CN104218010B - 一种金属热界面材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及本发明涉及的一种金属热界面材料，其特征在于，其从上至下依次为低熔点金属层、铟箔层、低熔点金属层为顺序的三层结构。所述低熔点金属为熔点在80℃以下的镓基合金、铟基合金或铋基合金。使用时，将此种热界面材料放置在热源与散热器之间，温度升高至低熔点金属熔点时，上下两层低熔点金属层熔化，实现热源与散热器之间优异的热接触。低熔点金属熔化后与中间铟箔层熔为一体形成合金，合金的熔点高于低熔点金属。此时，热界面材料不仅紧密固定在传热界面上；而且在后续使用中，热界面材料始终为固体，不会熔化而溢出。本发明使用方便、安全可靠、能有效降低接触热阻，可广泛用于航天热控、先进能源、信息电子等导热散热领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属热界面材料，其通过低熔点金属熔化进而实现热源与散热器之间优异的热接触，最终，铟箔与低熔点金属熔为一体，得到高熔点金属合金。此时，热界面材料可牢牢地固定在与之接触的电子器件之间的两界面上。
背景技术
随着当代电子技术迅速的发展，电子元器件的集成程度和组装密度不断提高，在提供了强大的使用功能的同时，也导致了其工作功耗和发热量的急剧增大。高温将会对电子元器件的稳定性、可靠性和寿命产生有害的影响。因此，确保发热电子元器件所产生的热量能够及时的排出，己经成为微电子产品系统组装的一个重要方面。热界面材料成为电子元器件散热的重要研究对象。
目前，热界面材料可分为三类：粘结固化导热胶、相变材料和导热弹性体材料。金属热界面材料为一种常用的导热弹性体材料，包括纯金属热界面材料和铟箔。然而纯金属热界面材料和铟箔存在以下不足：(1)纯金属热界面材料在使用时需将其熔化后再使用，使用过程中会有金属反复凝固熔化而溢出的可能，将导致电子元器件短路等危险；同时，使用过程中的固液相变体积变化会损伤发热元件。(2)铟箔熔点较高，在使用过程中均为固态，导致铟箔不能很好地填充电子元器件之间的空气间隙，导致接触热阻较大，导热效率低。
为解决以上不足，本发明提出一种金属热界面材料，此种热界面材料在首次使用时，加热至低熔点金属熔化，进而促使铟箔与低熔点金属熔为一体，不仅可实现热源与散热器之间优异的热接触，同时最终使此种热界面材料牢牢地固定在与之接触的电子器件之间的两界面上，不会有溢出和相变体积变化的风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属热界面材料，其通过低熔点金属1熔化进而用来溶解铟箔2，铟箔2与低熔点金属1溶为一体，得到高熔点金属合金5。此时不仅可实现热源与散热器之间优异的热接触，同时热界面材料可呈现固体状态，牢牢地固定在与之接触的电子器件之间的两界面上。
本发明的技术方案如下：
一种金属热界面材料，如图1所示，其特征在于，其组成如下：
所述金属热界面材料从上至下依次为低熔点金属层1、铟箔层2、低熔点金属层1为顺序的三层结构；
所述低熔点金属为熔点在80℃以下的镓基合金、铟基合金或铋基合金。
所述镓基合金为镓基二元合金或镓基多元合金中的一种。
所述镓基二元合金为镓铟合金或镓铅合金或镓汞合金中的一种。
所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌合金中的一种。
所述铟基合金为铟铋锡合金。
所述热界面材料的制备方法为往铟箔的上下两面喷涂或碾压或涂覆所述的低熔点金属。
所述铟箔层厚度范围是0.001mm～2mm。
所述低熔点金属层厚度范围是0.001mm～1mm。
所述铟箔层和低熔点金属层的尺寸大小由实际发热器件的导热界面尺寸决定。
使用时，将此种热界面材料放置在热源3与散热器4之间，温度升高至低熔点金属熔点时，上下两层低熔点金属层1熔化，实现热源3与散热器4之间优异的热接触。低熔点金属熔化后与中间铟箔层2熔为一体形成合金，熔点升高。此时，热界面材料不仅牢牢地固定在与之接触的热源3与散热器4之间的两界面上；而且在后续使用过程中，此种热界面材料始终为固体，不会因熔化而溢出。
本发明所述的一种金属热界面材料具有如下优点：
(1)本发明的一种金属热界面材料具有所述的三层结构，在首次使用时，上下两层低熔点金属层1熔化，实现热源3与散热器4之间优异的热接触。，克服了铟箔不能很好地填充电子元器件之间的空气间隙的问题，大大降低了接触热阻。
(2)本发明的一种金属热界面材料具有所述的三层结构，在首次使用后，形成固态高熔点金属合金，克服了传统纯金属在使用期间会出现金属反复凝固熔化而溢出的可能和固液相变体积变化损伤发热元件的现象，让电子元器件在使用过程中更加安全可靠。
附图说明
图1为实施例中一种金属热界面材料在电子器件散热中的使用过程变化示意图。
附图标记说明：1-低熔点金属；2-铟箔；3-热源；4-散热器；5-高熔点金属合金。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例进一步描述本发明。
实施例1
实施例1展示了本发明的金属热界面材料的一种典型应用。图1为一种金属热界面材料在电子器件散热中的使用过程变化示意图。其中，1为低熔点金属；2为铟箔；3为CPU热源；4为散热器；5为高熔点金属合金。
如图1所示，本实施例中CPU为热源，散热器为普通CPU散热器，CPU发热功率为100W。所采用的金属热界面材料大小为40×40mm，铟箔厚度为1mm，铟箔上下两面的低熔点金属厚度各为0.5mm。低熔点金属为铟铋锡合金(各组分质量分数为In：51％、Bi：32.5％、Sn：16.5％)，其熔点为60℃。
使用时，将此种热界面材料放置在热源3与散热器4之间，温度升高至低熔点金属熔点60℃时，上下两层低熔点金属层1熔化，实现热源3与散热器4之间优异的热接触。低熔点金属熔化后与中间铟箔层2熔为一体形成合金，合金组分为In 77.9％、Bi 14.7％、Sn7.4％，熔点为102℃。此时，热界面材料不仅牢牢地固定在与之接触的热源3与散热器4之间的两界面上；而且在后续使用过程中，此种热界面材料始终为固体，不会因熔化而溢出。
由于纯铟箔的熔点较高，在使用时为不会熔化，导致其分别热源及散热器之间都有很大的空气间隙，从而使接触热阻变大。实验表明，在本实施例中，若使用传统铟箔作为热界面材料，热源与散热器之间的接触热阻温差为16℃。若采用本实施例中的热界面材料，接触热阻温差仅为2.5℃，接触热阻大幅度降低。同时，由于在使用过程中，低熔点金属与铟箔熔合成高熔点合金，最终得到的熔点为102℃的高熔点合金与热源及散热器均牢牢固定在一起，没有空气间隙，且不会存在反复凝固熔化溢流的危险。
实施例2
本实施例中LED为热源，散热器为普通LED散热器，LED发热功率为100W。所采用的金属热界面材料大小为40×40mm，铟箔厚度为2mm，铟箔上下两面的低熔点金属厚度各为1mm。低熔点金属为铟铋锡合金(各组分质量分数为In：51％、Bi：32.5％、Sn：16.5％)，其熔点为60℃。
使用时，将此种热界面材料放置在热源3与散热器4之间，温度升高至低熔点金属熔点60℃时，上下两层低熔点金属层1熔化，实现热源3与散热器4之间优异的热接触。低熔点金属熔化后与中间铟箔层2熔为一体形成合金，合金组分为In 77.9％、Bi 14.7％、Sn7.4％，熔点为102℃。此时，热界面材料不仅牢牢地固定在与之接触的热源3与散热器4之间的两界面上；而且在后续使用过程中，此种热界面材料始终为固体，不会因熔化而溢出。
实验表明，在本实施例中，若使用传统铟箔作为热界面材料，热源与散热器之间的接触热阻温差为16℃。若采用本实施例中的热界面材料，接触热阻温差仅为8℃，接触热阻大幅度降低。
实施例3
本实施例中IGBT为热源，散热器为普通IGBT散热器，IGBT发热功率为200W。所采用的金属热界面材料大小为50×100mm，铟箔厚度为0.001mm，铟箔上下两面的低熔点金属厚度各为0.001mm。低熔点金属为铟铋锡合金(各组分质量分数为In：51％、Bi：32.5％、Sn：16.5％)，其熔点为60℃。
使用时，将此种热界面材料放置在热源3与散热器4之间，温度升高至低熔点金属熔点60℃时，上下两层低熔点金属层1熔化，实现热源3与散热器4之间优异的热接触。低熔点金属熔化后与中间铟箔层2熔为一体形成合金，合金组分为In 69.5％、Bi 20.2％、Sn10.3％，熔点为91℃。此时，热界面材料不仅牢牢地固定在与之接触的热源3与散热器4之间的两界面上；而且在后续使用过程中，此种热界面材料始终为固体，不会因熔化而溢出。
实验表明，在本实施例中，若使用传统铟箔作为热界面材料，热源与散热器之间的接触热阻温差为32℃。若采用本实施例中的热界面材料，接触热阻温差仅为4℃，接触热阻大幅度降低。
实施例4
本实施例中激光晶体为热源，散热器为普通激光晶体散热器，激光晶体发热功率为150W。所采用的金属热界面材料大小为10×10mm，铟箔厚度为0.01mm，铟箔上下两面的低熔点金属厚度各为1mm。低熔点金属为铟铋锡合金(各组分质量分数为In：51％、Bi：32.5％、Sn：16.5％)，其熔点为60℃。
使用时，将此种热界面材料放置在热源3与散热器4之间，温度升高至低熔点金属熔点60℃时，上下两层低熔点金属层1熔化，实现热源3与散热器4之间优异的热接触。低熔点金属熔化后与中间铟箔层2熔为一体形成合金，合金组分为In 51.3％、Bi 32.3％、Sn16.4％，熔点为82℃。此时，热界面材料不仅牢牢地固定在与之接触的热源3与散热器4之间的两界面上；而且在后续使用过程中，此种热界面材料始终为固体，不会因熔化而溢出。
实验表明，在本实施例中，若使用传统铟箔作为热界面材料，热源与散热器之间的接触热阻温差为18℃。若采用本实施例中的热界面材料，接触热阻温差仅为4℃，接触热阻大幅度降低。
实施例5
本实施例中CPU为热源，散热器为普通CPU散热器，CPU发热功率为100W。所采用的金属热界面材料大小为40×40mm，铟箔厚度为2mm，铟箔上下两面的低熔点金属厚度各为0.8mm。低熔点金属为铟铋锡合金(各组分质量分数为In：51％、Bi：32.5％、Sn：16.5％)，其熔点为60℃。
使用时，将此种热界面材料放置在热源3与散热器4之间，温度升高至低熔点金属熔点时，上下两层低熔点金属层1熔化，实现热源3与散热器4之间优异的热接触。低熔点金属熔化后与中间铟箔层2熔为一体形成合金，熔点升高。此时，热界面材料不仅牢牢地固定在与之接触的热源3与散热器4之间的两界面上；而且在后续使用过程中，此种热界面材料始终为固体，不会因熔化而溢出。
使用时，将此种热界面材料放置在热源3与散热器4之间，温度升高至低熔点金属熔点60℃时，上下两层低熔点金属层1熔化，实现热源3与散热器4之间优异的热接触。低熔点金属熔化后与中间铟箔层2熔为一体形成合金，合金组分为In 80.6％、Bi 12.9％、Sn6.5％，熔点为137℃。此时，热界面材料不仅牢牢地固定在与之接触的热源3与散热器4之间的两界面上；而且在后续使用过程中，此种热界面材料始终为固体，不会因熔化而溢出。
实验表明，在本实施例中，若使用传统铟箔作为热界面材料，热源与散热器之间的接触热阻温差为16℃。若采用本实施例中的热界面材料，接触热阻温差仅为3℃，接触热阻大幅度降低。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种金属热界面材料，其从上至下依次为低熔点金属层、铟箔层、低熔点金属层为顺序的三层结构，其中所述低熔点金属为熔点在80℃以下的镓基合金、铟基合金或铋基合金，当所述金属热界面材料首次使用时的温度高于所述低熔点金属的熔点时，所述上下两层低熔点金属层熔化，并与中间铟箔层熔为一体形成固态高熔点金属合金。
2.按权利要求1所述的一种金属热界面材料，其特征在于，所述镓基合金为镓基二元合金或镓基多元合金中的一种。
3.按权利要求2所述的一种金属热界面材料，其特征在于，所述镓基二元合金为镓铟合金或镓铅合金或镓汞合金中的一种。
4.按权利要求2所述的一种金属热界面材料，其特征在于，所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌合金中的一种。
5.按权利要求1所述的一种金属热界面材料，其特征在于，所述铟基合金为铟铋锡合金。
6.按权利要求1所述的一种金属热界面材料，其特征在于，所述铟箔层厚度范围是0.001mm～2mm。
7.按权利要求1所述的一种金属热界面材料，其特征在于，所述低熔点金属层厚度范围是0.001mm～1mm。
8.按权利要求1所述的一种金属热界面材料，其特征在于，所述热界面材料的制备方法为往铟箔的上下两面喷涂或碾压或涂覆所述的低熔点金属。
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