一種超高導(dǎo)熱微通道用金剛石銅復(fù)合材料的焊接方法
1.本發(fā)明涉及材料焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超高導(dǎo)熱微通道用金剛石銅復(fù)合材料的焊接方法。
背景技術(shù)：
2.隨著電子芯片性能的提升和尺寸的微型化，對(duì)微電子系統(tǒng)的散熱性能提出了越來越高的要求，gan芯片級(jí)的平均熱流密度已經(jīng)達(dá)到了500w/cm2，局部熱流密度甚至?xí)^1000w/cm2。傳統(tǒng)電子封裝材料如：金屬、合金、陶瓷等由于其熱導(dǎo)率較低(《400w/(m
·
k))已經(jīng)無法滿足高性能芯片的要求。研究結(jié)果表明，引入微通道熱沉，通過微通道熱沉里的冷卻液可以將芯片產(chǎn)生的熱量帶走；同時(shí)新第一代電子器件熱管理材料的代表金剛石/銅復(fù)合材料具有較高的熱導(dǎo)率(》500w(m
·
k))、低熱膨脹系數(shù)(與半導(dǎo)體芯片相匹配)和密度，是最佳的熱沉材料之一。采用金剛石/銅高導(dǎo)熱材料為熱沉，設(shè)計(jì)帶有微通道冷卻的熱沉結(jié)構(gòu)，有望解決微電子芯片超高熱流密度的散熱問題。
3.熱沉微通道即金剛石銅之間的可靠連接直接決定了高熱流密度芯片的可靠性。金剛石銅熱沉接觸面封裝不好會(huì)造成以下影響：一是會(huì)增加散熱時(shí)的接觸熱阻，使散熱效果大打折扣；二是微通道里的冷卻液可能會(huì)產(chǎn)生泄露，造成器件打火燒毀及焊點(diǎn)和線纜的腐蝕損壞。
4.目前，常規(guī)通道封焊以釬焊為主，其在成形性能和成本上都具有一定優(yōu)勢(shì)，但是在成形微通道時(shí)會(huì)造成微通道傾斜、變窄、虛焊等。采用激光焊接和電子束焊接進(jìn)行封裝的優(yōu)點(diǎn)是能量集中，焊接速度快，熱影響區(qū)小，但是由于熔焊技術(shù)會(huì)造成對(duì)金剛石與銅界面的損壞，破壞熱沉的散熱性能。采用擴(kuò)散焊技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在真空條件下，對(duì)被焊材料加熱加壓并保溫一段時(shí)間，通過被焊接材料界面處的原子擴(kuò)散而形成可靠地連接面。而傳統(tǒng)擴(kuò)散焊需要加熱爐整體加熱，導(dǎo)致其加熱時(shí)間長(zhǎng)、溫度高，從而使金剛石表面產(chǎn)生石墨化，降低散熱性能。
5.為了解決電子芯片的散熱問題，亟需開發(fā)出新的金剛石銅復(fù)合材料的焊接技術(shù)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
6.為此，本發(fā)明提供一種超高導(dǎo)熱微通道用金剛石銅復(fù)合材料的焊接方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷。
7.一種超高導(dǎo)熱微通道用金剛石銅復(fù)合材料的焊接方法，包括以下步驟：
8.s100、使用sic砂紙對(duì)金剛石銅表面進(jìn)行拋光，拋光完成后，使用超聲波清洗機(jī)分別依次使用丙酮、去離子水、酒精清洗金剛石銅；
9.s200、將石墨模具和金剛石銅依次放入放電等離子燒結(jié)爐中進(jìn)行焊接，焊接壓力為7.5～12.5mpa，升溫速率為20～50℃/min，焊接溫度為700～800℃，保溫時(shí)間為30～90min，爐內(nèi)氣氛為真空，焊接完成后樣品隨爐在真空環(huán)境下冷卻，冷卻至室溫后取出焊接好的金剛石銅復(fù)合材料。
10.優(yōu)選的，所述s200中，焊接溫度為750～800℃，保溫的時(shí)間為60～90min。
11.優(yōu)選的，在進(jìn)行所述s100前，可對(duì)待拋光的金剛石銅進(jìn)行預(yù)清洗，即先使用超聲波清洗機(jī)采用離子水對(duì)金剛石銅進(jìn)行清洗，再對(duì)清洗后的金剛石銅進(jìn)行酸洗處理，最后用清水將金剛石銅的表面沖洗干凈。
12.優(yōu)選的，所述酸洗處理采用的酸洗液的配方為15％體積比硫酸，85％體積比水。
13.優(yōu)選的，所述s100中，酒精清洗后的金剛石銅采用真空干燥箱烘干。
14.優(yōu)選的，所述s100中，依次采用400目、800目、1200目、2000目的sic砂紙對(duì)金剛石銅進(jìn)行逐級(jí)打磨拋光。
15.優(yōu)選的，所述s200中，在石墨模具與金剛石銅之間使用一層石墨紙進(jìn)行隔開，或在石墨模具與金剛石銅接觸面上噴上氮化硼。
16.優(yōu)選的，所述s200中，焊接時(shí)，通入的脈沖電流的峰值電流應(yīng)隨著溫度的升高逐級(jí)增加，避免瞬時(shí)電流過高，使復(fù)合材料中的銅產(chǎn)生瞬時(shí)液化現(xiàn)象。
17.優(yōu)選的，焊接時(shí)，通入的脈沖電流的占空比為18ms：18ms～18ms：3ms。
18.本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
19.(1)本發(fā)明可以使金剛石銅在固態(tài)進(jìn)行焊接，不破壞復(fù)合材料中金剛石與銅的連接面；
20.(2)相比傳統(tǒng)擴(kuò)散焊，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)快速加熱、焊接和冷卻，確保金剛石銅散熱性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了可靠焊接。
附圖說明
21.圖1為金剛石銅sps擴(kuò)散焊的模具組裝示意圖；
22.圖2為sem觀察的金剛石銅待焊接表面；
23.圖3為sps擴(kuò)散焊的加熱曲線；
24.圖4為sps擴(kuò)散焊過程中脈沖電流曲線；
25.圖5為焊接接頭的剪切強(qiáng)度和變形率；
26.圖6為sem觀察的金剛石銅焊接接頭界面。
27.圖中：
28.1-上壓頭；2-第一上模具；3-第二上模具；4-金剛石銅；5-第二下模具；6-第一下模具；7-下壓頭；8-隔熱屏；9-熱電偶。
具體實(shí)施方式
29.為使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實(shí)施方式，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
30.如圖1至圖6所示，本發(fā)明提供了一種超高導(dǎo)熱微通道用金剛石銅復(fù)合材料的焊接方法，包括以下步驟：
31.s100、依次采用400目、800目、1200目、2000目的sic砂紙對(duì)金剛石銅表面進(jìn)行逐級(jí)打磨拋光，拋光完成后，使用超聲波清洗機(jī)分別依次使用丙酮、去離子水、酒精清洗金剛石銅，酒精清洗后的金剛石銅采用真空干燥箱烘干；
32.在進(jìn)行所述s100前，也可對(duì)待拋光的金剛石銅進(jìn)行預(yù)清洗，即先使用超聲波清洗
機(jī)采用離子水對(duì)金剛石銅進(jìn)行清洗，再對(duì)清洗后的金剛石銅進(jìn)行酸洗處理，酸洗處理采用的酸洗液的配方為15％體積比硫酸，85％體積比水。最后用清水將金剛石銅的表面沖洗干凈。
33.s200、將石墨模具和金剛石銅依次放入放電等離子燒結(jié)爐中進(jìn)行焊接。
34.焊接前，在石墨模具與金剛石銅之間使用一層石墨紙進(jìn)行隔開，或在石墨模具與金剛石銅接觸面上噴上少量的氮化硼。
35.焊接壓力為7.5～12.5mpa，升溫速率為20～50℃/min，焊接溫度為700～800℃，保溫時(shí)間為30～90min。
36.焊接時(shí)，通入的脈沖電流的峰值電流應(yīng)隨著溫度的升高逐級(jí)增加，避免瞬時(shí)電流過高，使復(fù)合材料中的銅產(chǎn)生瞬時(shí)液化現(xiàn)象。通入的脈沖電流的占空比為18ms：18ms～18ms：3ms。
37.更為優(yōu)選的，所述s200中，焊接溫度為750～800℃，保溫的時(shí)間為60～90min。
38.爐內(nèi)氣氛為真空，焊接完成后樣品隨爐在真空環(huán)境下冷卻，冷卻至室溫后取出焊接好的金剛石銅復(fù)合材料。
39.實(shí)施例1
40.待焊接試樣的預(yù)處理包括打磨拋光和清洗。將帶焊接面用sic砂紙進(jìn)行打磨以去除表面的氧化膜和污漬，打磨時(shí)依次選用400目、800目、1200目、2000目砂紙，每次打磨時(shí)間為5min。打磨完成后，將試樣放入超聲波清洗機(jī)中清洗，清洗時(shí)先用丙酮清洗10min，再用去離子水清洗10min，最后用酒精清洗10min。清洗完成后將試樣放入真空干燥箱中烘干備用。
41.圖2為此時(shí)金剛石銅待焊接表面的微觀形貌。
42.如圖1所示，將第二上模具3、第二下模具5與中部金剛石銅4接觸面的表面噴上一層約0.5mm的氮化硼，防止焊接過程溫度較高，金剛石銅4與第二上模具3、第二下模具5焊接在一起。待氮化硼干燥后，將金剛石銅4的待焊接面貼合放在第二下模具5上，隨模具一起放入sps真空燒結(jié)爐中，將熱電偶9搭接在金剛石銅4上。為保證受力均勻，放入時(shí)需保證上上壓頭1與下壓頭7之間的中線、第一上模具2與第一下模具6之間的中線以及第二上模具3與第二下模具5之間的中線與金剛石銅4的中心位于一條直線上。模具與金剛石銅安裝好后，關(guān)閉隔熱屏8與爐門，爐門關(guān)閉后抽真空，當(dāng)真空度小于5
×
10-3
pa時(shí)，開始通入脈沖電流加熱。焊接時(shí)sps上壓頭1與下壓頭7給試樣恒定壓力10mpa，脈沖電流加熱時(shí)升溫速率為50℃/min，降溫速率為50℃/min，脈沖電流的占空比為18ms：18ms，保溫溫度為750℃，保溫時(shí)間為90min(加熱曲線見圖3)。
43.焊接過程中的脈沖電流曲線見圖4，從圖中可以看出在加熱階段脈沖電流隨著時(shí)間的增加而增加，在保溫階段金剛石銅產(chǎn)生塑性變形，焊接界面接觸部位增多，脈沖電流逐漸減小后趨于穩(wěn)定。焊接完成后，試樣隨爐冷卻至室溫后取出。
44.按實(shí)施例1方案得到的焊接接頭進(jìn)行壓縮剪切試驗(yàn)，剪切試驗(yàn)在三思縱橫umt5000微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)的加載速率設(shè)置為0.5mm/min，以最大剪切力除以剪切面積值為剪切強(qiáng)度的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，變形率為焊接前后厚度差除以焊接前厚度的比值。如圖5所示，實(shí)施例1焊接接頭的剪切強(qiáng)度為48.83mpa，變形率為5.25％。將實(shí)施例1的焊接接頭沿垂直于焊接面切開，制樣拋光后用sem觀察焊接界面，如圖6所示可以看出焊接后未出現(xiàn)明顯的焊縫和孔洞，且金剛石與銅結(jié)合良好，這表明焊接后的金剛石銅在保證焊接強(qiáng)度
的同時(shí)，也確保了金剛石銅的散熱性能。
45.實(shí)施例2
46.將帶焊接面用sic砂紙進(jìn)行打磨以去除表面的氧化膜和污漬，打磨時(shí)依次選用400目、800目、1200目、2000目砂紙，每次打磨時(shí)間為5min。打磨完成后，將試樣放入超聲波清洗機(jī)中清洗，清洗時(shí)先用丙酮清洗10min，再用去離子水清洗10min，最后用酒精清洗10min。清洗完成后將試樣放入真空干燥箱中烘干備用。
47.將第二上模具3、第二下模具5與中部金剛石銅4接觸面的表面噴上一層約0.5mm的氮化硼，待氮化硼干燥后將模具與金剛石銅裝入sps爐內(nèi)。爐門關(guān)閉后抽真空，當(dāng)真空度小于5
×
10-3
pa時(shí)，開始通入脈沖電流加熱。焊接時(shí)sps上壓頭1與下壓頭7給試樣恒定壓力10mpa，脈沖電流加熱時(shí)升溫速率為50℃/min，降溫速率為50℃/min，脈沖電流的占空比為18ms：18ms，保溫溫度為750℃，保溫時(shí)間為60min。
48.相比實(shí)施例1，該實(shí)例將保溫時(shí)間從90min降低為60min。如圖5所示，實(shí)施例2焊接接頭的剪切強(qiáng)度降低為44.94mpa，變形率為4.25％。
49.實(shí)施例3
50.將帶焊接面用sic砂紙進(jìn)行打磨以去除表面的氧化膜和污漬，打磨時(shí)依次選用400目、800目、1200目、2000目砂紙，每次打磨時(shí)間為5min。打磨完成后，將試樣放入超聲波清洗機(jī)中清洗，清洗時(shí)先用丙酮清洗10min，再用去離子水清洗10min，最后用酒精清洗10min。清洗完成后將試樣放入真空干燥箱中烘干備用。
51.將第二上模具3、第二下模具5與中部金剛石銅4接觸面的表面噴上一層約0.5mm的氮化硼，待氮化硼干燥后將模具與金剛石銅裝入sps爐內(nèi)。爐門關(guān)閉后抽真空，當(dāng)真空度小于5
×
10-3
pa時(shí)，開始通入脈沖電流加熱。焊接時(shí)sps上壓頭1與下壓頭7給試樣恒定壓力10mpa，脈沖電流加熱時(shí)升溫速率為50℃/min，降溫速率為50℃/min，脈沖電流的占空比為18ms：3ms，保溫溫度為750℃，保溫時(shí)間為60min。
52.相比實(shí)施例2，該實(shí)例將脈沖電流占空比從18ms：18ms改為18ms：3ms。如圖5所示，實(shí)施例3焊接接頭的剪切強(qiáng)度為45.02mpa，變形率為4.75％。
53.實(shí)施例4
54.將帶焊接面用sic砂紙進(jìn)行打磨以去除表面的氧化膜和污漬，打磨時(shí)依次選用400目、800目、1200目、2000目砂紙，每次打磨時(shí)間為5min。打磨完成后，將試樣放入超聲波清洗機(jī)中清洗，清洗時(shí)先用丙酮清洗10min，再用去離子水清洗10min，最后用酒精清洗10min。清洗完成后將試樣放入真空干燥箱中烘干備用。
55.將第二上模具3、第二下模具5與中部金剛石銅4接觸面的表面噴上一層約0.5mm的氮化硼，待氮化硼干燥后將模具與金剛石銅裝入sps爐內(nèi)。爐門關(guān)閉后抽真空，當(dāng)真空度小于5
×
10-3
pa時(shí)，開始通入脈沖電流加熱。焊接時(shí)sps上壓頭1與下壓頭7給試樣恒定壓力10mpa，脈沖電流加熱時(shí)升溫速率為50℃/min，降溫速率為50℃/min，脈沖電流的占空比為18ms：18ms，保溫溫度為800℃，保溫時(shí)間為60min。
56.相比實(shí)施例2，該實(shí)例將保溫溫度從750℃升高為800℃。如圖5所示，實(shí)施例4焊接接頭的剪切強(qiáng)度為46.51mpa，變形率為5.5％。
57.實(shí)施例5
58.使用超聲波清洗機(jī)對(duì)金剛石銅試樣清洗，清洗液為去離子水，清洗10min，清洗完
成后，再進(jìn)行3min的酸洗處理，酸洗液的配方為15％體積比硫酸，85％體積比水。酸洗完成后再用清水沖洗金剛石銅試樣表面，將待焊接面用sic砂紙進(jìn)行打磨以去除表面的氧化膜和污漬，打磨時(shí)依次選用400目、800目、1200目、2000目砂紙，每次打磨時(shí)間為5min。打磨完成后，將試樣放入超聲波清洗機(jī)中清洗，清洗時(shí)先用丙酮清洗10min，再用去離子水清洗10min，最后用酒精清洗10min。清洗完成后將試樣放入真空干燥箱中烘干備用。
59.將第二上模具3、第二下模具5與中部金剛石銅4接觸面的表面噴上一層約0.5mm的氮化硼，待氮化硼干燥后將模具與金剛石銅裝入sps爐內(nèi)。爐門關(guān)閉后抽真空，當(dāng)真空度小于5
×
10-3
pa時(shí)，開始通入脈沖電流加熱。焊接時(shí)sps上壓頭1與下壓頭7給試樣恒定壓力10mpa，脈沖電流加熱時(shí)升溫速率為50℃/min，降溫速率為50℃/min，脈沖電流的占空比為18ms：18ms，保溫溫度為750℃，保溫時(shí)間為90min。
60.相比實(shí)施例1，本例將試樣的預(yù)處理改為先酸洗，再用砂紙打磨。
61.本發(fā)明可以使金剛石銅在固態(tài)進(jìn)行焊接，不破壞復(fù)合材料中金剛石與銅的連接面；相比傳統(tǒng)擴(kuò)散焊，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)快速加熱、焊接和冷卻，確保金剛石銅散熱性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了可靠焊接。
62.雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對(duì)之作一些修改或改進(jìn)，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。
技術(shù)特征：
1.一種超高導(dǎo)熱微通道用金剛石銅復(fù)合材料的焊接方法，其特征在于：包括以下步驟：s100、使用sic砂紙對(duì)金剛石銅表面進(jìn)行拋光，拋光完成后，使用超聲波清洗機(jī)分別依次使用丙酮、去離子水、酒精清洗金剛石銅；s200、將石墨模具和金剛石銅依次放入放電等離子燒結(jié)爐中進(jìn)行焊接，焊接壓力為7.5～12.5mpa，升溫速率為20～50℃/min，焊接溫度為700～800℃，保溫時(shí)間為30～90min，爐內(nèi)氣氛為真空，焊接完成后樣品隨爐在真空環(huán)境下冷卻，冷卻至室溫后取出焊接好的金剛石銅復(fù)合材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高導(dǎo)熱微通道用金剛石銅復(fù)合材料的焊接方法，其特征在于：所述s200中，焊接溫度為750～800℃，保溫的時(shí)間為60～90min。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高導(dǎo)熱微通道用金剛石銅復(fù)合材料的焊接方法，其特征在于：在進(jìn)行所述s100前，可對(duì)待拋光的金剛石銅進(jìn)行預(yù)清洗，即先使用超聲波清洗機(jī)采用離子水對(duì)金剛石銅進(jìn)行清洗，再對(duì)清洗后的金剛石銅進(jìn)行酸洗處理，最后用清水將金剛石銅的表面沖洗干凈。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種超高導(dǎo)熱微通道用金剛石銅復(fù)合材料的焊接方法，其特征在于：所述酸洗處理采用的酸洗液的配方為15％體積比硫酸，85％體積比水。5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種超高導(dǎo)熱微通道用金剛石銅復(fù)合材料的焊接方法，其特征在于：所述s100中，酒精清洗后的金剛石銅采用真空干燥箱烘干。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高導(dǎo)熱微通道用金剛石銅復(fù)合材料的焊接方法，其特征在于：所述s100中，依次采用400目、800目、1200目、2000目的sic砂紙對(duì)金剛石銅進(jìn)行逐級(jí)打磨拋光。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高導(dǎo)熱微通道用金剛石銅復(fù)合材料的焊接方法，其特征在于：所述s200中，在石墨模具與金剛石銅之間使用一層石墨紙進(jìn)行隔開，或在石墨模具與金剛石銅接觸面上噴上氮化硼。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高導(dǎo)熱微通道用金剛石銅復(fù)合材料的焊接方法，其特征在于：所述s200中，焊接時(shí)，通入的脈沖電流的峰值電流應(yīng)隨著溫度的升高逐級(jí)增加，避免瞬時(shí)電流過高，使復(fù)合材料中的銅產(chǎn)生瞬時(shí)液化現(xiàn)象。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高導(dǎo)熱微通道用金剛石銅復(fù)合材料的焊接方法，其特征在于：焊接時(shí)，通入的脈沖電流的占空比為18ms：18ms～18ms：3ms。
技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種超高導(dǎo)熱微通道用金剛石銅復(fù)合材料的焊接方法，包括以下步驟：S100、使用SiC砂紙對(duì)金剛石銅表面進(jìn)行拋光，拋光完成后，使用超聲波清洗機(jī)分別依次使用丙酮、去離子水、酒精清洗金剛石銅；S200、將石墨模具和金剛石銅依次放入放電等離子燒結(jié)爐中進(jìn)行焊接，焊接壓力為7.5～12.5MPa，升溫速率為20～50℃/min，焊接溫度為700～800℃，保溫時(shí)間為30～90min，爐內(nèi)氣氛為真空，焊接完成后樣品隨爐在真空環(huán)境下冷卻，冷卻至室溫后取出焊接好的金剛石銅復(fù)合材料，本發(fā)明可以使金剛石銅在固態(tài)進(jìn)行焊接，不破壞復(fù)合材料中金剛石與銅的連接面；相比傳統(tǒng)擴(kuò)散焊，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)快速加熱、焊接和冷卻，確保金剛石銅散熱性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了可靠焊接。時(shí)實(shí)現(xiàn)了可靠焊接。時(shí)實(shí)現(xiàn)了可靠焊接。
