CN101710493A - 一种石墨散热模组及制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨散热模组及制造工艺，其特征在于首先在石墨散热鳍片的表面镀上厚度为10μm～30μm的金属镀层，然后分别将基座和散热片清洗并干燥后，将新型低温锡膏及石墨散热片置于金属基座凹槽中，采用回流焊焊接或者插齿工艺得到。本发明与现有技术相比，保证了石墨片易与金属焊接，连接处焊接强度大，导热性好，且散热器件坚固耐用，耐热性较好，从而使石墨材料可更广泛、更方便应用电子元件的热管理装置中。

Description

一种石墨散热模组及制造工艺

发明领域

本发明涉及一种石墨散热模组及制造工艺，尤其是一种用于电器散热的石墨散热鳍片和吸热基板之间的无铅焊接工艺和插齿工艺的散热模组，以满足石墨散热鳍片替代金属鳍片的结合标准制程。

背景技术

石墨在晶体学上的分类是六方晶系，是由许多互相叠合的碳原子网状层面所组成。每一层内碳原子排列成正六边形，三个相邻的碳原子以共价键连接，成为一个二维空间无限伸展的网状平面(称为基面)，层面间则以范德华力作用。石墨这种晶格结构决定了石墨具有特殊的导热特性，即在石墨层面方向的导热性是垂直于层面方向的几十倍。利用石墨根据一定工艺制成的导热产品也具有此特性：石墨散热鳍片同等体积导热效果甚至优于铜，而其质量只是铜的六分之一。

现有的石墨导热片作为散热鳍片，虽然具有很好的导热特性，但是其在与导热基座的连接中还存在困难。就目前的金属散热器接合型工艺来说，这种散热器鳍片是由铝或铜构成，利用特定夹具将鳍片固定在点有焊锡料的底座上，该底座具凹槽为铜制或铝制，设定合理的回焊曲线，将产品通过传送装置送入回焊炉。这种结合散热效果好，突破比例限制(细长比可高达60倍以上)。如果将石墨散热片直接用回焊工艺，不但起不到焊接的目的，还会破坏产品。因为用于金属鳍片的回焊工艺，回焊温度在回流区域可达300多度，这样就会因为温度过高破坏石墨散热鳍片(因为石墨散热鳍片会因在高温下产生挥发分而导致表面起泡)；融化焊锡料对石墨的润湿性非常差，使石墨散热鳍片很难焊接到基座上。这是因为润湿的条件是润湿角小于90度，锡料对石墨的润湿不能满足这个条件。目前所采用的方法是利用导热性较高的树脂为粘接剂，将散热鳍片粘接到散热器基座上，这种做法虽然能够克服现有制程的高温破坏，也能够满足鳍片与底座的结合，但是由于在粘接过程中作为粘接剂的导热树脂，虽然具有一定导热性，其导热系数比石墨小数十倍，所以在粘接的界面上会形成比较大的热阻抗，造成这种石墨散热器的散热效果不能很好的将石墨导热特性发挥出来；其次粘结剂导热树脂是有机物，在长期使用过程中容易老化，增大热阻并使得散热片容易从基座脱落，限制了散热器件的使用寿命。

为了改善这些缺点，散热片领域又运用了插齿技术，它是利用60吨以上的压力，把铝片结合在铜片的基座中，并且铝和铜之间没有使用任何介质，从微观上看铝和铜的原子在某种程度上相互连接，从而彻底避免了传统的铜铝结合产生介面热阻的弊端，大大提高了产品的热传导能力，散热器制造厂商AVC公司运用的相当成功。

目前出现的石墨散热产品，由于外表呈石墨黑色，并且直接暴露在电器原件环境中，经过长时间的强制空气对流，会有石墨颗粒脱落，脱落会对散热器件造成污染，且石墨颗粒是高导电物质，如果用于精密设备中，还会存在短路的危险。

发明内容

本发明的目的在于通过对石墨散热片表面镀金属，提高其机械强度和耐热性能，并使得石墨散热片和金属基座可以采用回焊工艺和插齿工艺进行结合，解决石墨材料与金属材料由于不浸润而难以低温焊接和由于石墨材料强度不够难以插齿的难题，同时提高该类导热产品的导热系数、耐高温性和使用寿命，解除石墨散热产品用于精密电子设备的潜在危险因素，提供了石墨散热鳍片与金属基座的连接方法。

为实现上述发明目的，本发明给出了一种石墨散热模组，其构成包括有石墨散热鳍片和金属基座，其特征在于，所述的石墨散热鳍片外表面包覆有金属镀层，该包覆金属镀层石墨散热鳍片与金属基座通过低温锡焊连接。

在上述技术方案中，所述金属镀层为铜镀层或镍镀层，且金属镀层厚度为10～30μm，优选15～20μm。

在上述技术方案中，石墨散热鳍片由柔性石墨叠层和硬质石墨复合片材构成，浸渍过树脂或粘合剂的柔性石墨叠层被硬质石墨复合片材夹合。

在上述技术方案中，所述金属基座为铜质或铝质基座，基座上具有多个平行凹槽，每个凹槽中焊接一片石墨散热鳍片。

为实现上述发明目的，本发明还给出了一种石墨散热模组制造工艺，该制造工艺包括以下步骤：

(1)先将石墨散热片经过表面洁净等镀前预处理，再采用电解液电镀或化学镀或磁控溅射镀方法在石墨片表面镀上一层厚度在10～30μm的金属层；

(2)将带有镀层的石墨散热片裁成所需形状，在70-100℃烘箱中烘干10-40分钟，用乙醇清洗干净，在80-130℃烘箱中烘干10-40分钟；同时金属基座用稀盐酸洗去表面氧化皮，用乙醇清洗干净，在80-130℃烘箱中烘干10-40分钟；

(3)将锡膏与石墨片放入基座凹槽中，采用回流焊焊接。

在上述制造工艺技术方案中，所述的锡膏是由锡铋低温焊膏(Sn42Bi58)与树脂材料等配置而成的焊料，其熔点为在150℃以下，并且在第一次熔化-凝固后，在150℃不会再次熔化，该焊料中各种成分如下：

锡铋焊膏(Sn42Bi58)：30-70％；

高档树脂：1-30％；

球形石墨粉(325目)：0-20％；

铜粉(325目)：0-10％；

固化剂：3-10％。

在上述制造工艺技术方案中，所述回流焊接是将石墨散热片与焊料插入基座凹槽中，送入回焊炉中焊接，焊接过程的升温方式为纯氮热风，焊接分以下四阶段完成，详细工艺过程和工艺条件如下：

预热段：室温～90℃，10-30分钟；

活性段：90℃～130℃，10-40分钟；

回流段：130℃～150℃，1-10分钟，在150℃保温10-30秒钟；

冷却段：风冷，降温程序与回流段成镜像关系。

经过不同工艺制成的石墨散热鳍片，表面附有油污，渣粒等杂质，在镀层之前必须经过洁净处理、粗化处理等镀前预处理工序，具体方法应根据镀金属层工艺方法(电镀、化学镀或磁控溅射镀)来选择具体的预处理工序，处理完毕后进行表面镀上一层金属层，具体可采用电镀或化学镀或磁控溅射镀方法。因石墨片表面存在微观凹凸不平，镀层太薄影响焊接强度；镀层过厚使散热片重量增大，同时石墨表面镀层容易整体剥落。本发明优选镀层厚度控制在10μm～30μm，更优选15μm～20μm。经过以上表面镀金属处理的石墨散热材料，其机械强度和耐热温度大大提高，可以直接利用回焊工艺进行下一步的加工，而且在回焊加工时由于镀金属层的原因，散热鳍片和基座的焊接更加牢固。且经过电镀处理后，表面光洁，消除石墨颗粒脱落从而导致电子设备短路的隐患。

为实现上述发明目的，本发明还给出了石墨散热模组另一种制造工艺，该制造工艺包括以下步骤：

(1)先将石墨散热片经过表面洁净等镀前预处理，再采用电解液电镀或化学镀或磁控溅射镀方法在石墨片表面镀上一层厚度在10～30μm的金属层；

(2)将带有镀层的石墨散热片裁成所需形状，用乙醇清洗干净，烘干；同时金属基座用稀盐酸洗去表面氧化皮，用乙醇清洗干净，烘干；

(3)将石墨散热片插入基座凹槽中，采用40-80吨压力，使石墨散热片与基座紧密结合。

本发明的优点是，采用将石墨片表面镀铜或镍等金属层并控制镀层在合适的厚度，解决了石墨片难以与金属连接的问题；从而可以采用锡焊连接取代了导热树脂连接，大大提高了散热器件的使用寿命；保证了石墨散热鳍片与基座连接处具有较高的导热性；本发明采用低温锡铋焊膏与高档树脂配合使用，使焊膏在第一次熔化-凝固后在相同的温度不再熔化，提高了散热器件的耐热性。此外，对石墨散热片做镀金属层处理后，采用传统插齿工艺也能使石墨散热片与金属基座较好的结合，有效避免了无金属镀层石墨片采用插齿工艺与金属基座结合过程中出现的石墨颗粒脱落现象，从而避免了电子设备短路的隐患。

具体实施方式

实施例一：将石墨片经过洁净处理，用稀盐酸浸泡石墨片1～3分钟，用水洗或用乙醇洗净，干燥后采用电解液方式镀铜1小时，镀层厚度16μm，镀后裁成所需形状，在烘箱中90℃烘干2小时。将石墨片用脱脂棉蘸乙醇擦洗干净，在烘箱中110℃烘干30分钟。将金属基座用浓度为3mol/L的稀盐酸清洗掉表面氧化物，用超声波清洗器清洗10分钟，用电吹风机热风吹干。混合50％锡铋焊膏、15％高档树脂、球形石墨粉20％、铜粉5％，固化剂10％，组成焊料。将焊料放入基座凹槽中，插入石墨鳍片，放入回焊炉中低温焊接。焊接最高温度150℃，焊接时间10秒钟。所得散热器件连接得非常牢固。

实施例二：将石墨片经过洁净处理，用稀盐酸浸泡石墨片1～3分钟，用水洗或用乙醇洗净，干燥后将表面除去油锈的钢铁等制件作阴极，纯铜板作阳极，挂于含有氰化亚铜、氰化钠和碳酸钠等成分的碱性电镀液中，进行碱性(氰化物)镀铜，镀层厚度20μm，镀后裁成所需形状，在烘箱中90℃烘干2小时。将石墨片用脱脂棉蘸乙醇擦洗干净，在烘箱中110℃烘干30分钟。将金属基座用浓度为3mol/L的稀盐酸清洗掉表面氧化物，用超声波清洗器清洗10分钟，用电吹风机热风吹干。混合60％锡铋焊膏、20％高档树脂、球形石墨粉10％、铜粉5％、固化剂5％组成焊料。将焊料放入基座凹槽中，插入石墨鳍片，放入回焊炉中低温焊接。焊接最高温度150℃，焊接时间10秒钟。所得散热器件连接得较为牢固。

实施例三：将石墨片经过洁净处理，用稀盐酸浸泡石墨片1～3分钟，用水洗或用乙醇洗净，干燥后将石墨片放入磁控溅射镀膜机里面，控制真空度为10-0.1Pa，进行镀铜，镀层厚度10μm，镀后裁成所需形状，在烘箱中90℃烘干2小时。将石墨片用脱脂棉蘸乙醇擦洗干净，在烘箱中110℃烘干30分钟。将金属基座用浓度为3mol/L的稀盐酸清洗掉表面氧化物，用超声波清洗器清洗10分钟，用电吹风机热风吹干。混合40％锡铋焊膏、25％高档树脂、球形石墨粉20％、铜粉10％、固化剂5％组成焊料。将焊料放入基座凹槽中，插入石墨鳍片，放入回焊炉中低温焊接。焊接最高温度150℃，焊接时间10秒钟。所得散热器件连接得一般牢固。

实施例四：

将石墨片经过洁净处理，用稀盐酸浸泡石墨片1～3分钟，用水洗或用乙醇洗净，干燥后采用电解液方式镀铜1小时，镀层厚度16μm，镀后裁成所需形状，在烘箱中90℃烘干2小时。将石墨片用脱脂棉蘸乙醇擦洗干净，在烘箱中110℃烘干30分钟。将金属基座用浓度为3mol/L的稀盐酸清洗掉表面氧化物，用超声波清洗器清洗10分钟，用电吹风机热风吹干。

把镀铜后的石墨鳍片放入底座凹槽中，利用50吨的压力，使石墨鳍片结合在基座中，避免了传统的铜铝结合产生介面热阻的弊端，提高了产品的热传到能力，所得散热器件连接得非常牢固。

Claims (8)

1.一种石墨散热模组，其构成包括有石墨散热鳍片和金属基座，其特征在于，所述的石墨散热鳍片外表面包覆有金属镀层，该包覆金属镀层石墨散热鳍片与金属基座通过低温锡焊连接或者插齿工艺进行结合。

2.根据权利要求1所述的一种石墨散热模组，其特征在于，所述金属镀层为铜镀层或镍镀层，且金属镀层厚度为10～30μm，优选15～20μm。

3.根据权利要求1所述的一种石墨散热模组，其特征在于，石墨散热鳍片由柔性石墨叠层和硬质石墨复合片材构成，浸渍过树脂或粘合剂的柔性石墨叠层被硬质石墨复合片材夹合。

4.根据权利要求1所述的一种石墨散热模组，其特征在于，所述金属基座为铜质或铝质基座，基座上具有多个平行凹槽，每个凹槽中焊接一片石墨散热鳍片。

5.一种石墨散热模组制造工艺，其特征在于，该制造工艺包括以下步骤：

(1)先将石墨散热片经过表面洁净等镀前预处理，再采用电解液电镀或化学镀或磁控溅射镀方法在石墨片表面镀上一层厚度在10～30μm的金属层；

(2)将带有镀层的石墨散热片裁成所需形状，在70-100℃烘箱中烘干10-40分钟，用乙醇清洗干净，在80-130℃烘箱中烘干10-；40分钟；同时金属基座用稀盐酸洗去表面氧化皮，用乙醇清洗干净，在80-130℃烘箱中烘干10-40分钟

(3)将锡膏与石墨片放入基座凹槽中，采用回流焊焊接或者插齿工艺。

6.根据权利要求5的一种石墨散热模组制造工艺，其特征在于，所述的锡膏是由锡铋低温焊膏(Sn42Bi58)与树脂材料等配置而成的焊料，其熔点为在150℃以下，并且在第一次熔化-凝固后，在150℃不会再次熔化，该焊料中各种成分如下：

锡铋焊膏(Sn42Bi58)：30-70％；

高档树脂：1-30％；

球形石墨粉(325目)：0-20％；

铜粉(325目)：0-10％；

固化剂：3-10％。

7.根据权利要求5的一种石墨散热模组制造工艺，其特征在于，所述回流焊接是将石墨散热片与焊料插入基座凹槽中，送入回焊炉中焊接，焊接过程的升温方式为纯氮热风，焊接分以下四阶段完成，详细工艺过程和工艺条件如下：

预热段：室温～90℃，10-30分钟；

活性段：90℃～130℃，10-40分钟；

回流段：130℃～150℃，1-10分钟，在150℃保温10-30秒钟；

冷却段：风冷，降温程序与回流段成镜像关系。

8.根据权利要求5的一种石墨散热模组制造工艺，其特征在于，所述插齿工艺是将石墨散热片插入基座凹槽中，对石墨散热片施加40-80吨的压力，使石墨散热片与基座紧密结合。