CN113878320A - 散热器的制作方法以及散热器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种散热器的制作方法以及散热器，包括以下步骤：按照散热器的设计结构沿预设方向将散热器分割成多层子结构，按照分割后的每一层子结构制作相应的基础板材；选择每两块相邻的基础板材中的一块，在其用于与另一块基础板材接触的接触面形成焊料层，制作中间板材；按照散热器的设计结构组装中间板材与基础板材，组装后加热，焊料层的材料与基础板材的材料在该加热温度下接触后能够形成金属间化合物。上述制作方法，在加热时使焊料层材料以及基础板材材料间产生金属间化合物，来实现散热器的各板材部件间的有效连接，还避免了传统焊接过程中可能堵塞散热器通道的问题或是焊接时通过加压对于散热器内部的空腔结构即散热通道产生变形的问题。
Description
技术领域
本发明涉及器件加工技术领域，特别是涉及一种散热器的制作方法以及散热器。
背景技术
很多设备在工作时会产生大量的热量，为了避免影响设备工作的稳定性，通常在设备内部设置散热器以更快地将这些热量散热出去，保障设备的正常工作。例如由于电子器件集成度不断提高，电子器件内部功率密度也不断突破新高，使电子器件发热量越来越大，严重影响了电子器件的工作寿命。电子器件的失效机率随着工作温度的升高急剧增加，电子器件工作环境温度每提升10℃，将使该器件的工作寿命降低到以前工作温度寿命的一半，因此电子器件在较低温度的环境下工作才能保证其可靠性。电子器件发热量的不断增大已经成为限制电子器件沿着摩尔定律的方向进一步提高集成度以及提升性能的瓶颈。因此需要通过设计高效的散热手段，将电子器件内部积聚的热量带出并将热量散发到外部环境中，从而将***内部工作温度控制在能保证安全、可靠、高性能地工作的界限以内。如果散热管理***设计不当，不能将电子器件工作温度控制在可接受的范围，将会引起许多潜在的问题，最直接的结果会使电子器件不能良好工作，可靠性下降甚至过早失效。
传统散热器制作一般通过将三维散热器结构，分割成多个子结构进行焊接，而采用热压扩散焊需要较大的压力，容易导致内部的空腔结构即散热通道变形；此外在钎焊时钎料熔化易进入到散热器中的流道内部造成阻塞，影响散热器的散热效果。
发明内容
基于此，有必要提供一种不易堵塞散热器通道以及不易让散热器产生形变的散热器的制作方法以及散热器。
本发明提供一种散热器的制作方法，包括以下步骤：
S10：按照散热器的设计结构沿预设方向将所述散热器分割成多层子结构，按照分割后的每一层子结构制作相应的基础板材；
S20：选择每两块相邻的基础板材中的一块，在其用于与另一块所述基础板材接触的接触面形成焊料层，制作中间板材；
S30：按照所述散热器的设计结构组装所述中间板材与所述基础板材，组装后加热，其中，加热温度小于所述基础板材材料的熔点且小于所述焊料层材料的熔点，所述焊料层的材料与所述基础板材的材料在该加热温度下接触后能够形成金属间化合物。
在其中一个实施例中，所述基础板材的材料选自铜、铝、镍、银和铁中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述焊料层的材料选自锡、镍、钛、铟、铬、锑和锌中的至少一种。
在其中一个实施例中，加热温度为0.6Tm～0.95Tm，其中Tm为所述焊料层材料的熔点。
在其中一个实施例中，加热时间为3小时～72小时。
在其中一个实施例中，步骤S10中，制作基础板材的方法选自激光切割、线切割、机械加工、火焰切割、等离子切割和蚀刻中的至少一种。
在其中一个实施例中，在步骤S20中，所述焊料层为电镀层、化学气相沉积层、物理气相沉积层、喷涂层、金属粉末、粉末烧结体或薄片结构。
在其中一个实施例中，所述基础板材的厚度为0.1mm～20mm。
在其中一个实施例中，所述焊料层的厚度为0.01μm～50μm，所述焊料层的厚度小于所述基础板材的厚度。
在其中一个实施例中，在步骤S20之后与步骤S30之前还包括对去除所述中间板材和所述基础板材的表面氧化层和/或对所述中间板材和所述基础板材进行清洁处理的步骤。
进一步地，本发明还提供一种散热器，采用如上述的散热器的制作方法得到。
在其中一个实施例中，连接层连接相邻基础板材，所述连接层中所述金属间化合物的体积含量为20％～60％。
上述散热器的制作方法中，加热过程中温度低于焊料层材料以及基础板材材料的熔点，使焊料层材料以及基础板材材料间产生金属间化合物，来实现散热器的各板材部件间的有效连接，提高了散热器的强度。此外上述散热器的制作方法还一定程度上避免了传统焊接过程中各金属板材材料熔化可能堵塞散热器通道的问题，或是焊接时为了实现有效连接通过加压对于散热器内部的空腔结构即散热通道产生变形的问题。
具体实施方式
为了便于理解本发明，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本发明的描述中，“若干”的含义是至少一个，例如一个，两个等，除非另有明确具体的限定。
本发明中的词语“优选地”、“更优选地”等是指，在某些情况下可提供某些有益效果的本发明实施方案。然而，在相同的情况下或其他情况下，其他实施方案也可能是优选的。此外，对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示其他实施方案不可用，也并非旨在将其他实施方案排除在本发明的范围之外。
当本文中公开一个数值范围时，上述范围视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，对于方位词，如有术语“中心”、“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
在描述位置关系时，除非另有规定，否则当一元件例如层、膜或基板被指为在另一膜层“上”时，其能直接在其他膜层上或亦可存在中间膜层。进一步说，当层被指为在另一层“下”时，其可直接在下方，亦可存在一或多个中间层。亦可以理解的是，当层被指为在两层“之间”时，其可为两层之间的唯一层，或亦可存在一或多个中间层。
在使用本文中描述的“包括”、“具有”、和“包含”的情况下，意图在于覆盖不排他的包含，除非使用了明确的限定用语，例如“仅”、“由……组成”等，否则还可以添加另一部件。
除非相反地提及，否则单数形式的术语可以包括复数形式，并不能理解为其数量为一个。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明提供一种散热器的制作方法，包括以下步骤S10～步骤S30。
步骤S10：按照散热器的设计结构沿预设方向将散热器分割成多层子结构，按照分割后的每一层子结构制作相应的基础板材。
在一个具体示例中，步骤S10中，制备基础板材的方法选自激光切割、线切割、机械加工、火焰切割、等离子切割、等离子切割和蚀刻中的至少一种。
步骤S20：选择每两块相邻的基础板材中的一块，在其用于与另一块基础板材接触的接触面形成焊料层，制作中间板材。
在一个具体示例中，在步骤S20中，焊料层为电镀层、化学气相沉积层、物理气相沉积层、喷涂层、金属粉末、粉末烧结体或薄片结构。
可以理解地，焊料层形成的表面平整度越好以及厚度越均匀会与基础板材形成良好的接触。
在一个具体示例中，在步骤S20之后与步骤S30之前还包括对去除中间板材和基础板材的表面氧化层和/或对中间板材和基础板材进行清洁处理的步骤。
步骤S30：按照散热器的设计结构组装中间板材与基础板材，组装后加热，其中，加热温度小于基础板材材料的熔点且小于焊料层材料的熔点，焊料层的材料与基础板材的材料在该加热温度下接触后能够形成金属间化合物。
在一个具体示例中，基础板材的材料选自铜、铝、镍、银和铁中的至少一种。
可以理解地，基础板材的材料为导热率高的金属。
在一个具体示例中，焊料层的材料选自镍、锡、钛、铟、铬、锑和锌中的至少一种。
可以理解地，焊料层的材料可与基础板材的材料在固态下形成金属间化合物的材料，可形成可靠连接。
在一个具体示例中，加热温度为0.6Tm～0.95Tm，其中Tm为焊料层材料的熔点。
具体来说，温度越高，金属间化合物的生长速度越快，所需加热焊接时间越短。
在一个具体示例中，加热时间为3小时～72小时。
可以理解地，加热时间可以但不限于是3小时、9小时、15小时、21小时、27小时、3小时、39小时、45小时、51小时、57小时、63小时、69小时或72小时。
进一步地，上述加热时间越长金属间化合物生成的越多。
在一个具体示例中，基础板材的厚度为0.1mm～20mm。
具体来说，基础板材的厚度可以但不限于是0.1mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm、16mm、17mm、18mm、19mm或20mm。
在一个具体示例中，焊料层的厚度为0.01μm～50μm，焊料层的厚度小于基础板材的厚度。
可以理解地，焊料层的厚度优选为3μm～5μm，具体地，焊料层的厚度可以但不限于是3μm、3.5μm、4μm、4.5μm或5μm。
上述散热器的制作方法中，加热过程中温度低于焊料层材料以及基础板材材料的熔点，使焊料层材料以及基础板材材料间产生金属间化合物，来实现散热器的各板材部件间的有效连接，提高了散热器的强度。此外上述散热器的制作方法还一定程度上避免了传统焊接过程中各金属板材材料熔化可能堵塞散热器通道的问题，或是焊接时为了实现有效连接通过加压对于散热器内部的空腔结构即散热通道产生变形的问题。
需要说明的是，在组装板材过程中接触面存在不平的情况下会采用一定压力使其完全接触。
本发明还提供一种散热器，采用如上述的散热器的制作方法得到。
在一个具体示例中，连接层中金属间化合物的体积含量为20％～60％。
具体地，上述金属间化合物的体积含量可以但不限于是20％、30％、40％、50％或60％。
可以理解地，上述连接层为散热器制作完成后连接相邻基础板材的结构，连接层的材料包括焊接层的材料以及焊接层材料与基础板材材料生成金属间化合物。
进一步地，散热器结构中，板材上的焊料层越薄，金属间化合物占整个连接层的含量越多，强度越高，但金属间化合物含量过高又会导致板材的脆性会比较大；金属间化合物的含量越少，板材间连接的韧性越好，但含量过低会导致连接强度不足。
具体来说，上述金属间化合物的体积含量的测定方法具体如下：
将焊缝横截面研磨抛光至镜面，利用酸液腐蚀出金相，利用扫描电镜或者光学显微镜拍摄典型的截面照片，统计截面金属间化合物的像素总数A以及截面照片中连接层部分所含的像素总数B，A/B则为金属间化合物的面积分数，以此值作为金属间化合物占连接层的体积分数。同一焊缝至少取三个不同位置进行测量，取平均值。
以下提供具体的实施例对本发明的散热器的制作方法作进一步详细地说明。以下具体实施例中，若无特殊说明，所有原料均可来源于市售。
实施例1
本实施例提供一种散热器的制作方法，具体步骤如下：
步骤S10：按照散热器的设计结构沿预设方向将散热器分割成多层子结构，按照分割后的每一层子结构利用线切割分别制作相应的基础板材，基础板材的材料为Al，基础板材的厚度为5mm；
步骤S20：选择每两块相邻的基础板材中的一块，在其用于与另一块基础板材接触的接触面采用Ni焊料利用电镀形成焊料层，焊料层的厚度为4μm制备中间板材；
步骤S30：按照散热器的设计结构组装中间板材与基础板材，组装后加热，其中，加热温度为500℃，加热时间为36小时。
经上述散热器制作方法得到的散热器，板材间连接处金属间化合物(NiAl)占连接层的体积分数为53.4％。
实施例2
本实施例提供一种散热器的制作方法，具体步骤如下：
步骤S10：按照散热器的设计结构沿预设方向将散热器分割成多层子结构，按照分割后的每一层子结构利用蚀刻法分别制作相应的基础板材，基础板材的材料为铜，基础板材的厚度为0.4mm
步骤S20：选择每两块相邻的基础板材中的一块，在其用于与另一块基础板材接触的接触面采用Sn焊料利用电镀形成焊料层，焊料层的厚度为6μm制备中间板材；
步骤S30：按照散热器的设计结构组装中间板材与基础板材，组装后加热，其中，加热温度为220℃，加热时间为48小时。
经上述散热器制作方法得到的散热器，板材间连接处金属间化合物(Cu6Sn5和Cu3Sn)占连接层的体积分数为35.7％。
实施例3
本实施例提供一种散热器的制作方法，具体步骤如下：
步骤S10：按照散热器的设计结构沿预设方向将散热器分割成多层子结构，按照分割后的每一层子结构利用蚀刻法分别制作相应的基础板材，基础板材的材料为铜，基础板材的厚度为0.4mm；
步骤S20：选择每两块相邻的基础板材中的一块，在其用于与另一块基础板材接触的接触面采用Sn焊料利用电镀形成焊料层，焊料层的厚度为6μm制备中间板材；
步骤S30：按照散热器的设计结构组装中间板材与基础板材，组装后加热，其中，加热温度为200℃，加热时间为36小时。
经上述散热器制作方法得到的散热器，板材间连接处金属间化合物占连接层的体积分数为24.5％。
实施例4
本实施例提供一种散热器的制作方法，具体步骤如下：
步骤S10：按照散热器的设计结构沿预设方向将散热器分割成多层子结构，按照分割后的每一层子结构利用蚀刻法分别制作相应的基础板材，基础板材的材料为铜，基础板材的厚度为0.4mm；
步骤S20：选择每两块相邻的基础板材中的一块，在其用于与另一块基础板材接触的接触面采用Sn焊料利用PVD镀膜形成焊料层，焊料层的厚度为2μm制备中间板材；
步骤S30：按照散热器的设计结构组装中间板材与基础板材，组装后加热，其中，加热温度为220℃，加热时间为48小时。
经上述散热器制作方法得到的散热器，板材间连接处金属间化合物占连接层的体积分数为58.7％。
对比例1
本对比例提供一种散热器的制作方法，具体步骤如下：
步骤S10：按照散热器的设计结构沿预设方向将散热器分割成多层子结构，按照分割后的每一层子结构利用激光切割法分别制作相应的基础板材，基础板材的材料为Cu，基础板材的厚度为0.4mm；
步骤S20：选择每两块相邻的基础板材中的一块，在其用于与另一块基础板材接触的接触面采用Sn焊料利用电镀形成焊料层，焊料层的厚度为2μm制备中间板材；
步骤S30：按照散热器的设计结构组装中间板材与基础板材，组装后加热，其中，加热温度为100℃，加热时间为60小时。
经上述散热器制作方法得到的散热器，板材间连接处金属间化合物占连接层的体积分数为12.3％。
对比例2
本对比例提供一种散热器的制作方法，具体步骤如下：
步骤S10：按照散热器的设计结构沿预设方向将散热器分割成多层子结构，按照分割后的每一层子结构利用线切割分别制作相应的基础板材，基础板材的材料为Cu，基础板材的厚度为5mm；
步骤S20：组装上述基础板材并在10MPa的压力下进行压制后，制作成散热器后加热，其中，加热温度为900℃，加热时间为2小时。
对比例3
本对比例提供一种散热器的制作方法，具体步骤如下：
步骤S10：按照散热器的设计结构沿预设方向将散热器分割成多层子结构，按照分割后的每一层子结构利用线切割分别制作相应的基础板材，基础板材的材料为Cu，基础板材的厚度为5mm；
步骤S20：根据板材的连接形状，制备厚度0.1mm的Sn3Ag0.5Cu(SAC305)焊料片，置于两片基础板材之间；
步骤S30：按照散热器的设计结构组装中间板材与基础板材，组装后加热，其中，加热温度为300℃，加热时间为8min。
经上述散热器制作方法得到的散热器，板材间连接处金属间化合物占连接层的体积分数为10％。
性能测试与结果分析
上述实施例与对比例提供的散热器脆性测试方法具体为：
将两个片状材料对接，接触面有焊料层，通过上述方法进行焊接，制备成拉伸试样，利用万能力学试验机测试其应力与应变曲线，得出接头延伸率，由于变形主要集中在连接层，因此，此处的延伸率为试样被拉断时的整***移变形量/连接层厚度。
上述实施例与对比例提供的散热器压降损失测试方法具体为：
将散热器通入一定量的水，保持流动，利用差压计测出散热器进出口与出水口之间的压力差，所得数值即为压降。
表1实施例与对比例提供的散热器性能对比表
对比例1制作的散热器部分区域金属间化合物含量过低，分布不均匀，会导致结合强度不够，延伸率低脆性大，对比例2制作的散热器为了实现有效连接通过加压导致散热器变形严重，压降较大，对比例3制作的散热器钎焊中的钎料熔化堵塞通道，造成压降大。
本发明提供的上述散热器的制作方法中，加热过程中温度低于焊料层材料以及基础板材材料的熔点，使焊料层材料以及基础板材材料间产生金属间化合物，来实现散热器的各板材部件间的有效连接，提高了散热器的强度。此外上述散热器的制作方法还一定程度上避免了传统焊接过程中各金属板材材料熔化可能堵塞散热器通道的问题，或是焊接时为了实现有效连接通过加压对于散热器内部的空腔结构即散热通道产生变形的问题。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，便于具体和详细地理解本发明的技术方案，但并不能因此而理解为对发明专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。应当理解，本领域技术人员在本发明提供的技术方案的基础上，通过合乎逻辑地分析、推理或者有限的实验得到的技术方案，均在本发明所附权利要求的保护范围内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求的内容为准，说明书可以用于解释权利要求的内容。
Claims (12)
1.一种散热器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10：按照散热器的设计结构沿预设方向将所述散热器分割成多层子结构，按照分割后的每一层子结构制作相应的基础板材；
S20：选择每两块相邻的基础板材中的一块，在其用于与另一块所述基础板材接触的接触面形成焊料层，制作中间板材；
S30：按照所述散热器的设计结构组装所述中间板材与所述基础板材，组装后加热，其中，加热温度小于所述基础板材材料的熔点且小于所述焊料层材料的熔点，所述焊料层的材料与所述基础板材的材料在该加热温度下接触后能够形成金属间化合物。
2.如权利要求1所述的散热器的制作方法，其特征在于，所述基础板材的材料选自铜、铝、镍、银和铁中的至少一种。
3.如权利要求1所述的散热器的制作方法，其特征在于，所述焊料层的材料选自锡、镍、钛、铟、铬、锑和锌中的至少一种。
4.如权利要求1所述的散热器的制作方法，其特征在于，加热温度为0.6Tm～0.95Tm，其中Tm为所述焊料层材料的熔点。
5.如权利要求1所述的散热器的制作方法，其特征在于，加热时间为3小时～72小时。
6.如权利要求1所述的散热器的制作方法，其特征在于，步骤S10中，制作基础板材的方法选自激光切割、线切割、机械加工、火焰切割、等离子切割和蚀刻中的至少一种。
7.如权利要求1所述的散热器的制作方法，其特征在于，在步骤S20中，所述焊料层为电镀层、化学气相沉积层、物理气相沉积层、喷涂层、金属粉末、粉末烧结体或薄片结构。
8.如权利要求1所述的散热器的制作方法，其特征在于，所述基础板材的厚度为0.1mm～20mm。
9.如权利要求1所述的散热器的制作方法，其特征在于，所述焊料层的厚度为0.01μm～50μm，所述焊料层的厚度小于所述基础板材的厚度。
10.如权利要求1～9任一项所述的散热器的制作方法，其特征在于，在步骤S20之后与步骤S30之前还包括对去除所述中间板材和所述基础板材的表面氧化层和/或对所述中间板材和所述基础板材进行清洁处理的步骤。
11.一种散热器，其特征在于，采用如权利要求1～10任一项所述的散热器的制作方法得到。
12.如权利要求11所述的散热器，其特征在于，连接层连接相邻基础板材，所述连接层中所述金属间化合物的体积含量为20％～60％。
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