CN112719821A - 一种超薄真空腔均热板复合材料及其密封成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超薄真空腔均热板复合材料及其密封成型方法，属于集成电路电子封装领域。本发明超薄真空腔均热板复合材料包括VC均热板和异型焊料环，异型焊料环放置在VC均热板上下壳体的之间，异型焊料环与VC均热板上下壳体之间通过钎焊密封连接。其密封成型方法包括：VC均热板上下壳体表面处理；异型焊料环成形及预处理；VC均热板壳体和异型焊料环复合成型；VC均热板真空密真空密封成型。该方法具有良好的工艺性能、优异的复合密封性，解决了VC均热板上下壳板、密封材料定位不准的问题，有利于提高VC均热板合格率和质量，从而保证高热流密度电子器件的散热效果；该方法适合规模化批量生产应用。

Description

一种超薄真空腔均热板复合材料及其密封成型方法
技术领域
本发明涉及一种超薄真空腔(VC)均热板复合材料及其密封成型方法，主要用于新一代电子器件液冷装置的复合及密封成型，属于集成电路电子封装领域。
背景技术
随着电子器件朝着集成化、功能复杂化、薄型化设计以及更高功率发展，如何实现高热流密度电子设备的高效散热成为电子技术发展的关键所在。
早期电子设备如手机散热普遍以石墨为主要材料，可以称其为第一代散热，铜管液冷就是第二代散热技术，真空腔均热板(VC)液冷可以被看作铜管液冷的升维技术，可以更好的将热量从四面八方带走，作为电子设备的新型散热方式，在高端电子领域应用越来越广泛。超薄高真空均热板作为一种高效的相变散热装置已经广泛应用于电子设备散热当中，均热板的复合及真空密封成型对均热板的传热性能起着至关重要的作用。
目前VC均热板的一体化成型方法主要有扩散烧结法、直接焊接法、焊膏连接法等。其中，扩散烧结法大多适用于均热板材质为铜或铜合金的连接、需要较高的压力且对设备要求较高、能耗较大；直接焊接法存在上下壳板、密封材料定位不准的问题；焊膏连接法多采用在壳体边缘涂覆焊膏实现连接，此方法在连接过程中伴随焊膏中的助焊剂挥发，对均热板腔体易造成污染和影响其真空性能；不能满足高真空VC均热板的散热需求。
发明内容
本发明针对VC均热板的一体化成型过程中设备要求较高、能耗较大、焊膏易挥发的易导致真空度受影响等问题，提供一种超薄真空腔均热板(vapor chamber以下简称VC均热板)的复合材料及其密封成型方法。
本发明提供的超薄VC均热板的一体化成型制备方法具有良好的工艺性能、优异的复合密封性，解决了VC均热板上下壳板、密封材料定位不准的问题以及避免了助焊剂挥发对真空腔真空度影响，从而保证高热流密度电子器件的散热效果，符合电子行业的高散热应用需求。
本发明采用激光点焊及真空钎焊技术，通过激光点焊方法将焊料环与VC均热板不锈钢壳体复合，利用预先复合方法实现异型焊料环与VC均热板的预成型，实现VC均热板上下壳板与密封材料的精准定位；复合后采用真空钎焊的方法实现密封成型，利用焊料环对VC均热板不锈钢壳体的润湿性能，利用活性元素镓与不锈钢中镍元素之间的相互扩散及固溶能力，提高界面结合力及强度，从而保证VC均热板的高真空密封并提高VC均热板材料的散热性能。
本发明的目的主要通过以下技术方案实现：
一种超薄真空腔(VC)均热板复合材料，包括VC均热板和异型焊料环，所述的异型焊料环设置在VC均热板上、下壳体之间，所述的异型焊料环与VC均热板上、下壳体之间通过真空钎焊密封连接。先通过激光点焊将焊料环与一个壳体复合预成型，再将预成型的VC均热板的壳体与VC均热板的另一个壳体通过钎焊密封连接。
所述的VC均热板包括上壳体、下壳体两部分，上、下壳体端部设置有凹槽作为冷却介质出入通道，内部设置有冷却微通道实现冷却介质的循环；所述VC均热板的上、下壳体均为不锈钢材质，且不锈钢上、下壳体的厚度均为0.1～0.2mm。
所述的异型焊料环的形状和尺寸与VC均热板的边缘对应，即焊料环的形状和尺寸与VC均热板上、下壳体边缘部分的形状和尺寸相同，焊料环放置在VC均热板上或下壳体上时，焊料环的外边缘可与VC均热板上或下壳体的外边缘对齐，以保证异形焊料环恰好能够装在VC均热板上、下壳体的之间。
所述焊料环的材质为铜银镓、铜银镓镍或铜银镓硅，焊料环的熔化温度为760～780℃。焊料环的厚度为0.03～0.05mm，宽度约为2±0.1mm。
上述超薄VC均热板复合材料的密封成型方法，该方法主要包括以下步骤：
(1)VC均热板上、下壳体表面处理：对VC均热板的上、下壳体进行表面处理；
(2)异型焊料环成型及预处理：制备异形焊料环，所述的异型焊料环的形状和尺寸大小与VC均热板上、下壳体边缘部分的形状和尺寸相同(对应)；对异型焊料环进行预处理；
(3)VC均热板壳体与异型焊料环复合预成型：将VC均热板上壳体或下壳体与异型焊料环的边缘对齐装配为一体，通过激光点焊进行复合预成型；
(4)VC均热板整体真空钎焊连接密封成型：将VC均热板下壳体或上壳体装配在复合预成型的VC均热板上壳体或下壳体上，VC均热板的上、下壳体之间通过真空钎焊连接，密封成一体。
步骤(1)中，所述的VC均热板包括上壳体、下壳体两部分，上、下壳体端部设置有凹槽作为冷却介质出入通道，内部设置有冷却微通道实现冷却介质的循环；所述VC均热板的上、下壳体均为不锈钢材质，均热板的上壳体及下壳体的厚度均为0.1～0.2mm。
步骤(1)中，对VC均热板上、下壳体进行表面处理的方法为：依次使用酒精、丙酮超声清洗5-15min，优选为10min后风干。
步骤(2)中，所述焊料环的材质为铜银镓、铜银镓镍或铜银镓硅，其中银含量在40wt％以下，主要成分为铜；焊料环的熔化温度为760～780℃。
所述焊料环的厚度为0.03～0.05mm，宽度约为2±0.1mm，外形尺寸与VC均热板上、下壳体的边缘部分对应，以保证异形焊料环恰好能够装在VC均热板上、下壳体的之间。
所述焊料环采用激光切割或者冲制的方法成形，激光切割的电流为40～45A，焦距为40～50mm，保护气氛为氩气，保护气氛压力8.0～10.0MPa，循环次数3～5次。
所述异型焊料环预处理方法为：将切割或冲制的异型焊料环依次采用中性洗液去油、清水洗涤、丙酮清洗、乙醇清洗的方法对焊料环表面进行处理，保证表面清洁，无油污、灰尘等污染物。
步骤(3)中，将焊料环的外边缘与VC均热板上或下壳体的外边缘对齐，通过激光点焊将VC均热板壳体和异型焊料环复合预成型，所述的激光点焊在氩气保护下进行，点焊的功率为0.5～0.7kW，频率为10Hz，脉冲间隔时间为1～3ms。
步骤(4)中，将VC均热板下壳体(或上壳体)的外边缘与焊料环的外边缘对齐，即VC均热板下壳体(或上壳体)与复合预成型的VC均热板上壳体(或下壳体)和异型焊料装备成一体后，通过真空钎焊进行密封成型，所述的真空钎焊采用高真空热处理炉，抽真空至1.0×10-4Pa以下，升温至200±50℃保温20-30min，然后以10～15℃/min速度升温至830-850℃，保温5～10min，最后随炉冷却至室温。
本发明的有益效果：
1、本发明复合方法有利于实现VC均热板上下壳板与密封材料的精准定位，解决传统方法定位不准的问题；并利于保证VC均热板的高真空度。
2、本发明复合过程中使用的焊料环，为新型不锈钢连接材料，特别适合于不锈钢的连接，且银含量在40％以下，主成分为铜，成本可控。
3、本发明焊料形状特别是宽度控制在2±0.1mm，可防止钎焊过程中焊料溢出过多导致均热板通道堵塞的问题，为均热板的冷却效果提供有力保障。
4、本发明方法适合超薄高真空VC均热板的成型，特别适用于新型不锈钢均热板的成型。
5、本发明方法创造性的结合激光切割和激光点焊技术实现均热板的复合成形，操作简单，效率高，适用于新一代电子器件液冷装置的复合及密封成型。
6、本发明方法制备的超薄高真空VC均热板可以实现高热流密度下的有效散热，提高电子器件的散热效果，提高其工作性能。
本发明方法具有良好的工艺性能、优异的复合密封性，解决了VC均热板上下壳板、密封材料定位不准的问题，有利于提高VC均热板合格率和质量，从而保证高热流密度电子器件的散热效果；同时该方法操作简单，工艺流程短，提高了生产效率和缩短了封装周期，适合规模化批量生产应用。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。
图2为本发明的不锈钢均热板上或下壳体的示意图，其中斜线区域为焊环放置区域。
具体实施方式
以下结合具体实施方式和附图详细叙述本发明的技术方案。
本发明超薄真空腔均热板的复合及其密封成型方法，该方法包括复合材料的成型和密封，其中复合材料由VC均热板壳体和异型焊料环组成。如图1所示，超薄真空腔均热板的复合及其密封成型方法主要包括以下步骤：1)VC均热板上下壳体表面处理；2)异型焊料环成形及预处理：铜银镓系列异型焊料环激光切割或冲制成形，铜银镓系列异型焊料环表面处理；3)VC均热板壳体和异型焊料环复合成型：激光点焊复合预成型；4)VC均热板真空密真空密封成型：真空钎焊密封成型。
上述超薄VC均热板复合及其密封成型方法，包括复合材料的成型和密封，主要包括以下步骤：
1)VC均热板上下壳体表面处理；超薄VC均热板上下壳体均为不锈钢，不锈钢壳体的厚度为：0.1～0.2mm；VC均热板上下壳体表面处理方法为依次使用酒精、丙酮超声清洗10min后风干。
2)异型焊料环成形及预处理，异型焊料环的大小及形状规格与VC均热板上下壳体边缘对应；焊料环为铜银镓、铜银镓镍或铜银镓硅，焊料环的熔化温度为760～780℃。焊料环的厚度为0.03～0.05mm，宽度约为2mm，外形尺寸与VC均热板上下壳体的边缘部分相对应。如图2所示，在VC均热板上或下壳体边缘部分的斜线区域放置焊料环，焊料环的外边缘与VC均热板上或下壳体的外边缘对齐，以保证异形焊料环恰好能够装在VC均热板上、下壳体的之间。
焊料环采用激光切割或者冲制的方法成形，其中激光切割的电流为40～45A，焦距40～50mm，保护气氛为氩气，保护气氛的压力为8.0～10.0MPa，循环次数3～5次。异型焊料环预处理方法为：将切割或冲制的异型焊料环依次采用中性洗液去油、清水洗涤、丙酮清洗、乙醇清洗的方法对焊料环表面进行处理，保证表面清洁，无油污、灰尘等污染物。
3)VC均热板壳体和异型焊料环通过激光点焊复合预成型；焊料环的外边缘与VC均热板上或下壳体的外边缘对齐后，通过激光点焊将VC均热板壳体和异型焊料环复合预成型，具体方法为在氩气保护下，调整点焊的最大功率为0.5～0.7kW，频率10Hz，脉冲间隔时间1～3ms。
4)VC均热板整体真空钎焊连接密封成型。成型方法为：1)将复合预成型的VC均热板上壳体和异型焊料与下壳体装备成一体，VC均热板下壳体(或上壳体)的外边缘与焊料环的外边缘对齐；2)将装配好的工件放入高真空热处理炉，抽真空至1.0×10-4Pa，升温至200℃保温30min，然后以10～15℃/min速度升温至850℃，保温5～10min，最后随炉冷却至室温。
实施例1
首先将超薄VC均热板上、下壳体依次使用酒精、丙酮超声清洗10min后风干备用；将0.03mm厚的铜银镓焊料片进行激光切割，激光切割的电流为40A，焦距45mm，保护气氛压力8.0MPa，循环切割3次，得到宽度为2mm的焊料环，焊料环的形状和尺寸与VC均热板上、下壳体的边缘部分的形状和尺寸相同，如图2所示斜线部分为焊料环放置区域，异形焊料环恰好能够装在VC均热板上、下壳体的之间；将激光切割好的铜银镓异型焊料环依次采用中性洗液去油、清水洗涤、丙酮清洗、乙醇清洗的方法对焊料环表面进行处理后备用。然后采用激光点焊的方法，将异形焊料环片与0.1mm厚VC均热板上壳体复合预成型，将异型焊料环装配在VC均热板上壳体上进行激光点焊，激光点焊在氩气保护下，点焊的功率为0.5kW，频率10Hz，脉冲间隔时间2ms。最后将复合壳体与均热板另一半壳体装配好后放入真空钎焊炉内，进行钎焊连接，钎焊真空度为1.0×10-4Pa，先升温至200℃保温30min，然后以10～15℃/min速度升温至850℃，保温5～10min，最后随炉冷却至室温，完成超薄VC均热板的密封成型。
实施例2
首先将超薄VC均热板上下壳体依次使用酒精、丙酮超声清洗10min后风干备用；将0.05mm厚的铜银镓硅焊料片使用合适的模具冲制成型，得到宽度为2mm的焊料环，焊料环的形状和尺寸与VC均热板上、下壳体的边缘部分的形状和尺寸相同，如图2所示斜线部分为焊料环放置区域，异形焊料环恰好能够装在VC均热板上、下壳体的之间；将冲制好的铜银镓硅异型焊料环依次采用中性洗液去油、清水洗涤、丙酮清洗、乙醇清洗的方法对焊料环表面进行处理后备用。然后采用激光点焊的方法，将异型焊料环片与0.1mm厚VC均热板上壳体复合预成型，将异型焊料环装配在VC均热板上壳体上进行激光点焊，激光点焊在氩气保护下，点焊的功率为0.7kW，频率10Hz，脉冲间隔时间2ms。最后将复合壳体与均热板另一半壳体装配好后放入真空钎焊炉内，进行钎焊连接，钎焊真空度为1.0×10-4Pa，先升温至200℃保温30min，然后以10～15℃/min速度升温至850℃，保温5～10min，最后随炉冷却至室温，完成超薄VC均热板的密封成型。
实施例3
首先将超薄VC均热板上下壳体依次使用酒精、丙酮超声清洗10min后风干备用；将0.04mm厚的铜银镓镍焊料片使用合适的模具冲制成型，得到宽度为2mm的焊料环，焊料环的形状和尺寸与VC均热板上、下壳体的边缘部分的形状和尺寸相同，如图2所示斜线部分为焊料环放置区域，焊料环放置区域尺寸相同，异形焊料环恰好能够装在VC均热板上、下壳体的之间；将冲制好的的铜银镓镍异型焊料环依次采用中性洗液去油、清水洗涤、丙酮清洗、乙醇清洗的方法对焊料环表面进行处理后备用。然后采用激光点焊的方法，将异型焊料环片与0.2mm厚VC均热板下壳体复合预成型，将异型焊料环装配在VC均热板下壳体上并进行激光点焊，激光点焊在氩气保护下，最大功率设定为0.6kW，频率10Hz，脉冲间隔时间2ms。最后将复合壳体与均热板另一半壳体装配好后放入真空钎焊炉内，进行钎焊连接，钎焊真空度为1.0×10-4Pa，先升温至200℃保温30min，然后以10～15℃/min速度升温至850℃，保温5～10min，最后随炉冷却至室温，完成超薄VC均热板的密封成型。
性能测试:
分别使用实施例1-3制备的超薄VC均热板进行真空漏率测试，取得实验数据见表1。
表1
Figure BDA0002840663390000061
Figure BDA0002840663390000071
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：凡是利用本发明说明书内容所做的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和替换均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超薄真空腔均热板复合材料，其特征在于：包括VC均热板和异型焊料环，所述的异型焊料环设置在VC均热板上、下壳体之间，所述的异形焊料环与VC均热板上、下壳体之间通过钎焊密封连接。
2.根据权利要求1所述的超薄真空腔均热板复合材料，其特征在于：所述的VC均热板包括上壳体、下壳体两部分，上、下壳体端部设置有凹槽作为冷却介质出入通道，内部设置有冷却微通道实现冷却介质的循环；所述VC均热板的上、下壳体均为不锈钢材质，且上、下壳体的厚度均为0.1～0.2mm。
3.根据权利要求1所述的超薄真空腔均热板复合材料，其特征在于：所述的异型焊料环的形状和尺寸与VC均热板边缘部分的形状和尺寸相同。
4.根据权利要求3所述的超薄真空腔均热板复合材料，其特征在于：所述的异形焊料环的材质为铜银镓、铜银镓镍或铜银镓硅，焊料环的熔化温度为760～780℃。
5.根据权利要求4所述的超薄真空腔均热板复合材料，其特征在于：所述的异形焊料环的厚度为0.03～0.05mm，宽度为2±0.1mm。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的超薄真空腔均热板复合材料的密封成型方法，包括以下步骤：
(1)VC均热板上、下壳体表面处理：对VC均热板的上、下壳体进行表面处理；
(2)异型焊料环成形及预处理：制备异形焊料环，所述的异型焊料环的形状和尺寸与VC均热板上、下壳体边缘部分的形状和尺寸相同；对异型焊料环进行预处理；
(3)VC均热板壳体与异型焊料环复合预成型：将VC均热板上壳体或下壳体与异形焊料环的边缘对齐装配为一体，然后通过激光点焊进行复合预成型；
(4)VC均热板整体真空钎焊连接密封成型：将VC均热板下壳体或上壳体装配在复合预成型的VC均热板上壳体或下壳体上，VC均热板的上、下壳体之间通过真空钎焊连接，密封成一体。
7.根据权利要求6所述的超薄真空腔均热板复合材料的密封成型方法，其特征在于：所述的VC均热板上、下壳体进行表面处理的方法为：依次使用酒精、丙酮超声清洗5-15min后风干。
8.根据权利要求6所述的超薄真空腔均热板复合材料的密封成型方法，其特征在于：所述的异形焊料环采用激光切割或者冲制的方法成形，激光切割的电流为40～45A，焦距为40～50mm，保护气氛为氩气，保护气氛压力8.0～10.0MPa，循环次数3～5次；所述的异型焊料环预处理方法为：将切割或冲制的异型焊料环依次采用中性洗液去油、清水洗涤、丙酮清洗、乙醇清洗的方法对焊料环表面进行处理，保证表面清洁。
9.根据权利要求6所述的超薄真空腔均热板复合材料的密封成型方法，其特征在于：所述的激光点焊在氩气保护下进行，点焊的功率为0.5～0.7kW，频率为10Hz，脉冲间隔时间为1～3ms。
10.根据权利要求6所述的超薄真空腔均热板复合材料的密封成型方法，其特征在于：所述的真空钎焊为采用高真空热处理炉，抽真空至1.0×10-4Pa以下，升温至200±50℃保温20-30min，然后以10～15℃/min速度升温至830-850℃，保温5～10min，最后随炉冷却至室温。
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