CN108581253B - 一种三明治型石墨烯基散热板的封装方法 - Google Patents

一种三明治型石墨烯基散热板的封装方法 Download PDF

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Abstract

一种三明治型石墨烯基散热板的封装方法，它涉及一种石墨烯基散热板的封装方法。本发明的目的是要解决现有石墨烯基散热板封装时焊接可靠性难以保证、焊后焊接构件的应力很大、铝合金易熔透的问题。封装方法：一、激光打孔，得到带孔石墨烯；二、表面金属化，得到金属化石墨烯；三、装配与封装，得到三明治型石墨烯基散热板。优点：石墨烯封装后金属化石墨烯与铝板之间的接头室温抗剪强度达到7MPa以上。本发明主要用于石墨烯封装。

Description

一种三明治型石墨烯基散热板的封装方法
技术领域
本发明涉及一种石墨烯基散热板的封装方法。
背景技术
由于三维石墨烯材料特殊的物理性能及结构特征，使得三维石墨烯材料从生产到批量应用仍然有很大一段距离，石墨烯的封装成为了当今研究学者亟需解决的一大难题。石墨烯基材料封装中存在的主要问题如下：由于石墨烯板为层状结构，层间结合力较弱导致石墨烯在焊后热应力作用下分层，焊接可靠性难以保证；在焊接面积大时，由于石墨烯和铝合金热膨胀系数差异较大，焊后焊接构件的应力很大；由于铝合金熔点低且厚度较薄、表面有致密的氧化膜、与石墨烯成键种类差异较大，导致铝合金易熔透、合适的工艺区间以及钎料的选择范围均较窄。
发明内容
本发明的目的是要解决现有石墨烯基散热板封装时焊接可靠性难以保证、焊后焊接构件的应力很大、铝合金易熔透的问题，
一种三明治型石墨烯基散热板的封装方法，具体是按以下步骤完成的：
一、激光打孔：采用激光刻蚀技术在石墨烯上打通孔，且通孔分布均匀，得到带孔石墨烯；
二、表面金属化：由上至下按照铜箔、银基钎料、带孔石墨烯、银基钎料和铜箔的方式组装，再真空钎焊，得到金属化石墨烯；
三、装配与封装：将金属化石墨烯嵌入边框中，然后由上至下按照铝板、锡基钎料、金属化石墨烯、锡基钎料和铝板的方式组装，再真空钎焊，得到三明治型石墨烯基散热板。
本发明优点：一、采用激光刻蚀技术，在石墨烯表面均匀打孔，焊接时钎料能流入并填满孔洞，利用钎料的钉扎作用，提高石墨烯水平方向的剪切强度；二、通过石墨烯板的金属化进一步提高石墨烯的强度，同时将石墨烯-铝的焊接转变为难度更低的铜-铝的焊接；三、通过在铝合金表面镀铜大大提高了焊接性，将铜-铝异种材料之间的焊接最终转变为铜-铜同种材料间的焊接；四、利用铜箔优化了钎料的选取，选择了锡基钎料，既实现了铜的良好的界面冶金结合，同时大幅降低了焊接温度，最大程度降低了大尺寸构件焊接后的残余热应力；五、本发明的方法可以广泛地应用于材料的封装领域中。六、本发明石墨烯封装后金属化石墨烯与铝板之间的接头室温抗剪强度达到7MPa以上。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种三明治型石墨烯基散热板的封装方法，具体是按以下步骤完成的：
一、激光打孔：采用激光刻蚀技术在石墨烯上打通孔，且通孔分布均匀，得到带孔石墨烯；
二、表面金属化：由上至下按照铜箔、银基钎料、带孔石墨烯、银基钎料和铜箔的方式组装，再真空钎焊，得到金属化石墨烯；
三、装配与封装：将金属化石墨烯嵌入边框中，然后由上至下按照铝板、锡基钎料、金属化石墨烯、锡基钎料和铝板的方式组装，再真空钎焊，得到三明治型石墨烯基散热板。
本实施方式采用激光刻蚀技术，在石墨烯表面均匀打孔，焊接时钎料能流入并填满孔洞，利用钎料的钉扎作用，提高石墨烯水平方向的剪切强度；
本实施方式通过石墨烯板的金属化进一步提高石墨烯的强度，同时将石墨烯-铝的焊接转变为难度更低的铜-铝的焊接；
本实施方式通过在铝合金表面镀铜大大提高了焊接性，将铜-铝异种材料之间的焊接最终转变为铜-铜同种材料间的焊接；
本实施方式利用铜箔优化了钎料的选取，选择了锡基钎料，既实现了铜的良好的界面冶金结合，同时大幅降低了焊接温度，最大程度降低了大尺寸构件焊接后的残余热应力；
本实施方式的方法可以广泛地应用于材料的封装领域中。
本实施方式石墨烯封装后金属化石墨烯与铝板之间的接头室温抗剪强度达到7MPa以上。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中所述石墨烯为石墨烯板，长度为20mm～300mm、宽度为20mm～300mm、厚度为0.5mm～5mm。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤二中所述铜箔的纯度为99.0～99.9％，厚度为20μm～500μm，且铜箔的长度和宽度与带孔石墨烯的长度和宽度相同。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤二中所述银基钎料为箔状银基钎料，所述箔状银基钎料的厚度20μm～500μm，且箔状银基钎料的长度和宽度与带孔石墨烯的长度和宽度相同。其他与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤三中所述边框的材质为镀铜的6061铝合金，所述镀铜的6061铝合金为在6061铝合金的表面镀铜层，且铜层厚度为1μm～5μm；所述边框的外框长度为30mm～350mm，外框宽度为30mm～350mm，内框长度为20mm～300mm，内框宽度为20mm～300mm；且设边框的内框长度为M，石墨烯的长度为m，则0mm＜M-m≤2mm，设边框的内框宽度为N，石墨烯的宽度为n，则0mm＜N-n≤2mm，且边框的厚度与金属化石墨烯的厚度相同，金属化石墨烯嵌入边框时，在金属化石墨烯与边框的内框之间涂抹锡基焊膏。其他与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤三中所述铝板的材质为镀铜的6061铝合金，所述镀铜的6061铝合金为在6061铝合金的表面镀铜层，且铜层厚度为1μm～5μm；所述铝板的厚度为0.5mm～2mm，且铝板的长度和宽度与边框的外框长度和外框宽度相同。其他与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤三中所述锡基钎料为箔状锡基钎料，所述箔状锡基钎料的厚度20μm～500μm，且箔状锡基钎料的长度和宽度与铝板的长度和宽度相同。其他与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤二中由上至下按照铜箔、银基钎料、带孔石墨烯、银基钎料和铜箔的方式组装，得到待金属化工件，将待金属化工件放入真空加热炉中，先抽真空，当真空度达到0～9.9×10-3Pa时，真空加热炉炉内温度以5℃/min～20℃/min的速度加热至780～950℃，并保温1min～60min，当炉内温度达到20～780℃时，在待金属化工件上表面开始施加压力，压力为20kN～100kN，保温结束后以1℃/min～5℃/min的速度降温至100～200℃，然后打开真空加热炉的炉门，继续随炉空冷至室温，得到金属化石墨烯。其他与具体实施方式一至七相同
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤三中先在边框的内框上涂抹锡基焊膏，然后将金属化石墨烯嵌入边框中，再由上至下按照铝板、锡基钎料、金属化石墨烯、锡基钎料和铝板的方式组装，得到待封装工件，将待封装工件放入真空加热炉中，先抽真空，当真空度达到0～9.9×10-3Pa时，真空加热炉炉内温度以1℃/min～10℃/min的速度加热至100～400℃，并保温1min～60min，在升温过程中开始施加压力，压力为20kN～100kN，保温结束后随炉冷却至室温，得到三明治型石墨烯基散热板。其他与具体实施方式一至八相同
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤一中采用激光刻蚀技术在石墨烯上打通孔，且通孔分布均匀，通孔的直径为1mm～5mm，通孔的间距为1mm～30mm。其他与具体实施方式一至九相同
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
采用下述试验验证本发明效果
实施例1：一种三明治型石墨烯基散热板的封装方法，具体是按以下步骤完成的：
一、激光打孔：采用激光刻蚀技术在石墨烯上打通孔，且通孔分布均匀，通孔的直径为3mm，通孔的间距为7mm，得到带孔石墨烯；所述石墨烯为石墨烯板，长度为200.5mm、宽度为163.5mm、厚度为2mm；
二、表面金属化：由上至下按照铜箔、银基钎料、带孔石墨烯、银基钎料和铜箔的方式组装，得到待金属化工件，将待金属化工件放入真空加热炉中，先抽真空，当真空度达到1×10-3Pa时，真空加热炉炉内温度以10℃/min的速度加热至850℃，并保温30min，当炉内温度达到200℃时，在待金属化工件上表面开始施加压力，压力为65kN，保温结束后以5℃/min的速度降温至150℃，然后打开真空加热炉的炉门，继续随炉空冷至室温，得到金属化石墨烯；所述铜箔的纯度为99.0～99.9％，厚度为100μm，且铜箔的长度和宽度与带孔石墨烯的长度和宽度相同；所述银基钎料为箔状AgCuTi钎料，所述箔状AgCuTi钎料的厚度100μm，且箔状银基钎料的长度和宽度与带孔石墨烯的长度和宽度相同；
三、装配与封装：先在边框的内框上涂抹锡基焊膏，然后将金属化石墨烯嵌入边框中，再由上至下按照铝板、锡基钎料、金属化石墨烯、锡基钎料和铝板的方式组装，得到待封装工件，将待封装工件放入真空加热炉中，先抽真空，当真空度达到1×10-3Pa时，真空加热炉炉内温度以5℃/min的速度加热至300℃，并保温10min，当炉内温度达到20℃时，在待封装工件上表面开始施加压力，压力为65kN，保温结束后随炉冷却至室温，得到三明治型石墨烯基散热板；所述边框的材质为镀铜的6061铝合金，所述镀铜的6061铝合金为在6061铝合金的表面镀铜层，且铜层厚度为3μm；所述边框的外框长度为211mm，外框宽度为174mm，内框长度为201mm，内框宽度为164mm，且边框的厚度与金属化石墨烯的厚度相同，金属化石墨烯嵌入边框时，在金属化石墨烯与边框的内框之间涂抹锡基焊膏，所述铝板的材质为镀铜的6061铝合金，所述镀铜的6061铝合金为在6061铝合金的表面镀铜层，且铜层厚度为3μm；所述铝板的厚度为0.5mm，且铝板的长度和宽度与边框的外框长度和外框宽度相同；所述锡基钎料为箔状SnAgCu钎料，所述箔状SnAgCu钎料的厚度100μm，且箔状锡基钎料的长度和宽度与铝板的长度和宽度相同。
经测试，本实施例得到三明治型石墨烯基散热板的金属化石墨烯与铝板之间的接头室温抗剪强度为14MPa。
实施例2：本实施例与实施例1的不同点是：步骤三中当真空度达到1×10-3Pa时，真空加热炉炉内温度以5℃/min的速度加热至310℃，并保温10min，当炉内温度达到20℃时，在待封装工件上表面开始施加压力，压力为65kN，保温结束后随炉冷却至室温，得到三明治型石墨烯基散热板。其他与实施例1相同。
经测试，本实施例得到三明治型石墨烯基散热板的金属化石墨烯与铝板之间的接头室温抗剪强度为9MPa。
实施例3：本实施例与实施例1的不同点是：步骤三中当真空度达到1×10-3Pa时，真空加热炉炉内温度以5℃/min的速度加热至320℃，并保温10min，当炉内温度达到20℃时，在待封装工件上表面开始施加压力，压力为65kN，保温结束后随炉冷却至室温，得到三明治型石墨烯基散热板。其他与实施例1相同。
经测试，本实施例得到三明治型石墨烯基散热板的金属化石墨烯与铝板之间的接头室温抗剪强度为7MPa。

Claims (7)

1.一种三明治型石墨烯基散热板的封装方法，其特征在于一种三明治型石墨烯基散热板的封装方法是按以下步骤完成的：
一、激光打孔：采用激光刻蚀技术在石墨烯上打通孔，且通孔分布均匀，得到带孔石墨烯；
二、表面金属化：由上至下按照铜箔、银基钎料、带孔石墨烯、银基钎料和铜箔的方式组装，再真空钎焊，得到金属化石墨烯；
步骤二中所述铜箔的纯度为99.0～99.9％，厚度为20μm～500μm，且铜箔的长度和宽度与带孔石墨烯的长度和宽度相同；
三、装配与封装：将金属化石墨烯嵌入边框中，然后由上至下按照铝板、锡基钎料、金属化石墨烯、锡基钎料和铝板的方式组装，再真空钎焊，得到三明治型石墨烯基散热板；
步骤三中所述铝板的材质为镀铜的6061铝合金，所述镀铜的6061铝合金为在6061铝合金的表面镀铜层，且铜层厚度为1μm～5μm；所述铝板的厚度为0.5mm～2mm，且铝板的长度和宽度与边框的外框长度和外框宽度相同。
2.根据权利要求1所述的一种三明治型石墨烯基散热板的封装方法，其特征在于步骤一中所述石墨烯为石墨烯板，长度为20mm～300mm、宽度为20mm～300mm、厚度为0.5mm～5mm。
3.根据权利要求2所述的一种三明治型石墨烯基散热板的封装方法，其特征在于步骤二中所述银基钎料为箔状银基钎料，所述箔状银基钎料的厚度20μm～500μm，且箔状银基钎料的长度和宽度与带孔石墨烯的长度和宽度相同。
4.根据权利要求3所述的一种三明治型石墨烯基散热板的封装方法，其特征在于步骤三中所述边框的材质为镀铜的6061铝合金，所述镀铜的6061铝合金为在6061铝合金的表面镀铜层，且铜层厚度为1μm～5μm；所述边框的外框长度为30mm～350mm，外框宽度为30mm～350mm，内框长度为20mm～300mm，内框宽度为20mm～300mm；且设边框的内框长度为M，石墨烯的长度为m，则0mm＜M-m≤2mm，设边框的内框宽度为N，石墨烯的宽度为n，则0mm＜N-n≤2mm，且边框的厚度与金属化石墨烯的厚度相同，金属化石墨烯嵌入边框时，在金属化石墨烯与边框的内框之间涂抹锡基焊膏。
5.根据权利要求1所述的一种三明治型石墨烯基散热板的封装方法，其特征在于步骤二中由上至下按照铜箔、银基钎料、带孔石墨烯、银基钎料和铜箔的方式组装，得到待金属化工件，将待金属化工件放入真空加热炉中，先抽真空，当真空度达到0～9.9×10-3Pa时，真空加热炉炉内温度以5℃/min～20℃/min的速度加热至780～950℃，并保温1min～60min，当炉内温度达到20～780℃时，在待金属化工件上表面开始施加压力，压力为20kN～100kN，保温结束后以1℃/min～5℃/min的速度降温至100～200℃，然后打开真空加热炉的炉门，继续随炉空冷至室温，得到金属化石墨烯。
6.根据权利要求1所述的一种三明治型石墨烯基散热板的封装方法，其特征在于步骤三中先在边框的内框上涂抹锡基焊膏，然后将金属化石墨烯嵌入边框中，再由上至下按照铝板、锡基钎料、金属化石墨烯、锡基钎料和铝板的方式组装，得到待封装工件，将待封装工件放入真空加热炉中，先抽真空，当真空度达到0～9.9×10-3Pa时，真空加热炉炉内温度以1℃/min～10℃/min的速度加热至100～400℃，并保温1min～60min，在升温过程中开始施加压力，压力为20kN～100kN，保温结束后随炉冷却至室温，得到三明治型石墨烯基散热板。
7.根据权利要求1所述的一种三明治型石墨烯基散热板的封装方法，其特征在于步骤一中采用激光刻蚀技术在石墨烯上打通孔，且通孔分布均匀，通孔的直径为1mm～5mm，通孔的间距为1mm～30mm。
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