构示意图如附图3所示。
[0041]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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