CN105636411B - 液冷用金属流道制作方法及液冷金属流道冷板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液冷用金属流道制作方法及液冷金属流道冷板，制作步骤如下，1）在两块金属板上分别制作出相同结构的若干凹槽并形成比凹槽数多1的肋条，并在肋条上表面、凹槽底部及侧壁制作金属可焊层；2）在凹槽底部及侧壁的金属可焊层上制作导热聚合物材料掩膜层；3）在肋条上表面制作焊料层；4）将两块金属板扣合并使其上的凹槽和肋条一一相对，通过回流焊工艺将两块金属板肋条上的焊料层对应焊接，从而形成金属流道。本发明制作简单、制作出的流道可靠性高、散热性能好。

Description

液冷用金属流道制作方法及液冷金属流道冷板

技术领域

本发明涉及高热流密度电子器件散热技术领域，尤其涉及一种液冷用金属流道的制作方法及液冷金属流道冷板。

背景技术

各类电子元器件一直在朝着尺寸不断减小而性能不断提高的趋势发展。上世纪80年代，电子元器件的发热热流密度约为10W/cm²，而目前已超过250W/cm²，这种发展趋势不断在扩大。美国海军研究机构统计预计，雷达用T/R组件的发热热流密度可能将会突破1000W/cm²，如果T/R组件内部电子元器件产生的热量不能被有效地散走，将导致工作温度急剧升高，最终导致器件失效。

为了解决上述高发热热流密度电子元器件的散热问题，目前最普遍方法是在电子设备中添加液冷金属流道冷板，金属冷板内设有流道，电子设备产生的热量通过热传导传递给金属冷板，冷却液在金属冷板的流道中高速流动，与金属壁面对流换热带走热量，完成快速散热的目的。在液冷式金属流道冷板技术中，如何简单、低成本地制作出高可靠、高换热性能的金属流道一直是一个技术难题。

现有技术中，金属流道的制作方法主要有以下两种：

方法一：一体成型制作金属流道，先制作冷板模具，将铜管固定在模具中心，再将AL1100纯铝材料加热到750℃，使其熔化至液态，导入模具中迅速冷却成型（请参阅专利申请号为“CN102244011A”的发明专利）。该方法制作出的一体化金属流道具有好的封闭性，但因具有750℃的高温工艺，不利于工艺兼容，并且金属流道尺寸、形状和位置难以精确控制。

方法二：在两个金属基板上分别加工出多个凹槽，然后在两凹槽间形成的肋条上印刷焊料，再将两金属基板对扣焊接，使凹槽扣合形成金属流道。该方法简单、实用，但由于在焊接过程中流动的焊料容易沿着金属面溢流到流道中阻塞流道，并且由于焊料的流失会使两个金属基板肋条之间焊接不牢靠，这都会导致冷板的可靠性和散热效果降低。

综上所述，现有液冷用金属流道的制作方法都存在着不同程度的不足。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种制作简单、制作出的流道可靠性高、散热性能好的液冷用金属流道制作方法及液冷金属流道冷板。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

液冷用金属流道制作方法，步骤如下，

1）在两块金属板上分别制作出相同结构的若干凹槽并形成比凹槽数多1的肋条，并在肋条上表面、凹槽底部及侧壁制作金属可焊层；

2）在凹槽底部及侧壁的金属可焊层上制作导热聚合物材料掩膜层；

3）在肋条上表面制作焊料层；

4）将两块金属板扣合并使其上的凹槽和肋条一一相对，通过回流焊工艺将两块金属板肋条上的焊料层对应焊接，从而形成金属流道。

步骤2）制作的导热聚合物材料掩膜层厚度为5μm-20μm，导热聚合物材料包括成膜物和起导热作用的纳米颗粒，其中成膜物为氨基树脂、丙烯酸树脂或有机硅树脂，有机硅树脂可为聚二甲基硅氧烷，纳米颗粒为三氧化二铝或石墨，纳米颗粒的质量分数为导热聚合物材料的10%-30%。

步骤2）制作导热聚合物材料掩膜层的步骤为，

2.1）先在金属板肋条上表面、凹槽底部及侧壁均匀喷涂导热聚合物材料，形成导热聚合物材料层；

2.2）再用砂纸打磨除去肋条上表面的导热聚合物材料，露出步骤1）肋条上制作的金属可焊层，从而只在凹槽底部及侧壁的金属可焊层上形成导热聚合物材料掩膜层。

步骤2）也可以按如下步骤制作导热聚合物材料掩膜层，

2.1）先在金属板凹槽所在面整个面贴上干膜，再通过曝光、显影去除凹槽位置的干膜，使干膜只存在于肋条上表面；

2.2）然后在肋条上表面、凹槽底部及侧壁均匀喷涂导热聚合物材料，形成导热聚合物材料层；

2.3）最后除去肋条上表面的干膜及干膜上的导热聚合物材料，从而只在凹槽底部及侧壁的金属可焊层上形成导热聚合物材料掩膜层。

优选地，步骤1）加工出凹槽后、制作金属可焊层前先对金属板进行如下预处理；先在温度为60℃-80℃的碱性脱脂液中进行脱脂处理，再在温度15℃-35℃下于除锈剂中浸泡15-30分钟，然后使用纯净蒸馏水在高压下冲洗8-12分钟，直至监测的出流蒸馏水pH值为6-8为止；预处理完毕，再制作金属可焊层。

步骤1）的金属可焊层通过电镀形成，所述金属可焊层从内往外依次为铅层、铜层和镍层，金属可焊层总厚度为2μm-10μm；其中，铅层、铜层和镍层厚度分别为0.5-1μm，0.5-1μm，1-8μm。

液冷金属流道冷板，包括两相同结构的金属板，金属板上加工有若干凹槽并对应形成肋条；两金属板通过肋条上的焊料层对焊在一起以使凹槽两两相对形成流道，凹槽底部和侧壁具有金属可焊层，其特征在于：在金属可焊层上设有导热聚合物材料掩膜层。

相比现有技术，本发明具有以下优点：

（1）制作方法加工简单，工艺成熟，成本低廉，工艺重复性好；

（2）通过增设的导热聚合物材料掩膜层限制焊料的流动，有效避免了因焊料流动而产生的焊接问题，如堵塞流道、焊料减少而降低焊接可靠性；

（3）由于导热聚合物材料掩膜层厚度仅为5μm-20μm，其热阻很小，几乎不会影响整个流道的散热性能；

（4）制作出的金属流道可靠性高，换热效果好。

附图说明

图1为本发明液冷用金属流道制作方法流程图；

图2为本发明液冷用金属流道制作方法工艺流程示意图；

图3为本发明实施例二中制作导热聚合物材料掩膜层的工艺流程示意图；

图4为本发明液冷用金属流道结构示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施方式对本发明进行详细的描述。

实施例一：

如图1所示，本发明所述的液冷用金属流道制作方法，包括以下步骤：

1）在两块金属板上分别制作若干条凹槽；

本步骤可采用下述方法实现。

1.1）采用铣工艺或激光工艺在两块金属板1上制作出凹槽2（图2示出为四条），并形成（五条）肋条3，如图2（a）所示。其中，金属板1的加工材料为5A06防锈铝，凹槽2深约为2-10mm，宽约为5-8mm，肋条3宽约为2-5mm。

1.2）电镀前预处理：先在温度为60℃-80℃的碱性脱脂液中进行脱脂处理，再在温度15℃-35℃下，使用除锈剂浸泡15-30分钟，然后使用纯净蒸馏水在高压下冲洗8-12分钟，直至监测的出流蒸馏水的pH值为6-8为止。

1.3）通过电镀工艺在金属板表面制作金属可焊层4，如图2（b）所示，所述金属可焊层4从内往外依次包括铅层、铜层、镍层，其中，金属可焊层4的总厚度约为2μm-10μm，实施例中铅层、铜层和镍层厚度分别为0.6μm，1μm，5μm。

2）制作导热聚合物材料掩膜层；

本步骤中，可采用下述方法实现。

先在金属板凹槽面喷涂导热聚合物材料，形成导热聚合物材料层；再采用砂纸打磨除去肋条上面的导热聚合物材料，露出金属可焊层4，从而只在凹槽内形成导热聚合物材料掩膜层5，如图2（c）所示。其中，导热聚合物材料掩膜层厚度约为10μm，导热聚合物材料主要由聚二甲基硅氧烷和纳米石墨颗粒组成，纳米石墨颗粒的质量分数约为15%。

3）印刷焊料；

本步骤中，采用钢网在肋条需要焊料的区域上印刷制作焊料层6，所述钢网为带图形的钢片，所述图形为焊料层6的图形，如图2（d）所示。其中焊料层6的厚度约为0.15-0.3mm，焊料采用锡焊膏。

4）通过回流焊工艺将两块金属板对准压合，焊接形成金属流道。

本步骤中，将两块带有图形的金属板的凹槽面对准压合，置于回流炉中，焊料熔化，制得金属流道7。其中，回流焊工艺温度为200-280℃，最终流道9宽约为5-8mm，高度约为4-20mm，如图2（e）。

图4为本发明最终形成的液冷用金属流道结构示意图。

实施例二：

实施例二与实施例一基本相同，都包括四大步骤，区别在于步骤2）中制作导热聚合物材料掩膜层的方法不同。

在实施例二步骤2）中，先在金属板凹槽面整体贴干膜8，再通过曝光、显影制作干膜图形9，即只在肋条上留下干膜，然后在凹面整体喷涂导热聚合物材料薄层，最后除去肋条上的干膜以及干膜上的导热聚合物材料，只在凹槽内部留下并形成导热聚合物材料掩膜层5，如图3所示。导热聚合物材料掩膜层制作后，再在肋条上进行焊料印刷并通过焊接形成金属流道。

液冷金属流道冷板，包括两相同结构的金属板，金属板上加工有若干凹槽并对应形成肋条；两金属板通过肋条上的焊料层对焊在一起以使凹槽两两相对形成流道，凹槽底部和侧壁具有金属可焊层，在金属可焊层上设有导热聚合物材料掩膜层。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.液冷用金属流道制作方法，其特征在于：步骤如下，

1）在两块金属板上分别制作出相同结构的若干凹槽并形成比凹槽数多1的肋条，并在肋条上表面、凹槽底部及侧壁制作金属可焊层；

2）在凹槽底部及侧壁的金属可焊层上制作导热聚合物材料掩膜层；

3）在肋条上表面制作焊料层；

4）将两块金属板扣合并使其上的凹槽和肋条一一相对，通过回流焊工艺将两块金属板肋条上的焊料层对应焊接，从而形成金属流道；

步骤2）制作的导热聚合物材料掩膜层厚度为5μm-20μm，导热聚合物材料包括成膜物和起导热作用的纳米颗粒，其中成膜物为氨基树脂、丙烯酸树脂或有机硅树脂，纳米颗粒为三氧化二铝或石墨，纳米颗粒的质量分数为导热聚合物材料的10%-30%。

2.根据权利要求1所述的液冷用金属流道制作方法，其特征在于：步骤2）制作导热聚合物材料掩膜层的步骤为，

2.1）先在金属板肋条上表面、凹槽底部及侧壁均匀喷涂导热聚合物材料，形成导热聚合物材料层；

2.2）再用砂纸打磨除去肋条上表面的导热聚合物材料，露出步骤1）肋条上制作的金属可焊层，从而只在凹槽底部及侧壁的金属可焊层上形成导热聚合物材料掩膜层。

3.根据权利要求1所述的液冷用金属流道制作方法，其特征在于：步骤2）制作导热聚合物材料掩膜层的步骤为，

2.1）先在金属板凹槽所在面整个面贴上干膜，再通过曝光、显影去除凹槽位置的干膜，使干膜只存在于肋条上表面；

2.2）然后在肋条上表面、凹槽底部及侧壁均匀喷涂导热聚合物材料，形成导热聚合物材料层；

2.3）最后除去肋条上表面的干膜及干膜上的导热聚合物材料，从而只在凹槽底部及侧壁的金属可焊层上形成导热聚合物材料掩膜层。

4.根据权利要求1所述的液冷用金属流道制作方法，其特征在于：步骤1）加工出凹槽后、制作金属可焊层前先对金属板进行如下预处理；先在温度为60℃-80℃的碱性脱脂液中进行脱脂处理，再在温度15℃-35℃下于除锈剂中浸泡15-30分钟，然后使用纯净蒸馏水在高压下冲洗8-12分钟，直至监测的出流蒸馏水pH值为6-8为止；预处理完毕，再制作金属可焊层。

5.根据权利要求1所述的液冷用金属流道制作方法，其特征在于：步骤1）的金属可焊层通过电镀形成，所述金属可焊层从内往外依次为铅层、铜层和镍层，金属可焊层总厚度为2μm-10μm；其中，铅层、铜层和镍层厚度分别为0.5-1μm，0.5-1μm，1-8μm。

6.液冷金属流道冷板，包括两相同结构的金属板，金属板上加工有若干凹槽并对应形成肋条；两金属板通过肋条上的焊料层对焊在一起以使凹槽两两相对形成流道，凹槽底部和侧壁具有金属可焊层，其特征在于：在金属可焊层上设有导热聚合物材料掩膜层；

所述导热聚合物材料掩膜层厚度为5μm-20μm，导热聚合物材料包括成膜物和起导热作用的纳米颗粒，其中成膜物为氨基树脂、丙烯酸树脂或有机硅树脂，纳米颗粒为三氧化二铝或石墨，纳米颗粒的质量分数为导热聚合物材料的10%-30%。