一种热沉及其制作方法和应用与流程

本发明涉及金属散热材料，特别涉及一种热沉及其制作方法和应用。

背景技术：

1、金属材料在导热领域的应用非常广泛，主要基于其优越的热传导性能，在电子设备中，如计算机cpu、图形处理器(gpu)、电源供应器等。传统的金属导热材料，如铝、铜、银等，是最常用的散热材料，通常被制成散热片、热管和散热器，有效传递芯片产生的热量，保持设备稳定运行。随着科学技术的进步，电子设备在空间尺寸上越来越追求小巧精密化，使得单位容积电子器件的发热量迅速增大，对散热器件的要求不断提高，尤其是在微电子及通讯技术领域，高频、高速以及大规模集成电路的密集和小型化，导致设备内部产生的热能越来越集中化导热和散热问题已经成为制约许多领域发展的关键，传统的金属导热材料由于存在密度较大、易氧化、比热导率(热导率和体积密度之比)较低、热膨胀系数(cte)较高等局限性，已经很难满足当前微电子领域电子器件日益增长的散热需求。

2、热沉是热管理的重要组成部分，主要将芯片产生的热量快速导出，以确保核心部件正常工作，热沉材料除了要求在平行于芯片平面方向具有与芯片匹配的低热膨胀系数，更需要在垂直于芯片平面方向具有高的热导率。此外，由于装备服役过程中还面临大冲击、高频振动等苛刻服役环境，热沉材料还需要具有足够的强度。

3、近年来，石墨在3c产品、高功率多芯片组件、ct机x射线管等散热领域的应用越来越广泛，散热问题已经成为制约高功率器件发展与应用的瓶颈。因此热沉材料选择具有更高散热能力、更低密度的导热石墨片，并与金属结构材料连接，是解决高功率电子器件封装散热难题的理想方案。

4、然而，将导热石墨片与热沉结合使用也存在缺陷，例如：在相对较高的温度下制备过程中，很难避免al基与碳增强体之间的界面反应，al4c3的界面反应产物也对tc和力学性能有害。此外，al4c3在潮湿的大气中易发生水解，严重威胁复合应用的安全性；al基与碳增强体之间存在润湿性差、界面结合弱、界面反应严重、界面热阻高等技术问题，所以为减少al基与导热石墨片之间的界面反应的问题，通常在碳基表面涂覆tic、wc或碳化硅涂层来改善碳-金属界面，但涂覆tic、wc或碳化硅涂层的应用一般在实验室阶段，且不适应广泛使用，工业化困难，所以我们需要选取市面上普遍使用的焊料，来隔离al基和石墨片。再例如，金属外壳与石墨烯层之间存在大量的空气，空气会严重影响导热性能，导致导热石墨烯片对导热的增强效果不明显，且整体的强度容易存在缺陷。同时，现在技术中的纯金属散热器具有散热效果好、散热快等优点，但是其对于热量的扩散具有各向同性，呈现出均匀的发散性，即各个方向的导热效果都一样，也就导致的热源的温度通过散热器向各个方向扩散传递出去，中心点的翅片往外散热时，无论是向上的热量扩散还是边缘的翅片利用率无法完全发挥，显然，如何提高边缘翅片的利用率是提高散热器的散热效率的重要途径。

5、基于现有技术中存在的问题，本发明提出了一种热沉及其制作方法和应用，利用金属散热的各向同性的特点，通过垂直石墨的结构进行定向导热，将内芯的热量快速地传递到全部的翅片上，尤其是边缘的翅片也能够快速的受热，并散发出去，充分发挥热沉的散热作用，从而提高散热器的利用率。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种热沉及其制作方法和应用。

2、为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案。

3、本发明的一个方面提供了一种热沉，包括：金属基体材料、金属盖板，以及内嵌于所述金属基体材料的内部的纵向导热片；所述纵向导热片作为内芯，所述金属基体材料和金属盖板形成金属外壳将所述纵向导热片包裹在内部，且所述纵向导热片与所述金属基体材料和所述金属盖板紧密地贴合设置，形成整体结构。

4、优选地，所述纵向导热片的材料为石墨烯复合材料。

5、更优选地，所述纵向导热片的材料是由树脂和石墨烯复合而成的石墨烯复合材料。

6、优选地，所述石墨烯复合材料是由多层树脂层和多层石墨烯导热层循环交替层叠设置而成。

7、优选地，所述石墨烯导热层中的石墨烯层的延展方向与所述纵向导热片的热量扩散方向一致。

8、优选地，所述金属基体材料为银、铜、铝、钨、金刚石中的任一种。

9、优选地，所述金属基体材料与所述金属盖板的材料相同。

10、作为发明的一个方面，本发明还提供了一种翅片式热沉，包括翅片，垂直于所述翅片的金属基体材料，金属盖板，以及内嵌于所述金属基体材料的内部的纵向导热片。所述纵向导热片作为内芯，所述金属基体材料和金属盖板形成金属外壳将所述纵向导热片包裹在内部，且所述纵向导热片与所述金属基体材料和所述金属盖板紧密地贴合设置，形成整体结构；所述金属基体材料与所述翅片为一体结构。

11、作为发明目的之一，本发明还提供了如前述的热沉的制作方法，通过卡接的方式将纵向导热片内嵌于所述金属基体材料内，并用金属盖板进行封装，经热压和焊接将所述金属盖板、所述纵向导热片和所述金属基体材料联合在一起形成整体结构，即得到所述热沉。

12、作为一种优选的实施方式，所述热沉的制作方法的具体步骤包括：

13、s1.提供所述金属基体材料；

14、s2.在所述金属基体材料的一端开设凹槽；

15、s3.将所述纵向导热片内嵌在所述凹槽内，所述纵向导热片的尺寸与所述凹槽的尺寸相匹配；

16、s4.将所述金属盖板贴合设置于所述纵向导热片和所述金属基体材料的表面；

17、s5.所述金属盖板、所述金属基体材料通过热压和焊接，形成整体结构，得到所述热沉。

18、作为一种优选的实施方式，在金属基体材料的另一端制作翅片，从而得到翅片式热沉。

19、具体的制作方法包括：在上述的技术方案的s5之后，在所述金属基体材料的另一端制作翅片，所述翅片垂直于所述金属基体材料。翅片的制作方式可以采用现有技术已有的方法，本发明不做具体限定，以能够实现为准，例如采用切割打磨的方法等等，均属于本发明的保护范围。

20、作为一种优选的实施方式，所述凹槽为梯形凹槽；所述梯形凹槽包括第一槽口和第二槽口；所述第二槽口的尺寸大于所述第一槽口的尺寸。

21、优选地，所述纵向导热片的尺寸与所述与所述第一槽口的尺寸相匹配；所述金属盖板的尺寸与所述第二槽口的尺寸相匹配。

22、优选地，所述金属盖板的厚度为0.5～1.5mm。

23、优选地，所述纵向导热片的厚度为3～4mm。

24、优选地，所述纵向导热片与所述翅片之间的距离为0.5～1mm。需要说明的是，该距离特指的是纵向导热片与翅片根部之间的垂直距离。

25、作为另一种优选的实施方式，所述凹槽还可以为单凹槽；所述石墨烯层的尺寸与所述单凹槽的尺寸相匹配。

26、优选地，所述金属盖板与所述金属基体材料的尺寸相匹配。

27、优选地，所述热压的条件包括：升高温度至140～170℃，压力为10～15kg条件下，温度自然冷却至常温后即止。

28、优选地，所述焊接为钎焊、真空扩散焊、激光焊中的任一种。

29、优选地，所述焊接将所述金属盖板与所述金属基体材料的缝隙进行焊接，使两者紧密无缝结合。

30、优选地，所述焊接完成后，还包括打磨抛光工序，使所述热沉的表面光滑平整。

31、作为一种优选的实施方式，所述金属盖板和所述纵向导热片、所述纵向导热片与所述金属基体材料之间添加焊料，所述焊料覆盖所述纵向导热片。

32、优选地，所述焊料为alsimg、银基、铜基钎料中的至少一种。

33、优选地，所述金属盖板和所述纵向导热片、所述纵向导热片与所述金属基体材料之间涂覆有粘结层，以填补所述金属盖板、所述石墨烯层与所述金属基体材料之间的空隙。

34、优选地，所述粘结层的涂覆量为0.025-0.04g/cm2。

35、优选地，所述粘结层为导热胶或石蜡。

36、优选地，所述导热胶为硅胶、环氧树脂胶、丙烯酸酯胶中的任一种。

37、采用上述技术方案提供的热沉可用于制备一种具有纵向导热片的散热器；纵向导热片为一种石墨烯复合材料，具有纵向快速导热的功能，从而能够将热量快速地沿纵向向两边扩散，使更多的翅片能够快速受热，加速热量的散发，提高散热器的散热速度和散热效率。

38、本发明技术方案的技术效果：

39、本发明的技术方案，

40、1.本发明通过卡接的方式将石墨烯复合材料包裹在金属材料的内部，同时利用石墨烯复合材料的纵向导热性能，使得热沉的底部热量沿着石墨烯层延展方向的扩散速度具备明显优势，使得底部的热量能够向热沉的两边迅速扩散，使热量迅速扩散至更多的翅片上，尤其是最边缘的翅片也能够快速地受热，从而实现热量的加速散发，提高散热器的散热速度和散热效率。

41、2.本发明通过在各层之间涂覆导热胶或石蜡的方法，一方面，通过填充各材料间的空隙的方法来尽可能地减少热沉结构内部存在的空气，另一方面导热胶或石蜡还具备一定的粘结效果，从而还可以增强热层内部各材料之间的结合强度；而且，上层的金属盖板和中间层的石墨烯复合材料通过蜡或导热胶的融化和凝固过程，初步的粘合在一起后，能够使金属盖板与具有一定质量的金属基体材料更加的平整地贴合设置，从而形成整体结构，更加有利于热量的扩散。

42、3.本发明通过在金属盖板与金属基材材料之间、石墨烯复合材料与金属盖板之间添加焊料的方法，并结合低温热压的方法，使上层的金属盖板与金属基体材料、金属基体材料和石墨烯复合材料紧密接触，热压尽可能排除空气层，再通过焊接结合的技术联合使用，可使各层之间以及与基体材料之间的金属钎料融化部分，提高各层之间的结合力，将上层的金属盖板与下层的金属基体材料连接形成整体结构，进而得到均具有完整、紧密结构的热沉。