一种用于均热板进行热扩散的多层复合材料及其制备方法

摘要

本发明提供了一种用于均热板进行热扩散的多层复合材料及其制备方法，所述材料包括多孔金属层和致密金属层，多孔金属层和致密金属层采用扩散烧结结合，所述制备方法包括：将多孔金属层进行光亮退火处理；将基板致密金属材料进行表面处理；将经过上述处理的多孔金属材料与基板致密金属材料叠放在真空炉或气氛保护炉中，进行加热加压扩散烧结；在扩散烧结后，持续保持烧结时的压力，降温至室温，破真空或停止气氛保护，得到均热板用热扩散多层复合材料。本发明制备的用于均热板进行热扩散的多层复合材料，多孔层的孔隙度、孔径、厚度等技术参数控制准确，质量稳定，同时工艺流程短，生产成本低，适合批量化生产。

权利要求

1.一种用于均热板进行热扩散的多层复合材料，其特征在于，包括多孔金属层和致密金属层，所述多孔金属层和所述致密金属层采用扩散烧结结合，所述多孔金属层厚度为

0.1mm～3mm，孔隙率为50%～95%，孔径为50μm～500μm，孔隙为通孔，即孔与孔之间相互连通；

所述多层复合材料的制备方法包括：步骤1，多孔金属层的预处理：将多孔金属层在氢气退火炉中进行还原性气氛下进行退火处理；

所述多孔金属层的材质为多种不同金属制成，所述步骤1中退火处理的温度与金属材质相对应，氢气还原退火温度为200℃～800℃，退火时间为30min～90min；

步骤2，致密金属层的预处理：将基板金属材料进行表面车削、铣削、磨削，使其平面度在‑0.1mm范围内；

步骤3，将经过预处理的多孔金属层与基板致密金属层放置在耐热钢或者石墨模具中，在真空或气氛保护下进行加热加压扩散烧结；

所述扩散烧结温度为低于金属材料的熔点50℃～400℃，所述金属材料选取多孔金属层和致密金属层所用金属材料中熔点较低的金属材料，扩散烧结的时间为30min～12h；

步骤4，在扩散烧结后，持续保持烧结时的压力，降温至室温，破真空或停止气氛保护，得到用于均热板进行热扩散的多层复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种用于均热板进行热扩散的多层复合材料，其特征在于，所述致密金属层表面平整。

3.一种用于均热板进行热扩散的多层复合材料的制备方法，其特征在于，包括：步骤1，多孔金属层的预处理：将多孔金属层在氢气退火炉中进行还原性气氛下进行退火处理；

所述多孔金属层的材质为多种不同金属制成，所述退火处理的温度与金属材质相对应，氢气还原退火温度为200℃～800℃，退火时间为30min～90min；

步骤2，致密金属层的预处理：将基板金属材料进行表面车削、铣削、磨削，使其平面度在‑0.1mm范围内；

步骤3，将经过预处理的多孔金属层与基板致密金属层放置在耐热钢或者石墨模具中，在真空或气氛保护下进行加热加压扩散烧结；

所述扩散烧结温度为低于金属材料的熔点50℃～400℃，所述金属材料选取多孔金属层和致密金属层所用金属材料中熔点较低的金属材料，扩散烧结的时间为30min～12h；

步骤4，在扩散烧结后，持续保持烧结时的压力，降温至室温，破真空或停止气氛保护，得到用于均热板进行热扩散的多层复合材料。

4.根据权利要求3所述的一种用于均热板进行热扩散的多层复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中加压加热同时进行。

5.根据权利要求3所述的一种用于均热板进行热扩散的多层复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中所加压力范围为2MPa～20MPa。

说明书

一种用于均热板进行热扩散的多层复合材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及新材料以及复合材料制备加工新技术领域，特别涉及一种用于均热板进行热扩散的多层复合材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着芯片等集成电路上的电子元器件性能不断提升，智能手机和平板电脑的不断小型化和集成化，以及一些大功率电子器件的应用，如相控阵雷达天线T/R组件、动力锂离
子电池模块的热管理等，热传导和热扩散成为上述电子器件应用不可缺少的重要保障。

[0003] 电子器件的发热情况随高集成化、高性能化和小型化，越来越严重，必须采用合适的热传导和热扩散途径，实现热量的传递和散发，才能保证电子器件的稳定工作。常规的散
热材料，无论是高导热的金属、陶瓷或者无机碳材料，由于其自身导热系数的固定，在实际
应用中要满足越来越苛刻的散热需要，难度也越来越大。因此，为了更好的进行散热，需要
利用复合材料的特性，开发高热导率的散热材料，实现对散热用材料的热传导和热扩散性
能的提升。

[0004] 对电子元器件热扩散最有效的是采用均热板来散热，目前针对均热板的结构设计、制造材料、特殊用途进行的研制和开发，主要集中在以下几个方面：(1)均热板的结构设
计和冷却介质的流动控制。通过对不同尺寸结构均热板的腔体结构进行设计，让均热板框
架密封的冷却介质可以进行流动，起到良好的散热和热传导功能；(2)各种不同均热板材料
及其制备方法；(3)针对各种特殊用途来开发和使用均热板。专利CN201880026292.2公开了
一种均热板，仅改变了均热板构造，其散热性提升有限；专利CN201910634169.5公开了一种
均热板的制作方法，采用钛金属或钛合金作为壳体，来制备均热板，在钛及钛合金壳体的内
表面制造出具有抗氧化功能的膜层，并使冷却液在均热板中循环实现散热效果，但其成本
较高，过程复杂，较难大范围推广。

[0005] 对此，有必要提供一种能突破材料本身导热系数限制，具有更加优良的散热性能的复合材料。

发明内容

[0006] 本发明提供了一种用于均热板进行热扩散的多层复合材料及其制备方法，其目的是为了满足实际应用中越来越苛刻的散热需要，实现对散热用材料的热传导和热扩散性能
的提升。

[0007] 为了达到上述目的，本发明提供了一种用于均热板进行热扩散的多层复合材料，包括多孔金属层和致密金属层，所述多孔金属层和所述致密金属层采用扩散烧结结合。

[0008] 其中，所述多孔金属层厚度为0.1mm～3mm，孔隙率为50％～95％，孔径为50μm～500μm，孔隙为通孔，即孔与孔之间相互连通。

[0009] 其中，所述致密金属层表面平整。

[0010] 本发明还提供了一种用于均热板进行热扩散的多层复合材料的制备方法，包括：

[0011] 步骤1，多孔金属层的预处理：将多孔金属层在氢气退火炉中进行还原性气氛下进行退火处理；

[0012] 步骤2，致密金属层的预处理：将基板金属材料进行表面车削、铣削、磨削，使其平面度在‑0.1mm范围内；

[0013] 步骤3，将经过预处理的多孔金属层与基板致密金属层放置在耐热钢或者石墨等耐高温的模具中，在真空或气氛保护下进行加热加压扩散烧结；

[0014] 步骤4，在扩散烧结后，持续保持烧结时的压力，降温至室温，破真空或停止气氛保护，得到用于均热板进行热扩散的多层复合材料。

[0015] 其中，所述多孔金属层的材质为多种不同金属制成，所述步骤1中退火处理的温度与金属材质相对应，氢气还原退火温度为200℃～800℃，退火时间为30min～90min。

[0016] 其中，所述步骤3中加压加热同时进行。

[0017] 其中，所述步骤3中所加压力范围为2MPa～20MPa。

[0018] 其中，所述步骤3中扩散烧结温度为低于金属材料的熔点50℃～400℃，所述金属材料选取多孔金属层和致密金属层所用金属材料中熔点较低的金属材料，扩散烧结的时间
为30min～12h。

[0019] 本发明的上述方案有如下的有益效果：

[0020] 1.本发明主要散热机制是靠冷却液在多孔金属的孔隙里蒸发、冷凝，实现循环散热，对散热板采用的金属或其他材料的要求较常规技术更低，能有效降低制作成本。

[0021] 2.本发明利用冷却液的物理变化散热，相对于导热系数固定的金属或其他材料散热效果更好，能适应更多更苛刻的实际情况。

[0022] 3.复合材料的制作过程简便快捷，制作条件优越，能大范围推广。

附图说明

[0023] 图1是多孔镍和致密铝合金5A05制成的双层金属复合结构散热板界面显微结构照片；

[0024] 图2是双层金属复合结构散热板多孔镍层一侧的显微结构照片；

[0025] 图3为本发明的用于均热板进行热扩散的多层复合材料的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

[0026] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

[0027] 如图1和图2所示，本发明针对现有的问题，提供了一种用于均热板进行热扩散的多层复合材料，包括多孔金属层和致密金属层，所述多孔金属层和所述致密金属层采用扩
散烧结结合。

[0028] 为了获得致密金属层与多孔金属层复合在一起的用于均热板进行热扩散的多层复合材料，并使复合材料具备优良的散热效果，需要采用散热效果较好的致密金属材料作
为壳体或者基板，这些金属材料可以是纯铝和铝合金、纯铜和铜合金、纯镁和镁合金、纯钛
和钛合金、纯银和银合金、纯金和金合金、纯硅和硅合金以及纯镍和镍合金等常用的热管理
材料。

[0029] 进一步的，所述多孔金属层厚度为0.1mm～3mm，孔隙率为50％～95％，孔径为50μm～500μm，孔隙为通孔，孔与孔之间相互连通；所述致密金属层表面平整。

[0030] 所述多孔金属层的孔隙中可以添加冷却液，多孔金属层对各种冷却介质有优良吸附作用，冷却液在多孔金属层的孔隙里蒸发、冷凝的物理变化，实现循环散热；致密金属层
需要具有清洁平整的表面，才能与多孔金属材料实现牢固的冶金结合，将致密金属层进行
表面车削、铣削、磨削等机械加工，保证平面度在‑0.1mm范围内，表面清洁干净，具有新鲜的
金属表面，不能有油污、水渍、灰尘等污染物。

[0031] 如图3所示，本发明还提供了一种用于均热板进行热扩散的多层复合材料的制备方法，包括：

[0032] 步骤1，多孔金属层的预处理：将多孔金属层在氢气退火炉中进行还原性气氛下进行退火处理；

[0033] 步骤2，致密金属层的预处理：将基板金属材料进行表面车削、铣削、磨削，使其平面度在‑0.1mm范围内；

[0034] 步骤3，将经过预处理的多孔金属层与基板致密金属层放置在耐热钢或者石墨等耐高温的模具中，在真空或气氛保护下进行加热加压扩散烧结；

[0035] 步骤4，在扩散烧结后，持续保持烧结时的压力，降温至室温，破真空或停止气氛保护，得到用于均热板进行热扩散的多层复合材料。

[0036] 进一步的，所述多孔金属层的材质为多种不同金属制成，所述步骤1中退火处理的温度与金属材质相对应，氢气还原退火温度为200℃‑800℃，退火时间为30min‑90min。

[0037] 本发明中，退火温度根据多孔金属的材质不同，采用不同的退火温度，其中：多孔的镍及镍合金的氢气还原退火温度为400℃～900℃；多孔的铜及铜合金的氢气还原退火温
度为400℃～800℃；多孔的银及合金的氢气还原退火温度为300℃～800℃；多孔的钛及钛
合金的氢气还原退火温度为300℃～700℃；多孔的铝及铝合金的氢气还原退火温度为200
℃～500℃；多孔的镁及镁合金的氢气还原退火温度为200℃～450℃；多孔的金及金合金的
氢气还原退火温度为300℃～800℃。

[0038] 进一步的，所述步骤3中加压加热同时进行，所加压力范围为2MPa～20MPa。

[0039] 从室温升温开始，就要保持压力，压力值可随温度的升高而升高，也可在一定的温度下保持压力不变。

[0040] 进一步的，所述步骤3中扩散烧结温度为低于金属材料的熔点50℃～400℃，所述金属材料选取多孔金属层和致密金属层所用金属材料中熔点较低的金属材料，扩散烧结的
时间为30min～12h。

[0041] 本发明中，烧结温度设定原则为：选取多孔金属与基板致密金属中，两者熔点低的那种金属材料，以低于其熔点50℃～400℃的温度进行扩散烧结。如多孔金属镍(1453℃熔
点)与致密的铝合金(约650℃熔点)基板扩散烧结，烧结温度设定为350℃～450℃范围内；
如多孔金属铜(1083℃熔点)与致密的铝合金(约650℃熔点)基板扩散烧结，烧结温度也设
定为350℃～450℃范围内；如多孔金属镍(1453℃熔点)与致密的钛合金(1660℃熔点)基板
扩散烧结，烧结温度设定为1050℃～1250℃范围内，以此类推，烧结温度根据两种金属材料
的不同而调整。

[0042] 实施例1

[0043] 采用多孔金属镍和牌号为5A05的铝合金板材为材料，生产一种用于均热板进行热扩散的多层复合材料。

[0044] 步骤1，多孔金属层的预处理：将多孔金属镍在氢气炉中退火，其中多孔金属镍厚度为0.1mm～0.5mm，孔隙率为85％～95％，孔径为50μm～200μm，孔隙全部为通孔，孔与孔之
间完全连通；退火温度为600℃～700℃，退火时间为60±5min；

[0045] 步骤2，致密金属层的预处理：将牌号为5A05的铝合金板材进行表面车削和磨削，保证平面度在‑0.1mm范围内，表面清洁干净，具有新鲜的金属表面，不能有油污、水渍、灰尘
等污染物；

[0046] 步骤3，将经过预处理的多孔金属镍与致密的5A05铝合金板放置在真空炉中，采用石墨模具固定，并通过石墨模将叠放为层状的两种材料，进行加热加压扩散烧结，烧结温度
为350℃～450℃；烧结的时间为30min～35min；在烧结的同时加一定的压力，压力值为2～
5MPa；从室温升温开始，就要保持压力，整个扩散烧结过程中保持压力不变；

[0047] 步骤4，达到烧结温度和时间后，持续保持烧结时的压力，降温，直到降低到室温(30℃以下)，破真空，脱模，得到多孔镍和致密铝合金5A05两者扩散烧结成制成的复合材
料。

[0048] 通过所得双侧金属复合结构散热板的侧面显微结构照片，如图一所示，可见多孔镍与致密层铝合金结合紧密，形成典型的层状复合结构。而该复合材料多孔层一面，孔隙明
显，孔与孔之间连通，如图二所示。

[0049] 实施例2

[0050] 采用多孔金属铜和牌号为6063的铝合金板材为材料，生产一种用于均热板进行热扩散的多层复合材料。

[0051] 步骤1，多孔金属层的预处理：将多孔金属铜在氢气炉中退火，其中多孔金属铜厚度为0.2mm～1mm，孔隙率为70％～90％，孔径为100μm～500μm，孔隙全部为通孔，孔与孔之
间完全连通；退火温度为500℃～600℃，退火时间为80～90min；

[0052] 步骤2，致密金属层的预处理：将牌号为6063的铝合金板材进行表面车削和磨削，保证平面度在‑0.1mm范围内，表面清洁干净，具有新鲜的金属表面，不能有油污、水渍、灰尘
等污染物；

[0053] 步骤3，将经过预处理的多孔金属铜与致密的6063铝合金板放置在真空炉中，采用石墨模具固定，并通过石墨模将叠放为层状的两种材料，进行加热加压扩散烧结，烧结温度
为300℃～400℃；烧结的时间为10～12h；在烧结的同时加一定的压力，压力值为18～
20MPa；从室温升温开始，就要保持压力，整个扩散烧结过程中保持压力不变；

[0054] 步骤4，达到烧结温度和时间后，持续保持烧结时的压力，降温，直到降低到室温(30℃以下)，破真空，脱模，得到多孔铜和致密铝合金6063两者扩散烧结成制成的复合材
料。

[0055] 实施例3

[0056] 采用多孔金属铝和牌号为TC4的钛合金板材为材料，生产一种用于均热板进行热扩散的多层复合材料。

[0057] 步骤1，多孔金属层的预处理：将多孔金属铝在氢气炉中退火，其中多孔金属铝厚度为1mm～3mm，孔隙率为50％～80％，孔径为400μm～500μm，孔隙全部为通孔，孔与孔之间
完全连通；退火温度为300℃～400℃，退火时间为30min；

[0058] 步骤2，致密金属层的预处理：将牌号为TC4的钛合金板材进行表面车削和磨削，保证平面度在‑0.1mm范围内，表面清洁干净，具有新鲜的金属表面，不能有油污、水渍、灰尘等
污染物；

[0059] 步骤3，将经过预处理的多孔金属铝与致密的牌号为TC4的钛合金板材放置在氩气的惰性气氛保护炉中，采用石墨模具固定，并通过石墨模将叠放为层状的两种材料，进行加
热加压扩散烧结，烧结温度为300℃～400℃；烧结的时间为12h；在烧结的同时加一定的压
力，压力值为15～20MPa；从室温升温开始，就要保持压力，整个扩散烧结过程中保持压力不
变；

[0060] 步骤4，达到烧结温度和时间后，持续保持烧结时的压力，降温，直到降低到室温(30℃以下)，破气氛，脱模，得到多孔金属铝和致密钛合金TC4两者扩散烧结成制成的复合
材料。

[0061] 实施例4

[0062] 采用多孔金属银和牌号为AZ31的镁合金板材为材料，生产一种用于均热板进行热扩散的多层复合材料。

[0063] 步骤1，多孔金属层的预处理：将多孔金属银在氢气炉中退火，其中多孔金属银厚度为0.5mm～1mm，孔隙率为70％～90％，孔径为100μm～200μm，孔隙全部为通孔，孔与孔之
间完全连通；退火温度为500℃～600℃，退火时间为60min；

[0064] 步骤2，致密金属层的预处理：将牌号为AZ31的镁合金板材进行表面车削和磨削，保证平面度在‑0.1mm范围内，表面清洁干净，具有新鲜的金属表面，不能有油污、水渍、灰尘
等污染物；

[0065] 步骤3，将经过预处理的多孔金属银与致密的牌号为AZ31的镁合金板材放置在氩气的惰性气氛保护炉中，采用石墨模具固定，并通过石墨模将叠放为层状的两种材料，进行
加热加压扩散烧结，烧结温度为200℃～300℃；烧结的时间为30min；在烧结的同时加一定
的压力，压力值为2～5MPa；从室温升温开始，就要保持压力，整个扩散烧结过程中保持压力
不变；

[0066] 步骤4，达到烧结温度和时间后，持续保持烧结时的压力，降温，直到降低到室温(30℃以下)，破气氛，脱模，得到多孔金属银和致密镁合金AZ31两者扩散烧结成制成的复合
材料。

[0067] 实施例5

[0068] 采用多孔金属镍和牌号为AZ91的镁合金板材为材料，生产一种用于均热板进行热扩散的多层复合材料。

[0069] 步骤1，多孔金属层的预处理：将多孔金属镍在氢气炉中退火，其中多孔金属镍厚度为0.1mm～0.5mm，孔隙率为85％～95％，孔径为50μm～200μm，孔隙全部为通孔，孔与孔之
间完全连通；退火温度为600℃～700℃，退火时间为60±5min；

[0070] 步骤2，致密金属层的预处理：将牌号为AZ91的镁合金板材进行表面车削和磨削，保证平面度在‑0.1mm范围内，表面清洁干净，具有新鲜的金属表面，不能有油污、水渍、灰尘
等污染物；

[0071] 步骤3，将经过预处理的多孔金属镍与致密的牌号为AZ91的镁合金板材放置在氩气的惰性气氛保护炉中，采用石墨模具固定，并通过石墨模将叠放为层状的两种材料，进行
加热加压扩散烧结，烧结温度为200℃～300℃；烧结的时间为60min；在烧结的同时加一定
的压力，压力值为5～10MPa；从室温升温开始，就要保持压力，整个扩散烧结过程中保持压
力不变；

[0072] 步骤4，达到烧结温度和时间后，持续保持烧结时的压力，降温，直到降低到室温(30℃以下)，破气氛，脱模，得到多孔镍和致密镁合金AZ91两者扩散烧结成制成的复合材
料。

[0073] 实施例6

[0074] 采用多孔金属铝和金属纯银为材料，生产一种用于均热板进行热扩散的多层复合材料。

[0075] 步骤1，多孔金属层的预处理：将多孔金属铝在氢气炉中退火，其中多孔金属铝厚度为1mm～3mm，孔隙率为50％～80％，孔径为400μm～500μm，孔隙全部为通孔，孔与孔之间
完全连通；退火温度为300℃～400℃，退火时间为30min；

[0076] 步骤2，致密金属层的预处理：将金属纯银进行表面车削和磨削，保证平面度在‑0.1mm范围内，表面清洁干净，具有新鲜的金属表面，不能有油污、水渍、灰尘等污染物；

[0077] 步骤3，将经过预处理的多孔金属铝与致密的金属纯银放置在氩气的惰性气氛保护炉中，采用石墨模具固定，并通过石墨模将叠放为层状的两种材料，进行加热加压扩散烧
结，烧结温度为300℃～400℃；烧结的时间为5h；在烧结的同时加一定的压力，压力值为8～
10MPa；从室温升温开始，就要保持压力，整个扩散烧结过程中保持压力不变；

[0078] 步骤4，达到烧结温度和时间后，持续保持烧结时的压力，降温，直到降低到室温(30℃以下)，破气氛，脱模，得到多孔金属铝和金属纯银两者扩散烧结成制成的复合材料。

[0079] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也
应视为本发明的保护范围。