本發(fā)明涉及一種電子器件熱控制領域的相變溫控組件及其一體化成形的制備方法，屬于電子設備相變溫控領域。

背景技術：

通常電子器件需在一定的溫度范圍內工作，但電子器件在工作時會產(chǎn)生一定的熱量使得自身溫度不斷升高，如果溫度超過許用溫度范圍會因其電子器件或芯片失效，降低系統(tǒng)的可靠性。有統(tǒng)計報告指出:超過半數(shù)的電子器件失效都是由溫度引起的。研究結果表明電子元件的溫度在正常工作溫度水平上降低1℃，其故障率可減少4％；若增加10～20℃，則故障率提高100％。然而，傳統(tǒng)的依靠單相流體的對流換熱方法和強制風冷方法難以滿足許多電子器件的散熱要求，因此必須研究和開發(fā)新的散熱技術以適應有高熱流密度散熱要求的場合。

隨著現(xiàn)代電子設備的種類越來越多，體積和質量越來越小，電子器件的功耗密度越來越高，單位面積上的熱流密度也越來越高，對電子設備的溫控提出了越來越高的要求。目前電子器件有兩大發(fā)展趨勢:一是運算高速化；二是芯片集成化，這就導致了電子器件的發(fā)熱熱流密度不斷增大，電子器件的散熱問題成為電子工業(yè)發(fā)展的瓶頸。研究表明電子設備的穩(wěn)定性與工作溫度直接相關，半導體器件接點溫度每上升10℃，電子設備故障率就會翻一倍，溫度每升高25℃，失效率增大10倍。比如由熱引起的故障總數(shù)占到總故障的近1/2。另一方面，溫度的周期性變化會產(chǎn)生熱疲勞現(xiàn)象，這是由于各種材料膨脹系數(shù)的不同會在電子元件內部產(chǎn)生機械和熱應力，常常會導致電子元件的破壞，因此電子設備良好的熱設計成了系統(tǒng)設計的關鍵，這對可靠性要求高的航空航天電子系統(tǒng)而言顯得尤為重要。

為了保證電子設備和機械設備有效和可靠工作，通常要求在一定的溫度范圍內工作，這就包括常溫、低溫和恒溫要求；保持溫度場的均勻性和穩(wěn)定性，以保證有效載荷具有較高的結構穩(wěn)定性。為了滿足這些需求，一般采用主動溫控手段，強制對流、電加熱、低溫制冷等方式來滿足各種各樣的溫度要求。有些發(fā)熱部件受到設備結構尺寸、安裝位置等條件的限制難以通過導熱方式將熱量傳遞到冷板。在這種情況下，有必要研究新的更加有效的溫控技術來對不同需求的電子設備進行熱控制。

隨著電子設備向著小型化、高集成化方向的高速發(fā)展，相變溫控所具有的獨特性質使其在間隙性或周期性運轉的電子設備的溫控上獲得了廣泛應用和高速發(fā)展。作為一種新興的溫控技術，相變溫控利用相變材料(phasechangematerial，pcm)在某一特定溫度下，從低熵聚集態(tài)轉變到高熵聚集態(tài)物質時需吸收大量熱量而轉變過程中溫度基本保持不變的性質，進而調整、控制溫控對象周圍環(huán)境溫度，從而實現(xiàn)對電子設備的溫控。。待溫控對象停機期間相變材料再將吸收的熱量釋放到環(huán)境中，為下一次工作周期做好準備。實驗結果表明：用相變材料進行溫控的集成電路的溫度比不使用相變材料進行溫控的集成電路的溫度平均低7～8℃。

目前國外相變控溫技術已在許多高科技領域，如航空、航天、電子等領域得到了應用。按照相變類型劃分，相變材料可分為氣-液相變材料、氣-固相變材料、固-液相變材料和固-固相變材料四種類型。氣-液相變材料和氣-固相變材料相變過程中伴隨有氣體變化，會引起相變材料體積的劇烈變化。因此盡管這兩類材料相變過程的相變潛熱很大，在實際中卻很少應用。固-固相變材料的體積變化最小，但其相變潛熱是四種相變材料類型中最小的，所以

在實際中亦很少應用。與其他三種類型相比，固-液相變材料的相變潛熱適中，體積變化不大，

是實際中常常使用的相變材料類型。

按照化學成分組成，相變材料分為有機類相變材料、無機類相變材料和復合類相變材料。

在實際應用中相變材料的篩選需要考慮多方面的因素，如相變溫度、儲能密度等。對于選擇相變材料一般原則需要從以下幾個方面考慮:1、相變溫度和使用目標相匹配；2、相變潛熱大；3、廉價易得；4、化學穩(wěn)定性好；5、與存儲容器的相容性好；6、熱穩(wěn)定性好；7、具有良好的傳熱及流動性能；8、具有較低的蒸汽壓等。另外相變儲能材料還應該具有無毒、無味、相變體積變化小、無過冷或過冷度小、無相分凝現(xiàn)象、不易燃燒等性質。因此常用的相變材料主要有石蠟類、低熔點合金類及無機鹽類。

無機類相變材料主要包括結晶水合鹽類相變材料、熔融鹽類相變材料、金屬類相變材料及其它無機物。以水合鹽類和熔融鹽類為代表的鹽類相變材料的儲能密度高，但該類相變材料的主要缺點是:1、存在過冷現(xiàn)象，所謂“過冷”是指物質冷凝到“冷凝點”時并不結晶，而是要到“冷凝點”以下的一定溫度時才開始結晶，同時釋放出相變潛熱使得溫度迅速上升到冷凝點，這會影響相變材料對熱量的釋放和吸收；2、存在相分離現(xiàn)象，相分離是指當溫度上升時，水合鹽因融化所釋放出來的結晶水不足以溶解所有的非晶態(tài)固體脫水鹽，由于重力的原因這些未溶解的鹽沉降到了容器底部，在凝固過程中，沉降到底部的未溶解的鹽因無法與結晶水結合而不能重新結晶，形成了相的分層，致使相變材料的儲能能力降低，導致相變儲能材料的使用壽命降低。

無機類相變材料中另一種常用材料是金屬類相變材料，該類金屬主要是由sn、bi、pb、cd、in、ga、sb等低熔點合金元素組成的三元合金和四元合金，該類材料相變潛熱大，導熱性好，導熱系數(shù)通常是其他相變儲能材料的幾十倍和幾百倍，無過冷現(xiàn)象，以及無相分離現(xiàn)象。實驗結果表明，金屬類相變材料具有較高的單位體積相變潛熱，在應用中可減少相變材料的使用體積；金屬類相變材料具有較好的導熱性能，可有效降低相變材料內部的溫度梯度。但金屬類相變材料存在液體金屬脆化現(xiàn)象，即液態(tài)金屬類相變材料在固體金屬(如鋁及其合金)中的擴散引起的固體金屬晶界擴散，從而導致外部的封裝容器的腐蝕，一般表現(xiàn)為失效時延伸率及斷面收縮率銳減，真實斷裂應力降低，甚至低于材料的屈服強度。另一方面，各低熔點元素的組成比例對金屬相變材料的熱物性影響較大，這使得篩選金屬相變材料耗時長、成本高，不便于在實際工程應用。

有機類相變材料主要包括石蠟類相變材料、脂肪酸類相變材料、多元醇類相變材料和其他有機物。以石蠟類和脂肪酸類為代表的有機類相變材料溫度適應性好、密度低、單位體積的相變焓值較高、物理化學性能穩(wěn)定、對容器無腐蝕性，沒有過冷以及析出導致的分層現(xiàn)象，腐蝕性也較小。但在實際應用中，有機類相變材料也存在導熱率低和密度小等問題。導熱率低，主要通過加入高熱導率材料或采用導熱增強結構彌補，這增大了這類復合相變材料的制備難度。在其它方面有機類相變材料也存在一定不足，如:相變過程中有機類相變材料體積變化大、易揮發(fā)、易燃燒、易氧化等。

通常，相變溫控系統(tǒng)主要由相變材料、導熱增強體或導熱填料和封裝容器等三個主要部分組成。封裝在系統(tǒng)內部的相變材料是整個系統(tǒng)的核心，其作用是實現(xiàn)溫控功能，導熱增強體(金屬泡沫、肋片、蜂窩等)或導熱填料(金屬粉、石墨粉等)的作用是提高相變材料的導熱能力，減小相變過程中產(chǎn)生的溫度梯度等。外部封裝容器的作用是防止相變材料在相變過程中熔化所導致的液相流失(固-液相變)或升華導致的氣相損失(相變)，若沒有合適的容器盛裝，相變材料會發(fā)生泄露，導致相變溫控組件的溫控能力下降，甚至會對溫控目標件造成破壞。某些金屬相變材料甚至會腐蝕封裝容器材料或揮發(fā)，會導致相變儲能單元儲能溫控能力下降，甚至會對電子器件和封裝容器造成破壞。另外，將相變材料封裝在一定形狀的、密封的容器中還可以起到對相變材料容納、保護、傳熱以及便于操作等作用。

相變材料內部的傳熱過程是一個瞬態(tài)傳熱過程，每個時刻材料內部都存在著溫差，因此，需要在相變溫控裝置中建立低熱阻散熱通道，提高相變溫控系統(tǒng)的導熱性能，降低相變材料內部溫差，提高儲熱能力。增強導熱的方式上目前有兩種，一種是在相變材料中植入導熱增強體，如金屬泡沫、肋片、蜂窩等結構形式；另外一種是在相變材料中填充導熱填料如金屬粉、石墨粉等。綜合考慮質量加工難度以及成本，可選擇泡沫金屬作為導熱增強體，同時為強化導熱增強效果，將泡沫金屬與封裝鋁容器一體成型制作，以降低散熱通道沿程接觸熱阻。

石蠟類相變材料作為最常用的一種相變材料，其溫度適應性好、密度低、單位體積的相變焓值較高、物理化學性能穩(wěn)定、對容器無腐蝕性，但通常石蠟的導熱系數(shù)低，熱導率較低，熱響應時間較長同時存在固-液相變過程易發(fā)生泄露、換熱性能差的缺點。石蠟低的導熱系數(shù)是其應用的最大障礙，必須對其進行傳熱強化。目前，強化傳熱的方法主要采用翅片管換熱器結構和添加高導熱材料，然而，這些措施無疑會增加儲熱系統(tǒng)設備的重量和體積。為提高石蠟類相變材料的熱導率。目前廣泛采用的辦法是在有機類相變材料中添加泡沫金屬等導熱增強材料形成復合相變材料，再將該復合相變材料封裝于封裝容器中，從而形成相變溫控組件。但該方式的主要缺點在于泡沫金屬與封裝容器之間多采用直接擠壓方式，依靠過盈配合實現(xiàn)泡沫金屬與封裝容器的連接，但這種方式容易在泡沫金屬與封裝容器接觸面之間產(chǎn)生間隙，影響了相變溫控組件的熱響應速率。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有相變溫控組件的不足，提供一種熱響應速率更高、熱響應時間更短、導熱效果更好的一體化成形泡沫金屬相變溫控電子器件組件的制備方法，以解決現(xiàn)有技術相變溫控組件中泡沫金屬與封裝容器之間存在間隙從而影響熱響應速率的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種一體化制備泡沫金屬相變溫控組件的方法，具有如下技術特征：首先根據(jù)相變溫控組件的外形尺寸制備一個封裝容器夾具；在封裝容器4中預先加工出用于焊接泡沫金屬3的腔體，并在所述腔體及其封蓋腔體的蓋板2的焊接面上預鍍銀，然后在封裝容器4腔體內側焊接面鋪放一層焊片；將封裝容器4及封裝容器夾具預熱至焊片完全熔化，在泡沫金屬3接觸界面搪錫；將泡沫金屬3放入封裝容器夾具的壓板7下方的壓縮容腔中，壓縮至腔體尺寸；隨同封裝容器夾具一體放置在熱臺上加熱；冷卻后從封裝容器夾具內取出形成的相變溫控組件毛坯；在恒溫環(huán)境下，從封裝容器4底部灌注口將液態(tài)相變材料灌注進相變溫控組件內；最后用堵銷擠壓進灌注口后用激光焊密封，并完成相變溫控組件外形的加工。

優(yōu)選地，所采用的泡沫金屬的孔徑為2～3mm，通孔率98％以上。

優(yōu)選地，采用的相變材料為石蠟類相變材料，泡沫金屬3為泡沫銅。

優(yōu)選地，所采用的封裝容器4、蓋板2均由鋁材制成。

優(yōu)選地，泡沫銅與封裝容器4、蓋板2之間采用焊接方式。

優(yōu)選地，所采用的封裝容器4、蓋板2的焊接部位應預先鍍銀。

優(yōu)選地，所采用的焊片為錫銀銅類或錫鉛類焊片。

優(yōu)選地，封裝容器4、蓋板2及封裝容器夾具在熱臺上預熱時間為15min～40min，相變溫控組件裝配完成后加熱時間為1min～3min，預熱及加熱溫度為焊片熔化溫度以上20℃～40℃。

本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術具有如下有益效果：

熱響應速率高，熱響應時間短。本發(fā)明將泡沫金屬3作為導熱增強體，將液態(tài)有機物類相變材料作為相變材料，采用焊接在封裝容器4上的泡沫金屬3作為導熱增強材料，泡沫金屬加強了液態(tài)有機物類相變材料熱流在液相中的傳遞，增加了熱流密度，使同一時刻有更多的pcm參與相變，更多的熱量轉化為潛熱被儲存，從而達到降低溫度梯度，減緩系統(tǒng)的升溫速度效果，進一步提高了熱響應速率，相比泡沫金屬3與封裝容器4間采用過盈配合的方式，進一步提高了相變溫控組件的等效熱導率，改善了傳熱性能，克服了金屬類相變材料易腐蝕金屬容器、引起容器的失效的問題。最后通過熱實驗對采用相變溫控系統(tǒng)的熱設計方案進行了驗證。實驗結果與數(shù)值分析結果吻合較好，結果對比最大偏差均不超過5％。實驗表明，在pcm內加入金屬導熱材料，可提高冷卻效果15％～40％，平均溫度可降低15％～40％，冷卻時間可延長40％～45％。

密度大。本發(fā)明將泡沫金屬3壓縮至封裝容器4內腔體尺寸，有效減小了熱沉的尺寸，具有密度大、導熱性好、相變過程穩(wěn)定的特點，解決了現(xiàn)有技術相變溫控組件中泡沫金屬與封裝容器4之間存在間隙的問題和現(xiàn)有泡沫金屬3與封裝容器4接觸較差的缺陷，改善了泡沫金屬3與封裝容器4之間的傳熱性能，提高了相變溫控組件的熱響應速率。本發(fā)明采用泡沫金屬結合液態(tài)有機類相變材料，克服了現(xiàn)有技術氣-液相變和氣-固相變過程中伴隨有氣體變化，會引起相變材料體積的劇烈變化的缺陷，避免了有機類相變材料導熱率低、密度小、儲能能力低、會導致儲能系統(tǒng)體積增大、復合相變材料的制作工藝難度增大等問題，克服了單一的無機物或有機物相變儲熱材料存在的缺點，又改善相變材料的應用效果乃至拓展其應用范圍。

相變潛熱大。本發(fā)明采用液態(tài)有機物類相變材料，如石蠟作為相變材料，并采用焊接在封裝容器4上的泡沫金屬3作為導熱增強材料，利用固-液相變潛熱實現(xiàn)對電子設備的溫控，液態(tài)有機類相變材料熔化過程中吸收/釋放的熱量，克服了單純有機類相變材料和無機鹽類相變材料存在的密度小、熱導率較低、熱穩(wěn)定性差，熱響應時間較長、相變過程中有機類相變材料體積變化大、易揮發(fā)、易燃燒、易氧化等缺點，且石蠟相變潛熱較高，結晶速率高，無過冷及析出現(xiàn)象，性能穩(wěn)定，無毒、無刺激性、無腐蝕性，價格便宜。本發(fā)明將含石蠟類液相相變材料結合泡沫金屬3構成的相變控溫裝置應用于電子發(fā)熱設備上，在封裝容器4、蓋板2和泡沫金屬3之間采用焊接方式降低接觸熱阻，延長了發(fā)熱器件表面溫度上升到所允許溫度上限的時間，滿足了電子設備的控溫要求。

本發(fā)明所述相變溫控組件實現(xiàn)了泡沫金屬3在封裝容器4上的焊接。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的一體化制備電子器件泡沫金屬相變溫控組件的流程圖。

圖2是本發(fā)明通過封裝容器夾具一體化裝配泡沫金屬相變溫控組件的示意圖。

圖中：1夾具上固聯(lián)板，2蓋板，3泡沫金屬，4封裝容器，5導柱，6夾具下固聯(lián)板，7壓板，8壓緊彈簧，9壓緊彈簧扭。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實施例范圍之中。

參閱圖1及圖2。根據(jù)本發(fā)明，首先根據(jù)相變溫控組件的外形尺寸制備封裝容器夾具，在封裝容器4中預先加工出用于焊接泡沫金屬3的腔體，并在所述腔體及蓋板2的焊接面預鍍銀，然后在封裝容器4腔體內焊接面鋪放一層焊片，將封裝容器和封裝容器夾具預熱至焊片完全熔化；將泡沫金屬3壓縮至腔體尺寸并將泡沫金屬3上、下接觸界面搪錫；將泡沫金屬3、封裝容器4及蓋板2及封裝容器夾具裝配成一體并放置在熱臺上加熱，冷卻后從夾具內取出形成相變溫控組件毛坯；然后在恒溫環(huán)境下，通過封裝容器4底部灌注口將液態(tài)相變材料灌注進相變溫控組件內；最后將堵銷擠壓進灌注口后用激光焊密封，并完成相變溫控組件外形的加工。

一體化成形的相變溫控組件主要包括封裝容器4、蓋板2、焊接在基體上的泡沫金屬3和灌封進泡沫金屬3內部的固-液有機物類相變材料，其中，泡沫金屬3可以是泡沫銅，al-si、al-si-mg、al-si-cu和zn-a1系的一些合金的泡沫，實驗結果表明al-si-mg系合金的具有較好的儲熱能力，al-si-cu系合金具有較長的儲熱壽命，其中al-si系合金泡沫具有較高的儲熱能力、較長的使用壽命和較好的經(jīng)濟性。封裝容器4、蓋板2可選用高導熱鋁合金制備，采用銑、車、鉆等各種方法加工成型。待相變溫控組件毛坯冷卻后，將銷釘通過過盈配合擠壓進溫控組件毛坯的灌注口處，并在擠壓處用激光焊加固密。

本發(fā)明的相變溫控組件最佳實施例由封裝容器4、蓋板2、泡沫銅3與具有合適相變溫度的石蠟構成。為了提高其石蠟相變材料導熱性能，可以在石蠟相變材料中加入粒徑為80μm、質量分數(shù)為0.5％的鋁粉末。結果表明，加入鋁粉末后儲熱時間大約縮短了60％。所采用的封裝容器4、蓋板2為6063鋁材制成；所采用的泡沫銅3的密度為0.2g/cm³，孔徑為2mm，孔隙率為98％；所采用的石蠟的相變溫度為82℃，導熱率為0.2w/m·k，相變焓值為220j/cm³；所采用的焊片及搪錫焊料為錫銀銅焊料，熔化溫度為221℃，厚度為0.1mm。將封裝在封裝容器夾具腔體中的封裝容器4及其蓋板2裝配成一體，然后在250℃～300℃熱臺上預熱15min～40min，直至封裝容器4上的焊片完全熔化；加熱1min后冷卻取出相變溫控組件毛坯，在恒溫條件下，將液態(tài)固-液有機類相變材料通過封裝容器4底部灌注進相變溫控組件毛坯中。通常封裝容器4、蓋板2及封裝容器夾具在熱臺上預熱時間為20min，加熱時間為1min，預熱及加熱溫度為250℃。

本實施例中，按照下述步驟實現(xiàn)：

s1，封裝容器4內腔體和蓋板2焊接部位鍍銀；

s2，將泡沫銅3、封裝容器4、蓋板2酸洗并烘干；

s3，將泡沫銅3壓縮至封裝容器4內腔體尺寸，并在泡沫銅3上、下接觸表面搪錫；

s4，將錫銀銅焊片剪裁至相應尺寸并放置在封裝容器4焊接位置；

s5，在250℃熱臺上將封裝容器4、蓋板2、封裝容器夾具預熱20min，直至封裝容器4上的焊片完全熔化；

s6，將泡沫銅、封裝容器4、蓋板2裝配成一體并用封裝容器夾具固定；

s7，在250℃熱臺上加熱1min；

s8，冷卻后將相變溫控組件毛坯從夾具內取出；

s9，在100℃的恒溫條件下，將液態(tài)石蠟通過封裝容器4底部灌注進相變溫控組件毛坯中；

s10，將堵銷釘擠壓進灌注口后用激光焊密封；

s11，根據(jù)要求完成相變溫控組件外形的加工。

參閱圖2。封裝容器夾具包括：通過周向導柱5固定連接夾具上固聯(lián)板1、夾具下固聯(lián)板6構成的矩形框體和通過夾具上固聯(lián)板1按矩陣排列的壓緊彈簧扭9，壓緊彈簧8被約束在所述壓緊彈簧扭9環(huán)槽與壓板7彈簧座之間。