CN105728876B - 一种实现导热丝与金属基板连接的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导热丝与金属基板的连接方法，本发明针对导热丝与金属间热膨胀不匹配易产生裂痕而导致接头失效、金属液与导热丝之间湿润性差等问题。本发将导热丝待连接端进行清洁，在导热丝一端进行表面涂层处理，覆着一层厚度在0.01‐1mm的涂层；将导热丝待连接端充分涂抹上含有膨胀粒子的钎焊膏，待含有膨胀粒子的钎焊膏固化后，将导热丝置于金属基板上直径为5‐8mm的坡口中；加热至导热丝连接端的钎焊膏中充分熔化，并保温；冷却至室温。本发明通过在钎焊膏中添加了膨胀粒子，使得熔融状态下的钎料体积能够迅速膨胀，从而赶走空气，填满了坡口中的缝隙，实现了导热丝与金属基板的无缝连接，有利于充分发挥导热丝的高效导热性。

Description

一种实现导热丝与金属基板连接的方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种实现导热丝与金属基板连接的方法。

背景技术

随着科学技术的发展，传统的散热技术难以满足日益增长电子元件的单位面积散热量，且传统散热技术同样很难满足活动部件的散热需求，故而人们迫切需要一种高导热系数的柔性导热材料来同时满足导热和易于热管理设计的要求。碳材料具有很高的理论热导率，通过设计可以制作定向高导热的材料，且碳材料通过与其他材料复合能够做成柔性材料。因而碳材料等成为了定向柔性导热丝材料的首选。正是因为定向柔性导热丝良好的应用前景，使得它与金属的连接方式成为了人们必须考虑的问题。

当前的传统机械构件的连接方式为铆接和胶接技术。导热丝的直径很小，故而在连接导热丝和金属基板时，并不适合使用铆接。而胶接技术由于导热胶导热系数并未达到理想状态，且仍然存在着较大的连接热阻，使得导热丝高效导热的优势无法充分施展。由于碳或碳化物的熔点很高，因此不能采用熔化焊的方法来进行焊接，只能采用其他特殊方法，如钎焊等。

钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。钎焊需要利用湿润性和毛细力来将钎料铺展开来，但是导热丝(碳材料为主)属于非金属材料，与金属液体的湿润性差。且导热丝的热膨胀系数与大部分金属基板的热膨胀系数相差较大，导致接头在冷却过程中产生较大的热应力，容易在接头连接界面或界面附近产生裂纹，从而引发接头过早失效断裂。再者，由于导热丝为柔性材料，基材为刚性材料，目前的连接多为点焊或螺栓固定联接，在使用过程中会不断弯曲，故而接头需要经常承受弯曲应力。若为一般的T型焊接接头，焊料附着在导热丝的外表面，无法过多承受弯曲应力。

基于上述原因，我们迫切需要一种新的方式将导热丝和金属基板连接起来。

“张雷，曲文卿，庄鸿寿；碳纤维复合材料与金属连接及接头力学性能测试[J]；材料工程，2008，38(1):141‐147”提及：在进行钎焊之前，一般采用预先在碳纤维复合材料上采用镀敷、烧结、沉积等方法在表面上处理上一层金属粉末，然后再进行常规的钎焊。

“孙毅，碳纤维表面涂层制备研究[D]；东北大学，2008”提到可以通过预先在碳纤维表面镀一层金属、陶瓷氧化物来解决碳纤维和金属液湿润性差的问题。

文献“郭领军，李贺军，郭琛，等，用Ni‐Ti粉末做中间层连接C/C复合材料和GH3128镍基高温合金(英文)[J]，稀有金属材料与工程，2011，12期(12)”则采用在碳纤维表面预先镀上一层SiC涂层来改善了C/C复合材料对Ni‐Ti中间层连结材料的润湿性,而且在文献中还提及SiC涂层可以有效缓解C/C复合材料与镍基高温合金连接界面因热膨胀不匹配而造成的热应力。

综上所述，为碳纤维表面预先涂覆金属、难溶碳化物及陶瓷氧化物等特殊涂层，可改善金属液在导热丝表面湿润性差的问题。而为了能更好地发挥碳纤维的高导热系数优势，高导热系数的涂层会被优先考虑。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的问题是：提供一种连接均匀、牢固、性能可靠、能发挥导热丝高导热优势的导热丝与金属基板的新型连接方法。

本发明基于现有技术问题，提出了一种碳纤维与金属基板的连接方式，通过在金属基板上提前加工坡口阵列，并将提前进行表面涂层处理并均匀涂抹了含有膨胀粒子的特制钎焊膏的导热丝置于坡口中，并利用金属基板整体加热的方式使得导热丝涂抹的钎焊膏熔化后再凝固的方式实现导热丝与金属基板的无缝隙连接。这种连接方式，大大促进了导热丝代替在热管理领域的应用的可能性。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种实现导热丝与金属基板连接的方法，包括以下步骤：

步骤a，将导热丝待连接端进行清洁，在导热丝一端进行表面涂层处理，覆着一层厚度在0.01‐1mm的涂层，所述涂层为SiC涂层、金属涂层或陶瓷氧化物涂层；所述导热丝由柔性定向高导热材料制成；

步骤b，先配置含有膨胀粒子的钎焊膏，将导热丝待连接端充分涂抹上含有膨胀粒子的钎焊膏，待含有膨胀粒子的钎焊膏固化后，将导热丝置于金属基板上直径为5‐8mm的坡口中；含有膨胀粒子的钎焊膏通过如下方法配置：选取钎焊膏和粒径在0.01um‐2um膨胀石墨为原料，将原料一起加入球磨仪，球磨搅拌分散均匀，得混合料，以质量百分比计，膨胀石墨在混合料中的添加量为0.1％‐2％，制得含有膨胀粒子的钎焊膏；

步骤c，加热至导热丝连接端的钎焊膏中充分熔化，并保温；冷却至室温。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述导热丝为碳纤维或石墨烯纤维。

优选地，所述将导热丝待连接端进行清洁是先用砂纸打磨与金属基板连接的导热丝一端，导热丝用无水乙醇在超声波中清洗后烘干，烘干温度为100‐120℃。

优选地，在于，所述金属基板为铜板、不锈钢板或铝板，对应的钎焊膏选择HJCu‐1铜钎焊膏、Ni‐T5V镍钎焊膏或HJAl‐1铝钎焊膏。

优选地，所述加热为利用涡流作用的感应加热或高温烘烤箱加热；加热的升温速率为10‐15℃/min。

优选地，所述SiC涂层通过如下方法制得：配置包埋渗料，用包埋渗料对与金属基板连接的导热丝一端进行包埋，控制温度为2000‐2300℃，在氩气气氛中进行包埋，保温时间为1‐3h，利用扩散反应在导热丝表面生成表面涂层；所述包埋渗料为制备SiC涂层的原料。

优选地，以质量百分比计，所述制备SiC涂层的原料为将85％硅粉、5％碳粉和10％二氧化三铝。

优选地，所述金属涂层采用超高真空多靶磁控溅射系统在已清洁的导热丝一端表面镀金属得到。

优选地，所述保温的时间为300‐1000s。

优选地，所述冷却的降温速率为4‐10℃/min。

本发明通过表面处理在导热丝上附着一层涂层来改善金属液在导热丝上湿润性差的问题，可以采用包埋法在导热丝连接端上覆上SiC涂层，或在连接端表面涂敷、烧结、沉积等方法表面处理一层金属涂层、陶瓷氧化物涂层。在众多功能相似的涂层中，优先选择导热系数较高的涂层。涂层的厚度为0.01‐1mm。

本发明含有膨胀粒子的钎焊膏是根据金属基板的母材选择不同的钎焊膏并添加膨胀粒子制成的，其中金属基板可以为铜板、不锈钢板、铝板等金属板材，则相应的钎焊膏可以选择HJCu‐1铜钎焊膏、Ni‐T5V镍钎焊膏、HJAl‐1铝钎焊膏等相应型号的钎焊膏作为基底来制备含有膨胀粒子的钎焊膏。

其中，钎焊膏的配方除含有常见的钎料金属作为钎焊粉料，还含有助焊剂及其他辅助添加剂，如膨胀粒子，可选用起始膨胀温度适宜的膨胀石墨；其中含有膨胀粒子的钎焊膏的制备方法为将膨胀粒子粉碎为所需的粒径大小，然后添加到根据金属基板选择的相应型号的钎焊膏中，搅拌以确保膨胀粒子在钎焊膏中分散均匀。在使用过程中，通过加热，钎料从固态变为液态时，且达到膨胀粒子的膨胀温度时，膨胀粒子迅速发生膨胀，膨胀体积在是膨胀粒子自身体积的50倍‐200倍，使得熔融的钎料整体体积膨胀，而填满坡口中的所 有缝隙并赶出空气，实现导热丝与金属基板的无缝隙，且这种体积膨胀是不可逆的。在正常使用温度的时候，已经膨胀过的膨胀例子的膨胀系数变化小，且用量小，并不会对整个焊料的热膨胀系数造成太大的变化。

本发明利用涡流作用的感应加热、高温烘烤箱等加热，可以采用整体放置导热丝再整体加热的方式进行焊接，可以节省时间及减少能源消耗。

通过本发明的技术方案至少能够达到以下的效果：

本发明通过在钎焊膏中添加了膨胀粒子，使得熔融状态下的钎料体积能够迅速膨胀，从而赶走空气，填满了坡口中的缝隙，实现了导热丝与金属基板的无缝连接，有利于充分发挥导热丝的高效导热性。再者，导热丝上附着的涂层及选择的钎料，缓解了导热丝与金属基板之间由于热膨胀不匹配而产生的热应力，能有效的提高接头的连接强度及寿命，且可以在一定程度上节省钎料的使用。

采用在金属基板的表面加工坡口阵列再填补坡口的方法进行焊接，可使得导热丝与金属板件的受力面积增大，从而分散应力，且导热丝与金属基板之间的连接强度得到了保证。再者，这种焊接方式产生的焊缝相比常见的T型焊缝，能适应导热丝柔性应用的需要，经受更大的弯曲应力。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面将结合实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例所用的导热丝为碳纤维材料，直径为100um，聚集50根碳纤维为一束；涂层2为厚度为0.01mm的SiC涂层，金属基板为长度为10cm、宽度为8cm、厚度为0.5cm的不锈钢板。

一种实现导热丝与金属基板连接的方法包括以下步骤：

(1)先用砂纸打磨与金属基板连接的导热丝一端，导热丝用无水乙醇在超声波中清洗后烘干，烘干温度为120℃。以质量百分比计，将85％硅粉、5％碳粉和10％二氧化三铝混合调制初始包埋渗料，用球磨仪球磨2h，混合均匀，制得包埋渗料；用包埋渗料对与金属基板连接的导热丝一端进行包埋，控制温度为2200℃，在氩气气氛中进行包埋，保温时间为2h，利用扩散反应在导热丝表面生成包埋SiC涂层。该步骤用包埋法对导热丝与金属基板连接的一端进行表面涂层处理，使其附着涂层。

(2)选取粒径在0.5um、起始膨胀温度为800℃的膨胀石墨(作为膨胀粒子)和Ni‐T5V 型镍钎焊膏为原料，将原料一起加入球磨仪，球磨0.5h，搅拌分散均匀，得混合料，以质量百分比计，膨胀石墨在混合料中的添加量为1％，制得含有膨胀粒子的钎焊膏。金属基板为不锈钢板；金属基板在与导热丝连接前，先在与导热丝相连的一面进行清洁并用坡口机加工出15个直径为5.2mm的坡口，坡口在金属基板上均匀分布形成3×5的阵列。取2g含有膨胀粒子的钎焊膏，将导热丝待连接一端均匀涂抹上该钎焊膏，烘烤固化后置于金属基板提前加工好的坡口中；

(3)用工具将导热丝夹持好，进行涡流焊接，使用氩气作为保护气，加热到使膨胀粒子的钎焊膏3变为熔融状态，其中钎焊温度为1050℃，最后冷却至室温，则完成了导热丝与金属基板的连接。

对比例1

碳纤维同实施例1；钎焊膏为不添加膨胀粒子的Ni‐T5V型镍基钎焊膏；金属基板同实施例1；

一种导热丝与金属基板连接的方法，包括如下步骤：

1)先用砂纸打磨与金属基板连接的导热丝一端，导热丝用无水乙醇在超声波中清洗后烘干，烘干温度为120℃(具体值)。以质量百分比计，将85％硅粉、5％碳粉和10％二氧化三铝混合调制初始包埋渗料，用球磨仪球磨2h，混合均匀，制得包埋渗料；用包埋渗料对与金属基板连接的导热丝一端进行包埋，控制温度为2200℃，在氩气气氛中进行包埋，保温时间为2h，利用扩散反应在导热丝表面生成包埋SiC涂层。该步骤用包埋法对导热丝与金属基板连接的一端进行表面涂层处理，使其附着涂层。

2)选用Ni‐T5V型镍基钎焊膏，将生成包埋SiC涂层的导热丝与金属基板4用Ni‐T5V型镍基钎焊膏焊接。

测试结果：

将实施例1和对比例1所得两组的镍基板分别连接到100W的热源上，导热丝的另一端连接到铝制散热器上，通过安捷伦温度数据采集仪采集到的镍基板的表面温度分别为70.1℃和72.9℃，说明本发明确实能够改善导热丝与金属基板的连接热阻问题。

测试过程中，实施例1连接方式的导热丝在使用过程中无散落；对比例1普通钎焊连接的导热丝在散落了两根，说明本实施例的连接方式有更高的连接强度。

实施例2

所用的导热丝为碳纤维材料，直径为50um，聚集100根碳纤维为一束；涂层为厚度为0.02mm的金属涂层，金属基板为长度为10cm、宽度为10cm、厚度为1cm的铜板。

一种实现导热丝与金属基板连接的方法包括以下步骤：

(1)先用砂纸打磨与金属基板连接的导热丝一端，导热丝用无水乙醇在超声波中清洗后烘干，烘干温度为120℃)。在在350℃下加热并在空气中氧化30min。

采用JGP450超高真空多靶磁控溅射系统在碳纤维表面镀金属铜涂层，主要金属靶材为Cu，溅射气压为1.0Pa.时间为10min，功率为20W。使碳纤维表面附着0.02mm的金属涂层。

(2)选取粒径在0.5um、起始膨胀温度为600℃的膨胀石墨(作为膨胀粒子)和HJCu‐1铜钎焊膏为原料，将原料一起加入球磨仪，球磨0.5h，搅拌分散均匀，得混合料，以质量百分比计，膨胀石墨在混合料中的添加量为0.5％，制得含有膨胀粒子的钎焊膏。金属基板为铜板；金属基板在与导热丝连接前，先在与导热丝相连的一面进行清洁并用坡口机加工出15个直径为5.2mm的坡口，坡口在金属基板上均匀分布形成4×4的阵列。取2g含有膨胀粒子的钎焊膏，将导热丝待连接一端均匀涂抹上该钎焊膏，烘烤固化后置于金属基板提前加工好的坡口中；

(3)用工具将导热丝夹持好，使用真空高温烘烤箱将金属基板整体加热，真空度低于10^‐3Pa，以10℃/min的速度进行程序升温，控制钎焊温度为650℃，加热到使膨胀粒子的钎焊膏3变为熔融状态，并保温300s，以5℃/min的进行程序降温，最后降温至室温，则完成了导热丝与金属基板的连接。

对比例2

碳纤维同实施例2；钎焊膏为不添加膨胀粒子的HJCu‐1铜钎焊膏；金属基板同实施例2；

一种实现导热丝与金属基板连接的方法包括如下步骤：

(1)先用砂纸打磨与金属基板连接的导热丝一端，导热丝用无水乙醇在超声波中清洗后烘干，烘干温度为120℃。在350℃下加热并在空气中氧化30min。

采用JGP450超高真空多靶磁控溅射系统在碳纤维表面镀金属铜涂层，主要金属靶材为Cu，溅射气压为1.0Pa，氩气流量为20sccm，衬底温度200℃，时间为10min，功率为50W。使碳纤维表面附着0.02mm的金属涂层。

2)选用HJCu‐1铜钎焊膏，将导热丝与金属基板4用HJCu‐1铜钎焊膏焊接。

测试结果：

将实施例2和对比例2所得两组的铜基板分别连接到100W的热源上，导热丝的另一端连接到铝制散热器上，通过安捷伦温度数据采集仪采集到的镍基板的表面温度分别为65.0℃和66.2℃，说明本发明确实能够改善导热丝与金属基板的连接热阻问题。

测试过程中，实施例2和对比例2连接方式的导热丝在使用过程中无散落。

实施例3

本实施例所用的导热丝为碳纤维材料，直径为100um，聚集50根碳纤维为一束；涂层2为厚度为0.01mm的SiC涂层，金属基板为长度为8cm、宽度为8cm、厚度为0.5cm的铝板。

一种导热丝与金属基板连接方法，包括以下步骤：

(1)先用砂纸打磨与金属基板连接的导热丝一端，导热丝用无水乙醇在超声波中清洗后烘干，烘干温度为120℃。以质量百分比计，将85％硅粉、5％碳粉和10％二氧化三铝混合调制初始包埋渗料，用球磨仪球磨2h，混合均匀，制得包埋渗料；用包埋渗料对与金属基板连接的导热丝一端进行包埋，控制温度为2200℃，在氩气气氛中进行包埋，保温时间为2h，利用扩散反应在导热丝表面生成包埋SiC涂层。该步骤用包埋法对导热丝与金属基板连接的一端进行表面涂层处理，使其附着涂层。

(2)选取粒径在0.5um、起始膨胀温度为560℃的膨胀石墨(作为膨胀粒子)和HJAl‐1铝钎焊膏为原料，将原料一起加入球磨仪，球磨0.5h，搅拌分散均匀，得混合料，以质量百分比计，膨胀石墨在混合料中的添加量为0.2％，制得含有膨胀粒子的钎焊膏。金属基板为铝板；金属基板在与导热丝连接前，先在与导热丝相连的一面进行清洁并用坡口机加工出15个直径为5.2mm的坡口，坡口在金属基板上均匀分布形成3×3的阵列。取1.5g含有膨胀粒子的钎焊膏，将导热丝待连接一端均匀涂抹上该钎焊膏，烘烤固化后置于金属基板提前加工好的坡口中；

(3)用工具将导热丝夹持好，使用真空高温烘烤箱将金属基板整体加热，真空度低于10^‐2Pa，以10℃/min的速度进行程序升温，控制钎焊温度为580℃，加热到使膨胀粒子的钎焊膏3变为熔融状态，并保温300s，以5℃/min的进行程序降温，最后降温至室温，则完成了导热丝与金属基板的连接。

对比例3

碳纤维同实施例3；钎焊膏为不添加膨胀粒子的HJAl‐1铝钎焊膏；金属基板同实施例3；

一种实现导热丝与金属基板连接的方法包括如下步骤：

1)先用砂纸打磨与金属基板连接的导热丝一端，导热丝用无水乙醇在超声波中清洗后烘干，烘干温度为120℃(具体值)。以质量百分比计，将85％硅粉、5％碳粉和10％二氧化三铝混合调制初始包埋渗料，用球磨仪球磨2h，混合均匀，制得包埋渗料；用包埋渗料对与金属基板连接的导热丝一端进行包埋，控制温度为2200℃，在氩气气氛中进行包埋，保温时间为2h，利用扩散反应在导热丝表面生成包埋SiC涂层。该步骤用包埋法对导热丝与金属基板连接的一端进行表面涂层处理，使其附着涂层。

2)选用HJAl‐1铝钎焊膏，将生成包埋SiC涂层的导热丝与金属基板4用HJAl‐1铝钎焊膏焊接。

测试结果：

将实施例3和对比例3所得两组的镍基板分别连接到100W的热源上，导热丝的另一端连接到铝制散热器上，通过安捷伦温度数据采集仪采集到的镍基板的表面温度分别为80.1℃和81.8℃，说明本发明确实能够改善导热丝与金属基板的连接热阻问题。

测试过程中，实施例3连接方式的导热丝在使用过程中无散落；对比例3普通钎焊连接的导热丝在散落了两根，说明本实施例的连接方式有更高的连接强度。

以上仅是对本发明的具体的实施方式进行了描述，并不将本发明保护的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。

Claims (10)

1.一种实现导热丝与金属基板连接的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤a，将导热丝待连接端进行清洁，在导热丝一端进行表面涂层处理，覆着一层厚度在0.01‐1mm的涂层，所述涂层为SiC涂层、金属涂层或陶瓷氧化物涂层；所述导热丝由柔性定向高导热材料制成；

步骤b，先配置含有膨胀粒子的钎焊膏，将导热丝待连接端充分涂抹上含有膨胀粒子的钎焊膏，待含有膨胀粒子的钎焊膏固化后，将导热丝置于金属基板上直径为5‐8mm的坡口中；含有膨胀粒子的钎焊膏通过如下方法配置：选取钎焊膏和粒径在0.01um‐2um膨胀石墨为原料，将原料一起加入球磨仪，球磨搅拌分散均匀，得混合料，以质量百分比计，膨胀石墨在混合料中的添加量为0.1％‐2％，制得含有膨胀粒子的钎焊膏；

步骤c，加热至导热丝连接端的钎焊膏中充分熔化，并保温；冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的实现导热丝与金属基板连接的方法，其特征在于，所述导热丝为碳纤维或石墨烯纤维。

3.根据权利要求1所述的实现导热丝与金属基板连接的方法，其特征在于，所述将导热丝待连接端进行清洁是先用砂纸打磨与金属基板连接的导热丝一端，导热丝用无水乙醇在超声波中清洗后烘干，烘干温度为100‐120℃。

4.根据权利要求1所述的实现导热丝与金属基板连接的方法，其特征在于，所述金属基板为铜板、不锈钢板或铝板，对应的钎焊膏基材可以选择HJCu‐1铜钎焊膏、Ni‐T5V镍钎焊膏或HJAl‐1铝钎焊膏来制作含有膨胀粒子的钎焊膏。

5.根据权利要求1所述的实现导热丝与金属基板连接的方法，其特征在于，所述加热为利用涡流作用的感应加热或高温烘烤箱加热；加热的升温速率为10‐15℃/min。

6.根据权利要求1所述的实现导热丝与金属基板连接的方法，其特征在于，所述SiC涂层通过如下方法制得：配置包埋渗料，用包埋渗料对与金属基板连接的导热丝一端进行包埋，控制温度为2000‐2300℃，在氩气气氛中进行包埋，保温时间为1‐3h，利用扩散反应在导热丝表面生成表面涂层；所述包埋渗料为制备SiC涂层的原料。

7.根据权利要求6所述的实现导热丝与金属基板连接的方法，其特征在于，以质量百分比计，所述制备SiC涂层的原料为85％硅粉、5％碳粉和10％二氧化三铝。

8.根据权利要求1所述的实现导热丝与金属基板连接的方法，其特征在于，所述金属涂层采用超高真空多靶磁控溅射系统在已清洁的导热丝一端表面镀金属得到。

9.根据权利要求1所述的实现导热丝与金属基板连接的方法，其特征在于，所述保温的时间为300‐1000s。

10.根据权利要求1所述的实现导热丝与金属基板连接的方法，其特征在于，所述冷却的降温速率为4‐10℃/min。