CN103722804A - 一种具有双熔点特征的四元液态金属热界面材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有双熔点特征的四元液态金属热界面材料。其三层箔状结构，上下两层的材料由铟、铋、锡和锌组成，其摩尔百分数分别是铟50%、铋18%、锡24%和锌8%；中间层的材料铟、铋、锡和锌组成，其摩尔百分数分别是铟33%、铋26%、锡29%和锌12%。本发明设计的具有双熔点特征的四元液态金属热界面材料在初始安装后可以在较低温度下完全填充发热体和散热体之间的孔隙，随后由于扩散而产生固化。在正常工作温度下会处于固态。当电子器件温度上升到设计值时，液态金属热界面材料会产生二次熔化来来达到大幅度冷却电子器件的目的，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及一种液态金属热界面材料，具体地说，涉及一种具有双熔点特征的四元液态金属热界面材料。
背景技术
随着电子芯片高度集成化的发展,整个电子器件的发热功率越来越大,不同部件的工作温度大幅度上升。电子器件的工作温度直接决定其使用寿命和稳定性。器件在高的温度下工作会极大地降低电子器件的使用寿命。要让电子器件工作在合理的温度范围内，除了保证工作环境温度在合理范围内之外，还必须要对电子器件进行有效的散热处理。散热问题已经变成微电子技术发展的关键技术瓶颈。在电子产品各个组件由内向外散热途径中,热界面材料是决定散热功率高低的关键材料。热界面材料是用来填充发热体和散热体之间孔隙,起着增进热传递效率和降低热阻抗的介质。
典型的热界面材料可以分为:导热硅脂,导热凝胶,高分子热界面材料和金属热界面材料等。导热硅脂导热系数大约为3-5W/m·K。可以通过在硅脂中添加氧化铝(Al2O3),氮化铝(AlN),二氧化硅(SiO2),氮化硼(BN),碳化硅(SiC)等陶瓷颗粒和银(Ag),铜(Cu)等金属颗粒来进一步提高硅脂的导热能力。导热凝胶是在具有较好弹性或塑性的有机物基体中添加具有高导热率的颗粒,并经过固化交联反应制备而成,导热系数大约为3-4W/m·K。高分子热界面材料主要包括熔融温度在50-80℃之间的热塑性树脂。这些材料传热系数本身很低,可以通过添加高导热的颗粒将材料的传热系数维持在1-2W/m·K左右。液态金属热界面材料具有极高导热系数(约为80W/m·K)的一种新型合金介质,可以在室温下以液态,膏状和箔状的形态存在。通过在液态金属里添加纳米铜和纳米银可以将材料的导热系数提高到120W/m·K左右。液态金属热界面材料由于具有极高的导热系数而使得芯片的散热能力能有大幅度提升。令人感到遗憾的是,液态金属在高温工作时流动性过大可能导致电路短路。理想的液态金属热界面材料不仅可以在熔化时利用其高流动性来填充发热体和散热体之间的孔隙,同时可以避免液态金属热界面材料在高温时的流动性导致的电路短路。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有双熔点特征的四元液态金属热界面材料。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种四元液态金属热界面材料，是三层箔状结构，上下两层的材料由铟、铋、锡和锌组成，其摩尔百分数分别是铟50%、铋18%、锡24%和锌8%；中间层的材料由铟、铋、锡和锌组成，其摩尔百分数分别是铟33%、铋26%、锡29%和锌12%。
进一步的，在上述液态金属热界面材料中，所述上下两层是一样的厚度。
进一步的，在上述液态金属热界面材料中，所述上下两层材料的厚度是一样大的，上下两层的厚度优选为0.01mm，中间层材料的厚度优选为0.03mm。
本发明的四元液态金属热界面材料具有三层结构的箔状材料,且层状结构分布具有对称特征。上层和下层具有同样的厚度和成分。中间层具有不同于上下层的合金成分。上层和下层具有低于中间层的熔点,当上层和下层合金熔化时可以有效地填充发热体和散热体之间的间隙,提高传热效率。当上层和下层合金熔化时,与中间层固态合金材料发生扩散而改变成分，成分的变动使得上下层合金凝固。当器件温度变得更高时,已经固化的上下层和中间层可以再次发生熔化,从而在更高的温度下进行高效的导热。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明设计的具有双熔点特征的四元液态金属热界面材料，克服了一般的箔状液态金属热界面材料只能在某个单一温度下熔化, 且液态状态下合金流动性过大的问题。同时也保证了当器件温度继续上升时，已经固化的液态金属热界面材料可以进一步熔化来进行高效散热的特性。该箔状液态金属热界面材料在初始安装后可以在较低温度下完全填充发热体和散热体之间的孔隙，随后由于扩散而产生固化。在正常工作温度下会处于固态。当电子器件温度上升到设计值时，液态金属热界面材料会产生二次熔化来达到大幅度冷却电子器件的目的，应用前景广阔。
附图说明
图1是三明治结构液态金属热界面材料结构示意图。
图2是利用A-B-C-D四元体系中的两个低熔点成分(a和b)来制备双熔点液态金属热界面材料的示意图,c成分点表示整个体系的熔点。
图3是具有双熔点特征的四元液态金属热界面材料实施在发热体和散热体之间的示意图。
具体实施方式
实施例
1
In-Bi-Sn-Zn组成的四元液态金属热界面材料,上下两层的成分选择为In0.50-0.18Bi-0.24Sn-0.08Zn
(摩尔分数)。中间层的材料选择In0.33-0.26Bi-0.29Sn-0.12Zn
(摩尔分数),按照该配方配制的合金经过真空感应炉熔炼后制备成三层箔状结构，上下层的厚度为0.01mm，中间层的厚度为0.03mm。然后将三层箔状合金材料合并为具有三明治结构的液态金属热界面材料，熔点在100℃左右，如图1所示。分别是具有较低熔点的上下层(a)以及具有较高熔点的中间层(b)。本发明从元素周期表上选择具有和发热体与散热体材料具有足够化学相容性的元素。并参照二元和多元相图选择两个具有合适熔点的合金成分。其中一个熔点较低(Tl),另外一个熔点较高(Th)。Tl的温度根据需要可以选择在50-80℃，Th的选择要依据电子器件的最高工作温度(Tm)来定。图2是从四元相图设计具有双熔点特征的液态金属热界面材料示意图。其中a和b点成分分别对应着图2中的上下层和中间层, c点对应的成分是整个材料的平均成分。低熔点的箔状材料和高熔点的箔状材料组成的三明治结构的平均成分所对应的熔点要控制在Tm左右。
将所得具有双熔点特征的四元液态金属热界面材料应用于发热体和散热体之间，如图3所示。当发热体温度升高到Tl时，最外围的液态金属材料率先熔化，流动并填充周围凹凸不平的间隙，提高传热效率。当上层和下层合金熔化时,与中间层固态合金材料发生扩散而改变成分，成分的变动使得上下层合金凝固。当器件温度变得更高时,已经固化的上下层和中间层可以再次发生熔化,从而在更高的温度下进行高效的导热。三明治结构箔状液态金属材料最终熔点可以控制在比电子器件最高工作温度高5℃左右。
Claims (3)
1.一种四元液态金属热界面材料，其特征是三层箔状结构，上下两层的材料由铟、铋、锡和锌组成，其摩尔百分数分别是铟50%、铋18%、锡24%和锌8%；中间层的材料由铟、铋、锡和锌组成，其摩尔百分数分别是铟33%、铋26%、锡29%和锌12%。
2.如权利要求1所述的液态金属热界面材料，其特征在于，所述上下两层是一样的厚度。
3.如权利要求所述的液态金属热界面材料，其特征在于，所述上下两层材料的厚度为0.01mm，中间层材料的厚度为0.03mm。
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