CN109599374B - 一种基于石墨烯的热控装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于石墨烯的热控装置，包括过渡层、连接层、导热带；外部的热源与所述过渡层连接，过渡层与所述连接层连接，连接层与所述导热带的一端连接，导热带的另一端与外部热沉连接；所述导热带由石墨烯材料制成；所述过渡层由泡沫金属材料制成；所述连接层由金属合金材料制成。所述过渡层的热导率为60W/(m*K)～80W/(m*K)；所述连接层的热导率为90W/(m*K)～160W/(m*K)；所述导热带的热导率为600W/(m*K)～1600W/(m*K)。本发明能够实现快速散热，同时解决热源温升过快、热应力蓄积问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于石墨烯的热控装置及方法，属于热控技术领域。
背景技术
轻质柔性高导热炭(石墨烯)作为导热带材料，开展它与芯片功率模块金属基板间的焊接技术研究，以获得石墨烯与金属之间“低热阻、热匹配、高强度”连接接头。
随着航天技术的发展，飞行器内部出现大量的结构不规则、体积大的功能设备，且各功能单元之间主要由众多连接器与无数成捆电缆连接而成，导致飞行器内部空间拮据、弹箭臃肿，而且给飞行器的设计、组装、整理和纠错带来了诸多困难，因此轻小、高集成化的多功能结构是现代航天飞行器发展主要方向。多功能结构中涉及到的基础性问题有热控制和高密度总线互联等，其中热控制已成为制约多功能结构高功率、高集成化、高可靠性发展所面临的一项亟待解决的问题，也是决定功率电子元器件能否可靠稳定工作的基本保障。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于石墨烯的热控装置及方法，根据热源的散热需求，采用过渡层、连接层、导热带的结构，将热源的热量导出到热沉，用以达到热控的目的。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种基于石墨烯的热控装置，包括过渡层、连接层、导热带；
外部的热源与所述过渡层连接，过渡层与所述连接层连接，连接层与所述导热带的一端连接，导热带的另一端与外部热沉连接；所述导热带由石墨烯材料制成；所述过渡层由泡沫金属材料制成；所述连接层由金属合金材料制成。
上述基于石墨烯的热控装置，所述过渡层的热导率为60W/(m*K)～80W/(m*K)；所述连接层的热导率为90W/(m*K)～160W/(m*K)；所述导热带的热导率为600W/(m*K)～1600W/(m*K)。
上述基于石墨烯的热控装置，所述过渡层为蜂窝状或多孔状结构。
上述基于石墨烯的热控装置，还包括扩热板，所述导热带与连接层连接的一端与外部机壳连接；机壳与扩热板连接。
上述基于石墨烯的热控装置，所述扩热板由石墨烯材料制成。
上述基于石墨烯的热控装置，所述导热带和连接层的表面均设有金属层。
上述基于石墨烯的热控装置，所述外部的热源通过金属钎料或胶与所述过渡层连接；所述过渡层通过金属钎料或胶与所述连接层连接；所述连接层通过金属钎料或胶与所述导热带的一端连接；所述导热带的另一端与外部热沉采用钎焊连接。
上述基于石墨烯的热控装置，所述金属钎料为纳米银钎料。
一种基于石墨烯的热控方法，将热源与过渡层连接，过渡层与连接层连接，连接层与导热带的一端连接，导热带的另一端与热沉连接；导热带由石墨烯材料制成；所述过渡层由泡沫金属材料制成；所述连接层由金属合金材料制成；
所述过渡层的热导率为60W/(m*K)～80W/(m*K)；所述连接层的热导率为90W/(m*K)～160W/(m*K)；所述导热带的热导率为600W/(m*K)～1600W/(m*K)；
所述热源的发热功率w与导热带的结构尺寸关系为：
当w≤20W且w/S≤2000W/m2时，则导热带面积Sd＝K*w*S+2*10-3，导热带厚度hb＝2w/S*10-8；K为第一系数，K的取值范围为0.25～0.35；S为热源底部面积；
当w＞20W且w/S≤3000W/m2时，则导热带面积Sd＝S+1*10-3，导热带厚度hb的取值范围为2*10-2～4*10-2。
上述基于石墨烯的热控方法，所述导热带与连接层连接的一端与外部机壳连接；机壳与扩热板连接；所述扩热板由石墨烯材料制成。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
选择轻质柔性高导热石墨烯膜(20-30μm)作为导热带材料，围绕获得石墨烯与金属之间“低热阻、热匹配、高强度”连接接头，开展石墨烯导热带与金属基板间的钎焊技术研究。采用“真空活性钎焊+低温钎焊”的复合焊接方式实现石墨烯导热带表面金属化和与金属基板低温钎焊连接，通过金属镀层热结构设计，实现焊接质量控制并使得芯片模块快速散热。利用泡沫金属降低钎焊接头的残余应力，解决移动大功率芯片温升过快、热应力蓄积的问题。
附图说明
图1为本发明基于石墨烯的热控装置的连接关系示意图；
图2为本发明扩热板的结构平面示意图；
图3为本发明扩热板的结构立体示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
本发明采用低界面热阻连接和高导热等技术解决现有技术中的问题，开展了轻质柔性石墨烯导热带与功率模块基板金属超低热阻界面焊接技术研究，即将热量从大功率电子器件(热源)导向外部的散热区(热沉)，使电子元器件始终处于适宜的工作温度温，同时焊接接头的强度、界面热阻、弯折次数等技术指标满足使用要求。其中，在本发明中有几个重要的概念进行解释。
1)多功能结构是上世纪九十年代提出的一项新技术，在NASA的NMP DS1任务中采用了Lockheed Martin公司研制的该结构。它是以微电子、集成电路、传热学和结构力学等领域为基础，使用多芯片模块技术、先进复合材料技术、无线缆链接技术、高密度封装技术、热控制技术、立体组装等多种技术集成制造的一种新型结构，也是集成机械、电气电子、热控制一体化的系统工程。这种结构将内部电路的传输电缆、封装元器件、电连接器和散热控制部件等与外部保护壳体结构集成为一体，使各个部件最大限度嵌入壳体结构中，如图1所示。该结构不仅使航天器电子设备及电缆的体积、重量、功耗大幅降低，而且大幅提高航天器的抗振、抗电磁辐射等性能。它采用复合材料制作结构面板，并将热控制装置预埋入壳体结构，采取特殊材料增加热传导，实现结构电子的热控制，然而多芯片大功率模块的应用及自身密封结构，热传导成为防止器件失效主要散热手段。为使大功率器件的热量尽快传导出去，热耦合技术是整个热控的关键所在，若热耦合性不良，即使各自的热效应很好，也会使整个系统向空间辐射的传热能力大打折扣。
2)作为轻质柔性高导热炭的材料之一，石墨烯是多功能结构导热带的理想材料。自2004年制得石墨烯后，其强大的散热性能得到广泛重视。石墨烯热导率高达5000W/(m*K)，石墨烯膜也接近单层石墨烯导热率的40％。石墨烯改善散热是因为它在平面内极高的导热率从而将热源处的温度能快速导出和石墨表面增强红外线辐射散热效果。另外，石墨烯膜还具有良好的柔性，可反复折叠6000余次、弯曲10万余次，解决了宏观材料高导热和高柔性不能兼顾的难题。高导热石墨烯有望代替铜条、铜导索等，实现芯片功率模块高温区与热沉/热管之间的热连接，以期满足高集成度大功率元器件对高热流密度散热的需求。目前导热带与金属之间通常采用粘接的方式实现热连接，接头仅通过分子间作用力实现连接，致使热阻过大且不耐高温；若采用焊接方式，可以实现原子间的连接，从而可有效地降低接头界面热阻，并保证热传输。因此，高导热炭与金属之间的焊接连接是获得超低热阻界面基本保证，也是发挥高导热炭优异性能的关键连接技术。
为实现上述目的，提供基于柔性石墨烯导热膜、高导热石墨烯扩热板的热控结构以及基于纳米金属的低温连接高温服役技术，具体技术方案如下：
一种基于石墨烯的热控装置，包括过渡层、连接层、导热带；导热带和连接层的表面均设有金属层；如图1所示。
外部的热源通过金属钎料或胶与所述过渡层连接，过渡层通过金属钎料或胶与所述连接层连接，连接层通过金属钎料或胶与所述导热带的一端连接，导热带的另一端与外部热沉采用钎焊连接；所述导热带由石墨烯材料制成；所述过渡层由泡沫金属材料制成；所述连接层由金属合金材料制成。所述金属钎料为纳米银钎料。
所述过渡层的热导率为60W/(m*K)～80W/(m*K)；所述连接层的热导率为90W/(m*K)～160W/(m*K)；所述导热带的热导率为600W/(m*K)～1600W/(m*K)。所述过渡层为蜂窝状或多孔状结构。
为了进一步增加热控效果，所述热控装置还包括扩热板，所述导热带与连接层连接的一端与外部机壳连接，所述扩热板与机壳连接。扩热板由石墨烯材料制成，如图2和图3所示。
一种基于石墨烯的热控方法，根据热控实施对象的特点，确定散热功率目标，通过合理设计样机的热导率、热流面积和传热距离。首先计算所需导热带或扩热板的面积，并确定其满足结构构型包络，而后根据热流密度进行热控装置厚度选择，以满足不同热通量热源散热需求，并根据应用需求选择连接方式，通过计算可获得热源的温度下降参数。需考虑传热路径，包括热源扩热面面积、热源与冷端距离、是否有柔性随动需求、过孔形状、槽结构、位置的适应性，以及对COTS器件、宇航器件的通用性。其中石墨烯膜热控结构的面内热导率：400W/(m*K)～800W/(m*K)；扩热板的面内热导率：400W/(m*K)～800W/(m*K)。
具体的，将热源与过渡层连接，过渡层与连接层连接，连接层与导热带的一端连接，导热带的另一端与热沉连接；导热带由石墨烯材料制成；所述过渡层由泡沫金属材料制成；所述连接层由金属合金材料制成；过渡层的作用一方面是热传导，另一方面是使连接层与热源在温度变化过程中实现热匹配。
所述过渡层的热导率为60W/(m*K)～80W/(m*K)；所述连接层的热导率为90W/(m*K)～160W/(m*K)；所述导热带的热导率为600W/(m*K)～1600W/(m*K)。
所述热源的发热功率w与导热带的结构尺寸关系为：
当w≤20W且w/S≤2000W/m2时，则导热带面积Sd＝K*w*S+2*10-3，导热带厚度hb＝2w/S*10-8，单位m；K为第一系数，K的取值范围为0.25～0.35；S为热源底部面积；
当w＞20W且w/S≤3000W/m2时，则导热带面积Sd＝S+1*10-3，导热带厚度hb的取值范围为2*10-2～4*10-2，单位m。
导热带即为膜热控结构，包括屏蔽保护层、石墨烯膜层、导热胶层、剥离层四部分；其中屏蔽保护层根据导电性能需求，选择聚酰亚胺薄膜或镀铝聚酰亚胺薄膜或铜箔；石墨烯膜厚度50μm-200μm；导热胶层控制胶层厚度不大于10μm；剥离层为PET薄膜。石墨烯膜热控结构采用数控模切机进行打孔，切割外轮廓，背胶。
采用扩热板为高导热热沉，通过热源、过渡层、连接层之间采用纳米金属钎料进行连接，保证热传导效率。扩热板设置通孔，实现安装与定位，线切割加工外形，表面镀银。热沉与导热带之间涂纳米银钎料，进行低温钎焊。
热控装置的评估：选择稳态导热过程，导入物体的热流量等于导出物体的热流量，物体内部各点温度不随时间而变化。通过对比同一热源的不同热控措施下的温度测量，能够更为真实、有效且便捷的评价热控结构性能。在石墨烯试验件的一端配置一个冷却水循环，通过泵驱动水箱中的水通过换热器，带走石墨烯结构传递过来的热量，提高同一试件重复测试，以及不同热边界条件测试下的效率。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种基于石墨烯的热控装置，其特征在于：包括过渡层、连接层、导热带；
外部的热源与所述过渡层连接，过渡层与所述连接层连接，连接层与所述导热带的一端连接，导热带的另一端与外部热沉连接；所述导热带由石墨烯材料制成；所述过渡层由泡沫金属材料制成；所述连接层由金属合金材料制成；
所述过渡层的热导率为60W/(m*K)～80W/(m*K)；所述连接层的热导率为90W/(m*K)～160W/(m*K)；所述导热带的热导率为600W/(m*K)～1600W/(m*K)；
外部热源的发热功率w与导热带的结构尺寸关系为：
当w≤20W且w/S≤2000W/m2时，则导热带面积Sd＝K*w*S+2*10-3，Sd的单位为m2，导热带厚度hb＝2w/S*10-8；K为第一系数，K的取值范围为0.25～0.35；S为热源底部面积；
当w＞20W且w/S≤3000W/m2时，则导热带面积Sd＝S+1*10-3，Sd的单位为m2，导热带厚度hb的取值范围为2*10-2～4*10-2。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的热控装置，其特征在于：所述过渡层为蜂窝状或多孔状结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的热控装置，其特征在于：还包括扩热板，所述导热带与连接层连接的一端与外部机壳连接；机壳与扩热板连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于石墨烯的热控装置，其特征在于：所述扩热板由石墨烯材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的热控装置，其特征在于：所述导热带和连接层的表面均设有金属层。
6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的热控装置，其特征在于：所述外部的热源通过金属钎料或胶与所述过渡层连接；所述过渡层通过金属钎料或胶与所述连接层连接；所述连接层通过金属钎料或胶与所述导热带的一端连接；所述导热带的另一端与外部热沉采用钎焊连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于石墨烯的热控装置，其特征在于：所述金属钎料为纳米银钎料。
8.一种基于石墨烯的热控方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、将热源与过渡层连接；
步骤二、过渡层与连接层连接，连接层与导热带的一端连接，导热带的另一端与热沉连接；导热带由石墨烯材料制成；所述过渡层由泡沫金属材料制成；所述连接层由金属合金材料制成；
所述过渡层的热导率为60W/(m*K)～80W/(m*K)；所述连接层的热导率为90W/(m*K)～160W/(m*K)；所述导热带的热导率为600W/(m*K)～1600W/(m*K)；
所述热源的发热功率w与导热带的结构尺寸关系为：
当w≤20W且w/S≤2000W/m2时，则导热带面积Sd＝K*w*S+2*10-3，Sd的单位为m2，导热带厚度hb＝2w/S*10-8；K为第一系数，K的取值范围为0.25～0.35；S为热源底部面积；
当w＞20W且w/S≤3000W/m2时，则导热带面积Sd＝S+1*10-3，Sd的单位为m2，导热带厚度hb的取值范围为2*10-2～4*10-2。
9.根据权利要求8所述的一种基于石墨烯的热控方法，其特征在于：所述导热带与连接层连接的一端与外部机壳连接；机壳与扩热板连接；所述扩热板由石墨烯材料制成。
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