CN111545855B - 多功能结构被动散热装置及其高导热性导热带的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能结构被动散热装置及其高导热性导热带的焊接方法，该装置包括多功能结构本体、盖板和高导热性导热带，多功能结构本体包括顶部开口的机壳和设于机壳内部的高产热芯片模块，盖板扣置于机壳顶部，盖板中部开设有条形孔，高导热性导热带一端伸入机壳内部并与高产热芯片模块焊接固定，其另一端从条形孔伸出延伸至机壳外部，高导热性导热带采用石墨烯膜制成。该装置在多功能结构本体内部设置石墨烯膜制成的高导热性导热带，大功率的高产热芯片模块连接到高导热性导热带上，高导热性导热带从盖板的条形孔中伸出，为热量传递提供了一条低热阻的热流路径，使多功能结构本体内高产热芯片模块产生的热量可以及时有效的散出。

Description

多功能结构被动散热装置及其高导热性导热带的焊接方法

技术领域

本发明涉及多功能结构散热技术及金属焊接技术领域，更具体的说是涉及一种多功能结构被动散热装置及其高导热性导热带的焊接方法。

背景技术

随着航天技术的发展，飞行器内部出现大量的功能各异的功能设备单元，且各功能单元之间主要由众多连接器与大量成捆电缆连接而成，导致飞行器内部空间拮据、弹箭臃肿，给飞行器的设计、组装、调试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技术和高密度总线互联技术等，其中热控技术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，也是高功率电子元器件可靠稳定工作的基本保障。

目前，多功能结构一般由铜条或铜导索等导热带实现高效导热，铜条或铜导索虽然具有较高的导热效率，可以将多功能结构内部的热量及时导出，但是由于上述导热结构高导热性和高柔性不能兼顾，柔性的限制制约了多功能结构高集成化的发展需求。

同时，由于现有的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；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，但是，由于导热带与金属存在物理化学性质的差异，传统焊接方式存在易开裂、钎料润湿性差、接头导热率受限等问题。

因此，如何提供一种兼具柔性与导热性能的多功能结构被动散热装置是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种多功能结构被动散热装置，该装置通过石墨烯膜制成的高导热性导热带实现了高导热性能的同时，兼具良好的柔性，解决了现有的导热结构高导热性和高柔性不能兼顾，无法满足多功能结构高集成化发展需求的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种多功能结构被动散热装置，该装置包括：多功能结构本体、盖板和高导热性导热带，所述多功能结构本体包括顶部开口的机壳和设于所述机壳内部的高产热芯片模块，所述盖板扣置于所述机壳顶部，所述盖板中部开设有条形孔，所述高导热性导热带一端伸入所述机壳内部并与所述高产热芯片模块焊接固定，其另一端从所述条形孔伸出延伸至所述机壳外部，所述高导热性导热带采用石墨烯膜制成。

进一步地，所述高产热芯片模块包括电子元器件和金属基体，所述电子元器件固定安装于所述金属基体上，所述金属基体与所述高导热性导热带焊接固定。

更进一步地，所述高导热性导热带与所述金属基体的焊接方式为软钎焊。

更进一步地，所述金属基体采用铝合金或铝基石墨烯复合材料制成。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种多功能结构被动散热装置，该装置在多功能结构本体内部设置石墨烯膜制成的高导热性导热带，大功率的高产热芯片模块连接到高导热性导热带上，高导热性导热带从盖板的条形孔中伸出，为热量传递提供了一条低热阻的热流路径，使多功能结构本体内高产热芯片模块产生的热量可以及时有效的散出，从而在规定的使用环境下，多功能结构本体内部关键器件的服役温度不容易超过可靠性设定的最高温度，保证了多功能结构本体的使用寿命。

另一方面，本发明还提供了一种上述的多功能结构被动散热装置内高导热性导热带的焊接方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：通过真空钎焊将高导热性导热带与薄铜片有效连接，改善高导热性导热带与高产热芯片模块连接界面的表面湿润性；

步骤2：采用化学镀镍法对高产热芯片模块上与高导热性导热带连接的表面进行镀镍操作，在高产热芯片模块表面得到镀镍层，改善高产热芯片模块与高导热性导热带连接界面的表面湿润性；

步骤3：将连接薄铜片的高导热性导热带与镀镍处理后的高产热芯片模块进行焊接，得到高导热性导热带与高产热芯片模块的焊接头。

进一步地，所述步骤2中，采用化学镀镍法得到的镀镍层厚度为5-15μm。

进一步地，所述步骤3中，将连接薄铜片的高导热性导热带与镀镍处理后的高产热芯片模块进行焊接，焊接方式为使用Sn-Pb钎料的软钎焊。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种多功能结构被动散热装置内高导热性导热带的焊接方法，由于该方法预先对高产热芯片模块和高导热性导热带的连接面进行了表面湿润性改善处理，且高导热性导热带与高产热芯片模块采用软钎焊连接，采用该方法将高导热性导热带与高产热芯片模块进行焊接，可以得到超低热阻的连接界面，将热量从高产热芯片模块中的大功率电子器件导向机壳外部的散热区，使高产热芯片模块始终处于适宜的工作温度，从而提高了焊接接头的强度，保证了热传输的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种多功能结构被动散热装置的结构示意图；

图2附图为本发明提供的一种多功能结构被动散热装置内高导热性导热带的焊接方法的流程示意图；

图3附图为本发明实施例中使用Ag-Cu-Ti钎料采用真空钎焊技术将石墨烯膜与薄铜片焊接得到的焊接接头层结构示意图；

图4附图为本发明实施例中镀镍工艺的操作流程示意图；

图5附图为本发明实施例中镀镍层和铝合金复合结构的层结构示意图；

图6附图为本发明实施例中软钎焊得到的复合焊接接头的层结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一方面，参见附图1，本发明实施例公开了一种多功能结构被动散热装置，该装置包括多功能结构本体1、盖板2和高导热性导热带3，多功能结构本体1包括顶部开口的机壳11和设于机壳11内部的高产热芯片模块12，盖板2扣置于机壳1的顶部，盖板2中部开设有条形孔21，高导热性导热带3一端伸入机壳11内部并与高产热芯片模块12焊接固定，其另一端从条形孔21伸出延伸至机壳11外部，高导热性导热带3由轻质柔性高导热的石墨烯膜制成。

具体地，高产热芯片模块12包括电子元器件122和金属基体121，电子元器件122固定安装于金属基体121上，金属基体121通过连接层4与高导热性导热带3焊接固定。

较优地，高导热性导热带3与金属基体121的焊接方式为软钎焊。

较优地，金属基体121由铝合金或铝基石墨烯复合材料制成。

在本实施例中，整个装置中高导热性导热带、焊接层与金属基体形成的复合焊接结构的热膨胀系数要求相互匹配，避免机壳内大功率的电子元器件快速升降温导致热应力蓄积产生脱离失效的问题。

另一方面，参见附图2，本发明实施例还公开了一种上述的多功能结构被动散热装置内高导热性导热带的焊接方法，该方法包括：

S1：通过真空钎焊将高导热性导热带与薄铜片有效连接，改善高导热性导热带与高产热芯片模块连接界面的表面湿润性；

S2：采用化学镀镍法对高产热芯片模块上与高导热性导热带连接的表面进行镀镍操作，在高产热芯片模块表面得到镀镍层，改善高产热芯片模块与高导热性导热带连接界面的表面湿润性；

S3：将连接薄铜片的高导热性导热带与镀镍处理后的高产热芯片模块进行焊接，得到高导热性导热带与高产热芯片模块的焊接头。

在本实施例中，真空钎焊使用Ag-Cu-Ti钎料完成。

较优地，步骤S2中，采用化学镀镍法得到的镀镍层厚度为5-15μm，本实施例中镀镍层厚度优选为10μm。

具体地，步骤S3中，将连接薄铜片的高导热性导热带与镀镍处理后的高产热芯片模块进行焊接，焊接方式为使用Sn-Pb钎料的软钎焊。

下面通过一个具体的实施例来对上述方法的工艺流程做详细说明。

本实施例中高导热性导热带材料为轻质柔性高导热的石墨烯膜，高产热芯片模块的金属基体为航天级铝合金(以6061-T6铝合金为例)。如图1所示，首先将石墨烯膜制成的高导热性导热带焊接到6061-T6铝合金制成的金属基体上；然后，将此焊接结构封装到多功能结构本体的机壳内部，并将轻质柔性石墨烯膜制成的高导热性导热带从盖板的条形孔中伸出，高产热芯片模块产生的热量通过石墨烯膜制成的高导热性导热带传导到多功能结构本体的外部，从而将热量辐射到太空中，实现多功能结构的热控。

实现轻质柔性高导热石墨烯膜制成的高导热性导热带与6061-T6铝合金制成的金属基体焊接的过程中，以石墨烯膜与铝合金连接处为例。方法流程如下：

首先，使用Ag-Cu-Ti钎料，采用真空钎焊技术，将石墨烯膜与薄铜片进行焊接，改善石墨烯膜的表面润湿性，焊接接头如图3所示，形成了石墨烯膜+钎焊层+薄铜片的复合结构。

真空钎焊的工艺参数为：真空度：5×10^-3Pa，焊接温度：860℃，保温时间：15min。

Ag-Cu-Ti钎料熔点为800℃，各元素质量分数为68.83％Ag、26.77％Cu、4.4％Ti。

其次，采用化学镀镍的方法改善铝合金与石墨烯膜连接界面的润湿性，镀镍工艺流程如图4所示，整个镀镍过程如下：

打磨：先用自洁布打磨金属基体的表面；

冷水洗：将打磨好后的金属基体表面用12-55℃的冷水进行清洗；

除油：对清洗后的金属基体表面进行除油处理，直至油污除净(水膜连续无间断时)；

热水洗：对除油处理后的金属基体表面用40-60℃的热水进行清洗；

碱腐蚀：对清洗后的金属基体表面在50-60℃的条件下进行碱腐蚀处理，处理时间为0.5-1min；

热水洗：对碱腐蚀处理后的金属基体表面用40-60℃的热水进行清洗；

冷水洗：然后对金属基体表面用12-35℃的冷水进行清洗；

出光：对水洗后的金属基体表面进行出光处理，处理温度为12-35℃，处理时间为10-20s；

冷水洗：对出光处理后的金属基体表面用12-35℃的冷水进行清洗；

一次浸锌：对碱腐蚀处理后的金属基体表面进行浸锌处理，温度为12-35℃，处理时间为0.5-1min；

热水洗：对一次浸锌处理后的金属基体表面用40-60℃的热水进行清洗；

冷水洗：然后对金属基体表面用12-30℃的冷水进行清洗；

退锌：对水洗后的金属基体表面进行退锌处理，处理温度为12-35℃，时间为10-20s；

冷水洗：对退锌处理后的金属基体表面用12-35℃的冷水进行清洗；

二次浸锌：对水洗后的金属基体表面进行二次浸锌处理，处理温度为12-35℃，处理时间为15-20s；

热水洗：对二次浸锌处理后的金属基体表面用40-60℃的热水进行清洗；

冷水洗：然后用12-35℃的冷水对金属基体表面进行清洗；

化学镀镍：对水洗后的金属基体表面进行化学镀镍，温度为70-75℃，时间为2h；

冷水洗：对化学镀镍后的金属基体表面用12-35℃的冷水进行清洗；

酒精清洗：对水洗后的金属基体表面用酒精再次清洗；

压缩空气吹干：对酒精清洗后的金属基体表面用压缩空气吹干；

烘干：对吹干后的金属基体表面在165℃的温度条件下烘干处理1h。

经过上述工艺得到的镀镍层的厚度约为10μm，得到的镀镍层+铝合金复合结构如图5所示。

最后，将制备好的上述石墨烯膜/Cu与铝合金/Ni材料在电热板上进行软钎焊，采用50％的磷酸钎剂和锡铅钎料(60％Sn，40％Pb)，焊接温度为300℃，焊接试样如图6所示，形成了石墨烯膜+硬钎焊层+薄铜片+软钎焊层+镀镍层+6061-T6铝合金的复合焊接接头。

为了验证上述实施例得到的复合焊接接头的热扩散性能，将激光闪射法对石墨烯膜+铝合金传统焊接接头、粘接接头及本实施例中得到的复合焊接头采用相同的测试方法进行热扩散系数测量，传统焊接接头、粘接接头及复合接头的热扩散系数分别为64.07mm²/s、52mm²/s和103.84mm²/s。通过测试结果可以清楚的看到，采用本实施例提供的焊接方法得到的复合焊接接头热扩散系数要远高于传统焊接接接头和粘接接头。同时复合焊接接头的强度、界面热阻、弯折次数等技术指标均可以满足实际使用要求。

因此，本实施例中轻质柔性石墨烯膜高导热性导热带与高产热芯片模块的金属基体超低热阻界面的焊接方式，将热量从大功率的电子元器件导向外部的散热区，使电子元器件始终处于适宜的工作温度，解决了航天器多功能结构的散热问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种多功能结构被动散热装置，其特征在于，包括：多功能结构本体(1)、盖板(2)和高导热性导热带(3)，所述多功能结构本体(1)包括顶部开口的机壳(11)和设于所述机壳(11)内部的高产热芯片模块(12)，所述盖板(2)扣置于所述机壳(11)的顶部，所述盖板(2)中部开设有条形孔(21)，所述高导热性导热带(3)一端伸入所述机壳(11)内部并与所述高产热芯片模块(12)焊接固定，其另一端从所述条形孔(21)伸出延伸至所述机壳(11)外部，所述高导热性导热带(3)由石墨烯膜制成；

所述高产热芯片模块(12)包括电子元器件和金属基体，所述电子元器件固定安装于所述金属基体上，所述金属基体与所述高导热性导热带(3)焊接固定；

所述高导热性导热带(3)与所述金属基体的焊接方式为软钎焊。

2.根据权利要求1所述的一种多功能结构被动散热装置，其特征在于，所述金属基体由铝合金或铝基石墨烯复合材料制成。

3.一种如权利要求1或2所述的多功能结构被动散热装置内高导热性导热带的焊接方法，其特征在于，包括：

步骤1：通过真空钎焊将高导热性导热带与薄铜片有效连接；

步骤2：采用化学镀镍法对高产热芯片模块上与高导热性导热带连接的表面进行镀镍操作，在高产热芯片模块表面得到镀镍层；

步骤3：将连接薄铜片的高导热性导热带与镀镍处理后的高产热芯片模块进行焊接，得到高导热性导热带与高产热芯片模块的复合焊接头；

所述步骤3中，将连接薄铜片的高导热性导热带与镀镍处理后的高产热芯片模块进行焊接，焊接方式为使用Sn-Pb钎料的软钎焊。

4.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤2中，采用化学镀镍法得到的镀镍层厚度为5-15μm。

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