一种金刚石微流道的扩散连接方法

摘要

本发明公开一种金刚石微流道的扩散连接方法，包括以下步骤：步骤S1：将中间层加工成与焊接面匹配的形状；清洗第一金刚石壳体、第二金刚石壳体、中间层，并烘干；将中间层置于第一金刚石壳体的焊接面上，第二金刚石壳体置于中间层上，通过卡具压实；将装配好的待焊件，在真空、温度小于750℃的条件下通过放电等离子体进行烧结。本发明的有益效果：利用活性金属元素Ti和金刚石反应生成碳化物TiC实现金刚石和中间层的冶金结合；通过低熔点中间层和放电等离子体烧结的表面活化的有效结合，实现焊接界面的快速形成；借助中间层良好的塑性缓解应力；金刚石微流道的焊接精度高，连接接头气密性良好。

权利要求

1.一种金刚石微流道的扩散连接方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：加工第一金刚石壳体、第二金刚石壳体，并在第一金刚石壳体中加工微流道，在第一金刚石壳体、第二金刚石壳体上预留焊接面，其中，所述第一金刚石壳体为凹型结构，所述第二金刚石壳体为平板结构，凹型结构的顶面为焊接面，凹型结构的内陷处为微流道，凹型结构与平板结构焊接后形成方形结构，平板结构上具有冷却液入口和冷却液出口；

步骤S2：将AgCuTi材质制得的中间层加工成与焊接面匹配的形状；

步骤S3：清洗第一金刚石壳体、第二金刚石壳体、中间层，并烘干；

步骤S4：将中间层置于第一金刚石壳体的焊接面上，第二金刚石壳体置于中间层上，通过卡具压实；

步骤S5：将装配好的待焊件放在放电等离子体烧结炉内通过放电等离子体烧结模式，‑4

进行扩散烧结连接，其中，所述放电等离子体烧结炉内的真空度至少为10 Pa，以50‑150℃/min升温至500‑550℃保温5‑10min，并施加压力2‑5MPa，后30‑50℃/min的速度降至室温，完成焊接。

2.根据权利要求1所述的一种金刚石微流道的扩散连接方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过激光加工微流道。

3.根据权利要求1所述的一种金刚石微流道的扩散连接方法，其特征在于，所述步骤S1中，焊接面粗糙度在Ra1.6以下。

4.根据权利要求1所述的一种金刚石微流道的扩散连接方法，其特征在于，所述步骤S2中，中间层为AgCuTi箔片，所述AgCuTi箔片为AgCu28共晶钎料和1‑7wt.%Ti制得。

5.根据权利要求1所述的一种金刚石微流道的扩散连接方法，其特征在于，所述步骤S2中，中间层厚度为50‑150μm。

6.根据权利要求1所述的一种金刚石微流道的扩散连接方法，其特征在于，所述步骤S3中，将第一金刚石壳体、第二金刚石壳体、中间层放入丙酮溶液中超声清洗8‑15min。

7.根据权利要求1所述的一种金刚石微流道的扩散连接方法，其特征在于，所述步骤S4中卡具包括上压头、下压头、套筒，所述套筒为中空结构，所述套筒套接在整个待焊件的外部上压头位于第二金刚石壳体顶部，下压头位于第一金刚石壳体底部。

说明书

一种金刚石微流道的扩散连接方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高功率电子器件和设备的微流道的气密封接方法，尤其涉及的是一种金刚石微流道的连接方法。

背景技术

[0002] 随着电子设备的高功率化、高集成化和高频化发展，电子器件的单位体积的发热量越来越大，引发的温度过高、热应力等问题严重影响了器件性能、可靠性和寿命，使得散
热问题已经成为高功率器件发展与应用的瓶颈。电子器件的散热能力极大程度上取决于外
围的散热材料，而传统导热材料(铝、铜等)受自身导热率和重量的限制，已无法满足我国新
一代电子设备的发展要求，开发并应用新一代低密度、更高散热能力的热沉材料迫在眉睫。

[0003] 金刚石，即常说的钻石，是天然存在的最坚硬的物质，被作为切割工具广泛应用于工业领域。同时，金刚石还是自然界中热导率最高的物质，且具有高光学传输能力、低膨胀
系数和低密度等特性，是高功率电子器件封装的热门原材料之一。通过金刚石的微流道设
计，利用高宽比通道增加提高表面积，提高金刚石衬底和散热工质之间的对流传热系数，对
提高散热效果具有重要作用。目前，金刚石流道式散热器在航空航天领域被认为是电子器
件理想的冷却器件。

[0004] 金刚石散热器一般包括上下金刚石壳、内部流道以及工作流体三个部分。来自热源器件的热量首先传递到金刚石散热器上表面，然后通过固体热传导传递到散热板下表
面，在通过固体与液体的对流换热传递给流动的工作流体后，将热量快速运输到远离热源
器件的部位，达到对热源器件的温度控制。在金刚石微流道散热器件的制备中，通常采用激
光加工方法在金刚石壳体中制备微流道，而后通过焊接的方式，实现壳体和盖板之间的连
接，最后形成金刚石散热器件。因此，如何实现金刚石微流道的高可靠连接，是实现其工程
应用的核心问题之一。

[0005] 目前，金刚石连接主要采用钎焊和扩散焊接方法。在钎焊连接中，如申请号：202010324599.X，所述金刚石微流道薄膜600与所述第二Si衬底，在室温及压强范围为1MPa
～2MPa的条件下进行键合。由于金刚石和金属的化学键性不同使得两者之间存在着较高的
界面能，常规金属一般难以和金刚石之间形成化学结合；而采用活性钎料通过反应润湿提
高焊接性时，则存在精度控制不良、钎料流淌堵塞流道等问题。在扩散焊连接时，金刚石的
高稳定性使得扩散速率慢、耗时长；同时，金刚石为高硬脆性材料，表面处理难度大，难以实
现焊接面的精确配合，而施加高压则容易造成金刚石微流道的破坏。另外，受金刚石石墨化
转变温度所限，在真空环境中金刚石的连接温度也不宜超过850℃。因此，金刚石微流道散
热器件的焊接存在着巨大的挑战。

[0006] 公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

[0007] 本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有技术中金刚石微流道的焊接方式导致焊接接头处焊接性不良、焊接速度缓慢的问题。

[0008] 本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

[0009] 一种金刚石微流道的扩散连接方法，包括以下步骤：

[0010] 步骤S1：加工第一金刚石壳体、第二金刚石壳体，并在第一金刚石壳体或/和第二金刚石壳体中加工微流道，在第一金刚石壳体、第二金刚石壳体上预留焊接面；

[0011] 步骤S2：将AgCuTi材质制得的中间层加工成与焊接面匹配的形状；

[0012] 步骤S3：清洗第一金刚石壳体、第二金刚石壳体、中间层，并烘干；

[0013] 步骤S4：将中间层置于第一金刚石壳体的焊接面上，第二金刚石壳体置于中间层上，通过卡具压实；

[0014] 步骤S5：将装配好的待焊件，在真空、温度小于750℃的条件下通过放电等离子体进行烧结。

[0015] 本发明利用活性金属元素Ti和金刚石反应生成碳化物TiC实现金刚石和中间层的冶金结合；通过低熔点中间层和放电等离子体烧结的表面活化作用的有效结合，实现焊接
界面的快速形成；借助中间层利用中间层良好的塑性缓解应力；同时，由于中间层不融化，
该方法可提高金刚石微流道的焊接精度，并避免钎料堵塞流道等问题；通过该方法获得的
连接接头气密性良好，拉伸强度可达150MPa。

[0016] 优选的，所述步骤S1中，所述第一金刚石壳体为凹型结构，所述第二金刚石壳体为平板结构，凹型结构的顶面为焊接面，凹型结构的内陷处为微流道，凹型结构与平板结构焊
接后形成方形结构，平板结构上具有冷却液入口和冷却液出口。

[0017] 根据实际需要、加工条件，可以采用两个凹型结构对接形成，也可以采用一个凹型结构与一个平板结构对接形成。

[0018] 优选的，所述步骤S1中，通过激光加工微流道。

[0019] 优选的，所述步骤S1中，焊接面粗糙度在Ra1.6以下。

[0020] 优选的，所述步骤S2中，中间层为AgCuTi箔片，所述AgCuTi箔片为AgCu28共晶钎料和1‑7wt.％Ti制得。AgCu28共晶钎料与Ti通过熔炼的方式进行结合，钎料不含易挥发元素，
适用于保护气氛炉中或真空中的焊接。

[0021] 优选的，所述步骤S2中，中间层厚度为50‑150μm。

[0022] 优选的，所述步骤S3中，将第一金刚石壳体、第二金刚石壳体、中间层放入丙酮溶液中超声清洗8‑15min。

[0023] 清洗的目的是除油除污，还可以通过泡在酒精溶液中进行清洗。

[0024] 优选的，所述步骤S4中卡具包括上压头、下压头、套筒，所述套筒为中空结构，所述套筒套接在整个待焊件的外部，上压头位于第二金刚石壳体顶部，下压头位于第一金刚石
壳体底部。

[0025] 优选的，所述步骤S5中，将装配好的待焊件放在放电等离子体烧结炉内，采用放电等离子体烧结模式，进行扩散烧结连接。

[0026] 优选的，放电等离子体烧结炉内的真空度至少为10‑4Pa，以50‑150℃/min升温至500‑550℃保温5‑10min，并施加压力2‑5MPa，而后30‑50℃/min的速度降至室温，完成焊接。

[0027] 放电等离子体进行烧结，具有加热均匀，升温速度快，烧结温度低，烧结时间短，生产效率高，产品组织细小均匀，能保持原材料的自然状态，可以得到高致密度的材料，可以
烧结梯度材料以及复杂工件。放电等离子体烧结炉操作简单。

[0028] 本发明的优点在于：

[0029] (1)本发明利用活性金属元素Ti和金刚石反应生成碳化物TiC分布在连接层中，实现金刚石和中间层的冶金结合，接头处连接良好、完整致密；通过低熔点中间层和放电等离
子体烧结的表面活化作用的有效结合，实现焊接界面的快速形成；借助中间层良好的塑性
缓解应力；同时，由于中间层不熔化，该方法可提高金刚石微流道的焊接精度，并避免钎料
堵塞流道等问题；通过该方法获得的连接接头气密性良好，拉伸强度可达150MPa；

[0030] (2)根据实际需要、加工条件，可以采用两个凹型结构对接形成，也可以采用一个凹型结构与一个平板结构对接形成；

[0031] (3)AgCu28共晶钎料与Ti通过熔炼的方式进行结合，钎料不含易挥发元素，适用于保护气氛炉中或真空中的焊接；

[0032] (4)清洗的目的是除油除污，还可以通过泡在酒精溶液中进行清洗；

[0033] (5)放电等离子体进行烧结，具有加热均匀，升温速度快，烧结温度低，烧结时间短，生产效率高，产品组织细小均匀，能保持原材料的自然状态，可以得到高致密度的材料，
可以烧结梯度材料以及复杂工件。放电等离子体烧结炉操作简单。

附图说明

[0034] 图1是本发明实施例一金刚石壳体的结构示意图；

[0035] 图2是本发明实施例一金刚石壳体在卡具卡接的示意图；

[0036] 图3是实施例二中金刚石壳体在卡具卡接的示意图；

[0037] 图4是金刚石与AgCuTi界面电镜图；

[0038] 图中标号：1、第一金刚石壳体；2、第二金刚石壳体；21、冷却液入口；22、冷却液出口；3、中间层；4、卡具；41、上压头；42、下压头；43、套筒；

具体实施方式

[0039] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部
分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出
创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0040] 实施例一：

[0041] 如图1、图2所示，一种金刚石壳体，包括第一金刚石壳体1、第二金刚石壳体2、中间层3，本实施例中，所述第一金刚石壳体1为凹型结构，所述第二金刚石壳体2为平板结构，凹
型结构的顶面为焊接面，凹型结构的内陷处为微流道，凹型结构、中间层3、平板结构焊接后
形成方形结构，平板结构上具有冷却液入口21和冷却液出口22；

[0042] 一种金刚石微流道的扩散连接方法，包括以下步骤：

[0043] 步骤S1：加工第一金刚石壳体1、第二金刚石壳体2，使得二者匹配，通过激光在第一金刚石壳体1内加工微流道，在第一金刚石壳体1、第二金刚石壳体2上预留焊接面，焊接
面粗糙度在Ra1.6以下；

[0044] 步骤S2：将AgCuTi材质制得的中间层3加工成与焊接面匹配的形状；所述中间层3为AgCuTi箔片，AgCuTi箔片为AgCu28共晶钎料和1‑7wt.％Ti通过熔炼的方式制得，钎料不
含易挥发元素，适用于保护气氛炉中或真空中的焊接；中间层厚度为50‑150μm。

[0045] 步骤S3：将第一金刚石壳体1、第二金刚石壳体2、中间层3放入丙酮溶液中超声清洗10min，并烘干；清洗的目的是除油除污；

[0046] 步骤S4：如图2所示，在第一金刚石壳体1的焊接面上依次装配中间层3、第二金刚石壳体2，通过与之相适配的卡具4压实；卡具4包括上压头41、下压头42、套筒43，上压头41
位于第二金刚石壳体2顶部，下压头42位于第一金刚石1壳体底部，套筒43分别位于整个待
焊件的外部；整个卡具4为石墨材质制得，上压头41、下压头42的形状与套筒43两端的开口
形成相适应，保证整个待焊件的四周能够被压紧。

[0047] 步骤S5：将装配好的待焊件放在放电等离子体烧结炉内，采用放电等离子体烧结‑4
模式，进行扩散烧结连接；放电等离子体烧结炉内的真空度至少为10 Pa，以50℃/min升温
至550℃保温5min，并施加压力2MPa，后30℃/min的速度降至室温，完成焊接。

[0048] 放电等离子体进行烧结，具有加热均匀，升温速度快，烧结温度低，烧结时间短，生产效率高，产品组织细小均匀，能保持原材料的自然状态，可以得到高致密度的材料，可以
烧结梯度材料以及复杂工件。放电等离子体烧结炉操作简单。

[0049] 本实施例利用活性金属元素Ti和金刚石反应生成碳化物TiC实现金刚石和中间层的冶金结合；通过低熔点中间层和放电等离子体烧结的表面活化的有效结合，实现焊接界
面的快速形成；借助中间层利用中间层良好的塑性缓解应力；同时，由于AgCu28共晶钎料的
熔点为779摄氏度，在烧结过程中，中间层不融化，该方法可提高金刚石微流道的焊接精度，
并避免钎料堵塞流道等问题；通过该方法获得的连接接头气密性良好，拉伸强度可达
150MPa。

[0050] 实施例二：

[0051] 如图3所示，本实施例与实施例一的区别在于：第一金刚石壳体1、第二金刚石壳体2的结构不同；

[0052] 本实施例中，第一金刚石壳体1与第二金刚石壳体2均为凹型结构，两个凹型结构对接后内部形成微流道，第一金刚石壳体1或者第二金刚石壳体2上具有冷却液入口21和冷
却液出口22。

[0053] 根据实际需要、加工条件等，进行选择实施例一或实施例二中的结构。

[0054] 实施例三：

[0055] 本实施例与实施例一的区别在于：步骤S3中，将第一金刚石壳体1、第二金刚石壳体2、中间层3放入酒精溶液中进行浸泡10min，通过泡在酒精溶液中进行清洗。

[0056] 实施例四：

[0057] 本实施例与实施例一的区别在于：步骤S5烧结条件不同：

[0058] 将装配好的待焊件放在放电等离子体烧结炉内，采用放电等离子体烧结模式，进‑4
行烧结；放电等离子体烧结炉内的真空度为10 Pa，以100℃/min升温至520℃保温8min，并
施加压力3.5MPa，后40℃/min的速度降至室温，完成焊接。

[0059] 实施例五：

[0060] 本实施例与实施例一的区别在于：步骤S5烧结条件不同：

[0061] 步骤S5：将装配好的待焊件放在放电等离子体烧结炉内，采用放电等离子体烧结‑4
模式，进行烧结；放电等离子体烧结炉内的真空度为10 Pa，以150℃/min升温至500℃保温
10min，并施加压力5MPa，后50℃/min的速度降至室温，完成焊接。

[0062] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施
例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者
替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。