一种超高导热微通道用金刚石铜复合材料的焊接方法
1.本发明涉及材料焊接技术领域，具体涉及一种超高导热微通道用金刚石铜复合材料的焊接方法。
背景技术：
2.随着电子芯片性能的提升和尺寸的微型化，对微电子系统的散热性能提出了越来越高的要求，gan芯片级的平均热流密度已经达到了500w/cm2，局部热流密度甚至会超过1000w/cm2。传统电子封装材料如：金属、合金、陶瓷等由于其热导率较低(《400w/(m
·
k))已经无法满足高性能芯片的要求。研究结果表明，引入微通道热沉，通过微通道热沉里的冷却液可以将芯片产生的热量带走；同时新第一代电子器件热管理材料的代表金刚石/铜复合材料具有较高的热导率(》500w(m
·
k))、低热膨胀系数(与半导体芯片相匹配)和密度，是最佳的热沉材料之一。采用金刚石/铜高导热材料为热沉，设计带有微通道冷却的热沉结构，有望解决微电子芯片超高热流密度的散热问题。
3.热沉微通道即金刚石铜之间的可靠连接直接决定了高热流密度芯片的可靠性。金刚石铜热沉接触面封装不好会造成以下影响：一是会增加散热时的接触热阻，使散热效果大打折扣；二是微通道里的冷却液可能会产生泄露，造成器件打火烧毁及焊点和线缆的腐蚀损坏。
4.目前，常规通道封焊以钎焊为主，其在成形性能和成本上都具有一定优势，但是在成形微通道时会造成微通道倾斜、变窄、虚焊等。采用激光焊接和电子束焊接进行封装的优点是能量集中，焊接速度快，热影响区小，但是由于熔焊技术会造成对金刚石与铜界面的损坏，破坏热沉的散热性能。采用扩散焊技术可以实现在真空条件下，对被焊材料加热加压并保温一段时间，通过被焊接材料界面处的原子扩散而形成可靠地连接面。而传统扩散焊需要加热炉整体加热，导致其加热时间长、温度高，从而使金刚石表面产生石墨化，降低散热性能。
5.为了解决电子芯片的散热问题，亟需开发出新的金刚石铜复合材料的焊接技术。
技术实现要素：
6.为此，本发明提供一种超高导热微通道用金刚石铜复合材料的焊接方法，以解决现有技术中的上述缺陷。
7.一种超高导热微通道用金刚石铜复合材料的焊接方法，包括以下步骤：
8.s100、使用sic砂纸对金刚石铜表面进行抛光，抛光完成后，使用超声波清洗机分别依次使用丙酮、去离子水、酒精清洗金刚石铜；
9.s200、将石墨模具和金刚石铜依次放入放电等离子烧结炉中进行焊接，焊接压力为7.5～12.5mpa，升温速率为20～50℃/min，焊接温度为700～800℃，保温时间为30～90min，炉内气氛为真空，焊接完成后样品随炉在真空环境下冷却，冷却至室温后取出焊接好的金刚石铜复合材料。
10.优选的，所述s200中，焊接温度为750～800℃，保温的时间为60～90min。
11.优选的，在进行所述s100前，可对待抛光的金刚石铜进行预清洗，即先使用超声波清洗机采用离子水对金刚石铜进行清洗，再对清洗后的金刚石铜进行酸洗处理，最后用清水将金刚石铜的表面冲洗干净。
12.优选的，所述酸洗处理采用的酸洗液的配方为15％体积比硫酸，85％体积比水。
13.优选的，所述s100中，酒精清洗后的金刚石铜采用真空干燥箱烘干。
14.优选的，所述s100中，依次采用400目、800目、1200目、2000目的sic砂纸对金刚石铜进行逐级打磨抛光。
15.优选的，所述s200中，在石墨模具与金刚石铜之间使用一层石墨纸进行隔开，或在石墨模具与金刚石铜接触面上喷上氮化硼。
16.优选的，所述s200中，焊接时，通入的脉冲电流的峰值电流应随着温度的升高逐级增加，避免瞬时电流过高，使复合材料中的铜产生瞬时液化现象。
17.优选的，焊接时，通入的脉冲电流的占空比为18ms：18ms～18ms：3ms。
18.本发明具有如下优点：
19.(1)本发明可以使金刚石铜在固态进行焊接，不破坏复合材料中金刚石与铜的连接面；
20.(2)相比传统扩散焊，本发明可以实现快速加热、焊接和冷却，确保金刚石铜散热性能的同时实现了可靠焊接。
附图说明
21.图1为金刚石铜sps扩散焊的模具组装示意图；
22.图2为sem观察的金刚石铜待焊接表面；
23.图3为sps扩散焊的加热曲线；
24.图4为sps扩散焊过程中脉冲电流曲线；
25.图5为焊接接头的剪切强度和变形率；
26.图6为sem观察的金刚石铜焊接接头界面。
27.图中：
28.1-上压头；2-第一上模具；3-第二上模具；4-金刚石铜；5-第二下模具；6-第一下模具；7-下压头；8-隔热屏；9-热电偶。
具体实施方式
29.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
30.如图1至图6所示，本发明提供了一种超高导热微通道用金刚石铜复合材料的焊接方法，包括以下步骤：
31.s100、依次采用400目、800目、1200目、2000目的sic砂纸对金刚石铜表面进行逐级打磨抛光，抛光完成后，使用超声波清洗机分别依次使用丙酮、去离子水、酒精清洗金刚石铜，酒精清洗后的金刚石铜采用真空干燥箱烘干；
32.在进行所述s100前，也可对待抛光的金刚石铜进行预清洗，即先使用超声波清洗
机采用离子水对金刚石铜进行清洗，再对清洗后的金刚石铜进行酸洗处理，酸洗处理采用的酸洗液的配方为15％体积比硫酸，85％体积比水。最后用清水将金刚石铜的表面冲洗干净。
33.s200、将石墨模具和金刚石铜依次放入放电等离子烧结炉中进行焊接。
34.焊接前，在石墨模具与金刚石铜之间使用一层石墨纸进行隔开，或在石墨模具与金刚石铜接触面上喷上少量的氮化硼。
35.焊接压力为7.5～12.5mpa，升温速率为20～50℃/min，焊接温度为700～800℃，保温时间为30～90min。
36.焊接时，通入的脉冲电流的峰值电流应随着温度的升高逐级增加，避免瞬时电流过高，使复合材料中的铜产生瞬时液化现象。通入的脉冲电流的占空比为18ms：18ms～18ms：3ms。
37.更为优选的，所述s200中，焊接温度为750～800℃，保温的时间为60～90min。
38.炉内气氛为真空，焊接完成后样品随炉在真空环境下冷却，冷却至室温后取出焊接好的金刚石铜复合材料。
39.实施例1
40.待焊接试样的预处理包括打磨抛光和清洗。将带焊接面用sic砂纸进行打磨以去除表面的氧化膜和污渍，打磨时依次选用400目、800目、1200目、2000目砂纸，每次打磨时间为5min。打磨完成后，将试样放入超声波清洗机中清洗，清洗时先用丙酮清洗10min，再用去离子水清洗10min，最后用酒精清洗10min。清洗完成后将试样放入真空干燥箱中烘干备用。
41.图2为此时金刚石铜待焊接表面的微观形貌。
42.如图1所示，将第二上模具3、第二下模具5与中部金刚石铜4接触面的表面喷上一层约0.5mm的氮化硼，防止焊接过程温度较高，金刚石铜4与第二上模具3、第二下模具5焊接在一起。待氮化硼干燥后，将金刚石铜4的待焊接面贴合放在第二下模具5上，随模具一起放入sps真空烧结炉中，将热电偶9搭接在金刚石铜4上。为保证受力均匀，放入时需保证上上压头1与下压头7之间的中线、第一上模具2与第一下模具6之间的中线以及第二上模具3与第二下模具5之间的中线与金刚石铜4的中心位于一条直线上。模具与金刚石铜安装好后，关闭隔热屏8与炉门，炉门关闭后抽真空，当真空度小于5
×
10-3
pa时，开始通入脉冲电流加热。焊接时sps上压头1与下压头7给试样恒定压力10mpa，脉冲电流加热时升温速率为50℃/min，降温速率为50℃/min，脉冲电流的占空比为18ms：18ms，保温温度为750℃，保温时间为90min(加热曲线见图3)。
43.焊接过程中的脉冲电流曲线见图4，从图中可以看出在加热阶段脉冲电流随着时间的增加而增加，在保温阶段金刚石铜产生塑性变形，焊接界面接触部位增多，脉冲电流逐渐减小后趋于稳定。焊接完成后，试样随炉冷却至室温后取出。
44.按实施例1方案得到的焊接接头进行压缩剪切试验，剪切试验在三思纵横umt5000微机控制电子万能试验机上进行，试验机的加载速率设置为0.5mm/min，以最大剪切力除以剪切面积值为剪切强度的评估标准，变形率为焊接前后厚度差除以焊接前厚度的比值。如图5所示，实施例1焊接接头的剪切强度为48.83mpa，变形率为5.25％。将实施例1的焊接接头沿垂直于焊接面切开，制样抛光后用sem观察焊接界面，如图6所示可以看出焊接后未出现明显的焊缝和孔洞，且金刚石与铜结合良好，这表明焊接后的金刚石铜在保证焊接强度
的同时，也确保了金刚石铜的散热性能。
45.实施例2
46.将带焊接面用sic砂纸进行打磨以去除表面的氧化膜和污渍，打磨时依次选用400目、800目、1200目、2000目砂纸，每次打磨时间为5min。打磨完成后，将试样放入超声波清洗机中清洗，清洗时先用丙酮清洗10min，再用去离子水清洗10min，最后用酒精清洗10min。清洗完成后将试样放入真空干燥箱中烘干备用。
47.将第二上模具3、第二下模具5与中部金刚石铜4接触面的表面喷上一层约0.5mm的氮化硼，待氮化硼干燥后将模具与金刚石铜装入sps炉内。炉门关闭后抽真空，当真空度小于5
×
10-3
pa时，开始通入脉冲电流加热。焊接时sps上压头1与下压头7给试样恒定压力10mpa，脉冲电流加热时升温速率为50℃/min，降温速率为50℃/min，脉冲电流的占空比为18ms：18ms，保温温度为750℃，保温时间为60min。
48.相比实施例1，该实例将保温时间从90min降低为60min。如图5所示，实施例2焊接接头的剪切强度降低为44.94mpa，变形率为4.25％。
49.实施例3
50.将带焊接面用sic砂纸进行打磨以去除表面的氧化膜和污渍，打磨时依次选用400目、800目、1200目、2000目砂纸，每次打磨时间为5min。打磨完成后，将试样放入超声波清洗机中清洗，清洗时先用丙酮清洗10min，再用去离子水清洗10min，最后用酒精清洗10min。清洗完成后将试样放入真空干燥箱中烘干备用。
51.将第二上模具3、第二下模具5与中部金刚石铜4接触面的表面喷上一层约0.5mm的氮化硼，待氮化硼干燥后将模具与金刚石铜装入sps炉内。炉门关闭后抽真空，当真空度小于5
×
10-3
pa时，开始通入脉冲电流加热。焊接时sps上压头1与下压头7给试样恒定压力10mpa，脉冲电流加热时升温速率为50℃/min，降温速率为50℃/min，脉冲电流的占空比为18ms：3ms，保温温度为750℃，保温时间为60min。
52.相比实施例2，该实例将脉冲电流占空比从18ms：18ms改为18ms：3ms。如图5所示，实施例3焊接接头的剪切强度为45.02mpa，变形率为4.75％。
53.实施例4
54.将带焊接面用sic砂纸进行打磨以去除表面的氧化膜和污渍，打磨时依次选用400目、800目、1200目、2000目砂纸，每次打磨时间为5min。打磨完成后，将试样放入超声波清洗机中清洗，清洗时先用丙酮清洗10min，再用去离子水清洗10min，最后用酒精清洗10min。清洗完成后将试样放入真空干燥箱中烘干备用。
55.将第二上模具3、第二下模具5与中部金刚石铜4接触面的表面喷上一层约0.5mm的氮化硼，待氮化硼干燥后将模具与金刚石铜装入sps炉内。炉门关闭后抽真空，当真空度小于5
×
10-3
pa时，开始通入脉冲电流加热。焊接时sps上压头1与下压头7给试样恒定压力10mpa，脉冲电流加热时升温速率为50℃/min，降温速率为50℃/min，脉冲电流的占空比为18ms：18ms，保温温度为800℃，保温时间为60min。
56.相比实施例2，该实例将保温温度从750℃升高为800℃。如图5所示，实施例4焊接接头的剪切强度为46.51mpa，变形率为5.5％。
57.实施例5
58.使用超声波清洗机对金刚石铜试样清洗，清洗液为去离子水，清洗10min，清洗完
成后，再进行3min的酸洗处理，酸洗液的配方为15％体积比硫酸，85％体积比水。酸洗完成后再用清水冲洗金刚石铜试样表面，将待焊接面用sic砂纸进行打磨以去除表面的氧化膜和污渍，打磨时依次选用400目、800目、1200目、2000目砂纸，每次打磨时间为5min。打磨完成后，将试样放入超声波清洗机中清洗，清洗时先用丙酮清洗10min，再用去离子水清洗10min，最后用酒精清洗10min。清洗完成后将试样放入真空干燥箱中烘干备用。
59.将第二上模具3、第二下模具5与中部金刚石铜4接触面的表面喷上一层约0.5mm的氮化硼，待氮化硼干燥后将模具与金刚石铜装入sps炉内。炉门关闭后抽真空，当真空度小于5
×
10-3
pa时，开始通入脉冲电流加热。焊接时sps上压头1与下压头7给试样恒定压力10mpa，脉冲电流加热时升温速率为50℃/min，降温速率为50℃/min，脉冲电流的占空比为18ms：18ms，保温温度为750℃，保温时间为90min。
60.相比实施例1，本例将试样的预处理改为先酸洗，再用砂纸打磨。
61.本发明可以使金刚石铜在固态进行焊接，不破坏复合材料中金刚石与铜的连接面；相比传统扩散焊，本发明可以实现快速加热、焊接和冷却，确保金刚石铜散热性能的同时实现了可靠焊接。
62.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
技术特征：
1.一种超高导热微通道用金刚石铜复合材料的焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：s100、使用sic砂纸对金刚石铜表面进行抛光，抛光完成后，使用超声波清洗机分别依次使用丙酮、去离子水、酒精清洗金刚石铜；s200、将石墨模具和金刚石铜依次放入放电等离子烧结炉中进行焊接，焊接压力为7.5～12.5mpa，升温速率为20～50℃/min，焊接温度为700～800℃，保温时间为30～90min，炉内气氛为真空，焊接完成后样品随炉在真空环境下冷却，冷却至室温后取出焊接好的金刚石铜复合材料。2.根据权利要求1所述的一种超高导热微通道用金刚石铜复合材料的焊接方法，其特征在于：所述s200中，焊接温度为750～800℃，保温的时间为60～90min。3.根据权利要求1所述的一种超高导热微通道用金刚石铜复合材料的焊接方法，其特征在于：在进行所述s100前，可对待抛光的金刚石铜进行预清洗，即先使用超声波清洗机采用离子水对金刚石铜进行清洗，再对清洗后的金刚石铜进行酸洗处理，最后用清水将金刚石铜的表面冲洗干净。4.根据权利要求3所述的一种超高导热微通道用金刚石铜复合材料的焊接方法，其特征在于：所述酸洗处理采用的酸洗液的配方为15％体积比硫酸，85％体积比水。5.根据权利要求1或3所述的一种超高导热微通道用金刚石铜复合材料的焊接方法，其特征在于：所述s100中，酒精清洗后的金刚石铜采用真空干燥箱烘干。6.根据权利要求1所述的一种超高导热微通道用金刚石铜复合材料的焊接方法，其特征在于：所述s100中，依次采用400目、800目、1200目、2000目的sic砂纸对金刚石铜进行逐级打磨抛光。7.根据权利要求1所述的一种超高导热微通道用金刚石铜复合材料的焊接方法，其特征在于：所述s200中，在石墨模具与金刚石铜之间使用一层石墨纸进行隔开，或在石墨模具与金刚石铜接触面上喷上氮化硼。8.根据权利要求1所述的一种超高导热微通道用金刚石铜复合材料的焊接方法，其特征在于：所述s200中，焊接时，通入的脉冲电流的峰值电流应随着温度的升高逐级增加，避免瞬时电流过高，使复合材料中的铜产生瞬时液化现象。9.根据权利要求1所述的一种超高导热微通道用金刚石铜复合材料的焊接方法，其特征在于：焊接时，通入的脉冲电流的占空比为18ms：18ms～18ms：3ms。
技术总结
本发明公开了一种超高导热微通道用金刚石铜复合材料的焊接方法，包括以下步骤：S100、使用SiC砂纸对金刚石铜表面进行抛光，抛光完成后，使用超声波清洗机分别依次使用丙酮、去离子水、酒精清洗金刚石铜；S200、将石墨模具和金刚石铜依次放入放电等离子烧结炉中进行焊接，焊接压力为7.5～12.5MPa，升温速率为20～50℃/min，焊接温度为700～800℃，保温时间为30～90min，炉内气氛为真空，焊接完成后样品随炉在真空环境下冷却，冷却至室温后取出焊接好的金刚石铜复合材料，本发明可以使金刚石铜在固态进行焊接，不破坏复合材料中金刚石与铜的连接面；相比传统扩散焊，本发明可以实现快速加热、焊接和冷却，确保金刚石铜散热性能的同时实现了可靠焊接。时实现了可靠焊接。时实现了可靠焊接。
