CN104582446B - 一种复合结构的导热垫片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合结构的导热垫片，属于电子组装领域。所述导热垫片的基体表面复合有微量低温金属。所述的导热垫片基体成分为纯金属、金属合金或非金属，具有优良的导热性且熔点高于工作温度。所述的低温金属成分为纯金属或合金，其固相点低于导热垫片的工作温度，含量与界面粗糙度相关。本发明通过在导热垫片基体表面复合少量低熔点金属，使其在使用温度下发生熔化，利用液态金属的流动性填充空隙，减少导热垫片与器件的接触热阻，同时由于液相量较少，不会对导热垫自身的导热性能造成大的影响。本发明能降低功率器件的组装热阻，从而提升散热能力。

Description

一种复合结构的导热垫片

技术领域

本发明涉及电子组装技术领域，尤其涉及一种复合结构的导热垫片。

背景技术

随着半导体和电子技术的发展，元器件的功率急剧增大，随之伴生的热效应，是器件失效的重要原因。目前常用的组装方式，包括合金焊料焊接，导热硅脂，导热银胶，铟垫片等。合金焊料焊接导热效果好，但是不可拆卸，维修极为不方便；导热硅脂和导热银胶不仅导热系数低，无法应对大功率器件的需求，而且会发生老化，不能保证长期稳定性。铟质地柔软，导热性好，因此常用作导热垫片。

当纯铟用作导热垫片时，整体组装热阻包括材料热阻和界面接触热阻两部分，其中后者占80％以上。对于其他金属或非金属导热垫，由于并不具备纯铟的柔软特性，接触热阻更会大幅增加。因此，降低整体热阻的主要方向是降低界面接触热阻，同时兼顾保证导热垫本身的导热性能不恶化。为了达到这一目的，一是需要增强器件与导热垫片的接触效果，减少两者之间的空隙，降低接触热阻；二是要保证导热垫自身的导热性能，最好为纯金属。合金化会大幅降低其导热系数，例如纯铜的导热系数为401W/m*K，而合金化之后的黄铜仅为70-183W/m*K，导热性能降低非常显著。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种复合结构的导热垫片，本发明通过在导热垫片表面制备复合结构，在降低界面热阻的同时，保证了导热垫自身的导热能力不受大的影响，从而降低功率器件组装时的整体热阻。

本发明采用如下技术方案：

本发明的复合结构的导热垫片的基体表面复合有低温金属，初次使用时，随着升温至工作温度，两个过程同时进行，一是低温金属熔化，填充器件与导热垫的间隙，减少两者接触热阻；二是液态的低温金属与导热垫基体发生融合，液相消失，这一过程是不可逆的，只在第一次工作时在基体表面进行，不影响基体自身的导热性能。

所述的导热垫片基体成分为纯金属、金属合金或非金属，具有优良的导热性且熔点高于工作温度。

所述的导热垫片基体为In，Ag，Cu，In-3Ag，Sn或石墨片。

所述的低温金属成分为纯金属或合金，其固相点低于工作温度。

所述的低温金属为In(熔点156℃)、In-50Sn(熔程120-123℃)、Sn(熔点233℃)或In-20Bi(熔程72-115℃)。

低温金属层的厚度h与器件的表面粗糙度Ra相关，h＝(2～5)Ra，占导热垫片总厚度的0.1％～8％，优选为1％～5％。

所述的低温金属在基体表面是双面、单面或局部。

所述的低温金属在基体表面分布是均匀、离散或特定形状。

低温金属和基体复合方式是复合轧制，喷涂，电镀或浸镀。

工作时过程中当界面温度升高到低温金属固相点时低温金属开始熔化，直至液相点结束。由于液态金属具有远高于固体金属的充型能力，可以迅速有效地填充导热垫片与器件的间隙，减少接触热阻。这一过程同时伴随着低温金属与基体近表面处发生相互扩散，使液相逐步消失，近表面处变为两者混合成分。虽然这一过程是不可逆的，但导热垫与器件之间空隙被填充的形貌得到保留，依然能起到减少界面热阻的作用。这一过程中，低熔点相对基体的表面影响深度Δ可以用以下表达式估算。

Δ≈h*(γ₁/γ₂-1)

其中h为低熔点层厚度，与器件表面粗糙度Ra相关，为有效填充器件表面凹凸处，取h＝(1-5)Ra；γ₁为低熔点金属特有组分A的含量；γ₂为工作温度下液相消失时融合层中A含量。可以看到，在低熔点金属厚度h在微米级时，只要控制好γ₁/γ₂的取值，影响区也很小。因此可以认为低温金属只与基体近表面处发生扩散融合，而对基体自身的导热性不会产生严重的影响。

本发明的有益效果如下：

本发明通过液态金属辅助润湿和填充空隙，有效降低功率器件组装时的界面接触热阻和整体热阻；低温金属仅与基体近表面处发生固溶，对基体自身的导热性能影响可以忽略；液相量少，可以在压力下使用，工作时液相不会因受压而被挤出，使用方便；长期工作的稳定性好，可靠性高；由于导热垫与器件仅发生物理接触而未发生界面反应，因而拆卸维护极为方便。本发明的复合结构的导热垫片能够提高功率器件散热能力。

附图说明

图1是典型功率器件微波射频管的组装示意图；

1微波射频管、2导热垫片、3基板。

图2是固体界面接触示意图；

4固体、5接触空隙。

图3是本发明所述导热垫片的典型结构；

7导热垫片的基体、6和8表面低熔点金属层。

图4是导热垫片使用时低温金属与基体近表面处成分扩散示意图；

6表面低熔点金属层、7导热垫片的基体。

图5是导热垫片近表面处成分变化趋势图；

9基体元素的含量百分比、10低熔点金属元素的含量百分比。

图6是导热垫片DSC测试图；

11为100℃循环、12为120℃循环、13为140℃循环、14吸热峰。

图7是导热垫片形状示意图一；

15是导热垫基体，16是规则分布的低温金属。

图8是导热垫片形状示意图二。

17是规则分布的低温金属，18是导热垫基体。

图9是导热垫片工作中的转变示意图

20是基体，19、21是表面融合层。

具体实施方式

下面的实施例是对本发明的进一步详细描述。

实施例1

器件表面粗糙度Ra＝0.8，工作温度160℃。所用导热片基体为纯Sn，熔点223℃，厚度H＝0.2mm，表面低熔点金属为双面In-50Sn(γ₁＝50％)合金，熔程为120-123℃，厚度h＝3Ra＝2.4μm，占总厚度的2.3％。制作方法为按InSn-Sn-InSn的顺序叠放，厚度分别为0.024mm,2.0mm，0.024mm。然后复合轧制至总厚度为0.205mm，裁切得到导热垫片。工作时，升温至120℃时In-50Sn开始出现液相，至123℃完全熔化。在此过程中伴随着液态金属填充空隙和液态金属与固态基体Sn的相互扩散。扩散的进行使融合区的In含量不断降低，相应的固相线不断升高至工作温度(由InSn相图160℃时γ₂＝16％)，液相消失。

Δ≈h*(γ₁/γ₂-1)＝5.1μm。

融合区占导热垫的总厚度α≈(2Δ+2h)/(2h+H)＝7.3％。对基体的导热性不会造成大的影响。

整体热阻实测为0.108℃*cm²/W，对照样0.2mm厚的Sn片为0.867℃*cm²/W，降低了88％。

实施例2

器件表面粗超度Ra＝1.2，工作温度120℃。所用导热片基体为纯In，熔点156℃，厚度H＝0.25mm,表面低熔点金属为双面In-20Bi(γ₁＝20％)合金，熔程为72-115℃，厚度h＝2.5Ra＝3μm，占总厚度的2.3％。制作方法为按InBi-In-InBi的顺序叠放，厚度分别为0.03mm，2.5mm，0.03mm。进行复合轧制至总厚度为0.256mm，然后裁切得到导热垫片。工作时，升温到72℃时In-20Bi开始出现液相，至115℃完全熔化。在此过程中伴随着液态金属填充空隙和液态金属与固态基体In的相互扩散。扩散的进行使液相中Bi的含量不断降低，相应的固相线不断升高，液相减少，直至固相线升高至工作温度(由InBi相图120℃时γ₂＝4％)，液相完全消失。

Δ≈h*(γ₁/γ₂-1)＝12μm。

融合区占导热垫的总厚度α≈(Δ+h)/(h+H)＝9.7％。对基体的导热性不会造成大的影响。

整体热阻实测为0.098℃*cm²/W，对照样0.15mm厚的In片为0.367℃*cm²/W，降低了73％。

实施例3

器件表面粗糙度为Ra＝1.0，工作温度200℃，导热片基体为纯Ag，熔点962℃，厚度H＝0.2mm，表面低熔点金属为双面纯In(γ₁＝100％)，厚度h＝3Ra＝3μm,含量为2.9％。制作方法为在纯Ag上直接电镀纯In层。然后裁切得到导热垫片。使用中In与Ag发生互扩散，表面处液相消失时In含量为90％(γ₂＝90％)，对Ag的侵蚀深度

Δ≈h*(γ₁/γ₂-1)＝0.3μm

融合区占导热垫的总厚度α≈(Δ+h)/(h+H)＝3.2％。

整体热阻实测为0.153℃*cm²/W，对照样0.2mm厚的In片为0.688℃*cm²/W，降低了77.8％。

实施例4

器件表面粗超度为Ra＝1.2，工作温度250℃，导热片基体为纯Cu片，熔点1083℃，厚度H＝0.2mm，表面低熔点金属为单面纯Sn(γ₁＝100％)，熔点233℃，仅在器件侧制作低熔点金属层，厚度h＝5μm＝4.2Ra,厚度比2.4％。采用电镀的方法，在纯Cu片上沉积纯Sn。然后裁切得到导热垫片。使用中升温至233℃时Sn熔化，填充器件与垫片的间隙，起到降低接触热阻的作用。同时熔融Sn与Cu发生相互扩散，随着融合区Cu含量不断提高，液相逐渐减少至消失，在工作温度(250℃)下，液相消失时融合区的成分为59Sn-41Cu(γ₂＝59％),基体Cu被侵蚀深度

Δ≈h*(γ₁/γ₂-1)＝3.47μm

融合区占导热垫的总厚度α≈(Δ+h)/(h+H)＝4.13％。

整体热阻实测为0.226℃*cm²/W，对照样0.2mm厚的Cu片为1.07℃*cm²/W，降低了78.9％。

图1是典型功率器件微波射频管的组装示意图，其中特征1是微波射频管，特征2是本发明所述导热垫片，特征3是基板。微波射频管工作中会大量放热，温度升高。热量通过导热垫片传递到基板上，散发出去，避免器件温度过高导致失效。这个传热过程的热阻，包括三者本身的固体热阻和界面的接触热阻，其中接触热阻占主要部分。

图2是固体表面接触示意图，其中特征4是固体，特征5是接触空隙。器件和基板在于导热垫接触时，都会存在接触空隙。常见的金属导热系数都很高，如铜为401w/m*K，铟为82w/m*K，银为429w/m*K,而空气的导热系数仅为0.024w/m*K。因此虽然空隙的体积很小，但与金属基体的热阻相比，其引起的接触热阻，却是相当大的。

图3是本发明所述导热垫片截面示意图。其中特征7是导热垫片的基体，其组成可以是纯金属，合金或者非金属，如纯In，Ag，Cu，Sn，石墨片等。特征6和8为表面低熔点金属层，可以两侧同时存在，也可以是单侧的，其成分为熔点低于基体的金属或合金，如In，In-20Bi等。

图4是导热垫片使用时近表面处成分扩散示意图。导热片工作时，随着温度的上升，表面低熔点金属层开始熔化，填充图2所示导热垫与器件的空隙。同时，液态的表面金属层与基体表层发生相互传质，随着表面层中基体元素的增多，其固相线提高，液相会逐渐消失。

图5是导热垫片近表面处成分的变化趋势示意图。其中特征9为基体元素的含量百分比，特征10为低熔点金属元素的含量百分比。随着工作时间的推移，表面层与基体的相互传质持续进行，随着基体元素含量的升高，融合区固相线升高，液相消失。

图6是实施例2中导热垫片的DSC测试图，包括3个温度梯度的循环，该测试的温度过程为：室温至100℃→恒温10分钟→降温至60℃→升温至120℃→恒温10分钟→降温至60℃→升温至140℃→恒温10分钟→降温至60℃。特征11为100℃循环,特征12为120℃循环,特征13为140℃循环。可以看到在特征11上有一个吸热峰特征14，所在温度为72℃，此为表面金属层In-20Bi的熔化起始点温度，说明此处表面金属层开始发生熔化，起到填充空隙，减小接触热阻的作用。在特征12和13上没有发现这一吸热峰，说明经过第一次温度循环，InBi合金与纯In基体层发生了扩散熔合，低熔点相消失。这个过程中，液态金属填充空隙的形貌会遗传下来，维持降低热阻的效果。

图7是一种导热垫片形状示意图，其特征在于低熔点金属层16在基体15表面为网状结构。

图8是一种导热垫片形状示意图，其特征在于低熔点金属层17为在基体18表面为均匀分布的凸点。

图9是导热垫片工作中的转变示意图。图示为基体与低温金属能发生相互融合的导热垫片。工作过程中低温金属与基体近表面处发生互扩散，使液相逐步消失，近表面处变为两者混合成分。融合区的厚度＝低温金属厚度h+基体表面被影响深度Δ，占导热垫总厚度的0.1-10％。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种复合结构的导热垫片，其特征在于：所述导热垫片的基体表面复合有低温金属，初次使用时，随着升温至工作温度，两个过程同时进行，一是低温金属熔化，填充器件与导热垫的间隙，减少两者接触热阻；二是液态的低温金属与导热垫基体发生融合，液相消失，这一过程是不可逆的，只在第一次工作时在基体表面进行，不影响基体自身的导热性能；

低温金属层的厚度h在微米级，低温金属层的厚度h与器件的表面粗糙度Ra相关，h＝(2～5)Ra，占导热垫片总厚度的0.1％～8％。

2.如权利要求1所述的复合结构的导热垫片，其特征在于：所述的导热垫片基体成分为纯金属、金属合金或非金属，具有优良的导热性且熔点高于工作温度。

3.如权利要求1所述的复合结构的导热垫片，其特征在于：所述的导热垫片基体为In，Ag，Cu，In-3Ag，Sn或石墨片。

4.如权利要求1所述的复合结构的导热垫片，其特征在于：所述的低温金属成分为纯金属或合金，其固相点低于工作温度。

5.如权利要求1所述的复合结构的导热垫片，其特征在于：所述的低温金属为In，熔点156℃、In-50Sn，熔程120-123℃、Sn，熔点233℃或In-20Bi，熔程72-115℃。

6.如权利要求1所述的复合结构的导热垫片，其特征在于：所述的低温金属在基体表面是双面、单面或局部。

7.如权利要求1所述的复合结构的导热垫片，其特征在于：所述的低温金属在基体表面分布是均匀、离散或特定形状。

8.如权利要求1所述的复合结构的导热垫片，其特征在于：低温金属和基体的复合方式包括复合轧制，喷涂，电镀或浸镀。