CN106884107B - 一种具有反熔特性的液态金属热界面材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有反熔特性的液态金属热界面材料及其制备方法，其特征在于，以重量百分比计包含20‑40wt%的铟、0‑6wt%的铋、0‑2wt%的锑、0‑3wt%的锌、0‑0.6wt%的银、0‑0.3wt%的镍、0‑0.8wt%的铈、0‑0.6wt%的铕、和余量的锡。其在绝缘栅双极型晶体管IGBT工作环境下具有优良的导热性能和化学稳定性，非常适用于大规模工业生产和实际应用中的IGBT器件。

Description

一种具有反熔特性的液态金属热界面材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有反熔特性的液态金属热界面材料及其制备方法，具体的涉及一种用于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）系统的液态金属热界面材料及其制备方法。
背景技术
众所周知，IGBT器件以其输入阻值高、开关速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等特点，已成为当今功率半导体器件发展的主流器件，广泛应用到各种交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域功率电子电路中。
但是当IGBT器件工作时，产生的热量会使芯片温度迅速上升超过最大允许IGBT结温。由此会使得IGBT的性能将大大降低，而不能稳定工作，导致性能下降或失效。近年来由于IGBT技术的进一步发展，相关的极端环境下的高效散热技术已经成为热管理工程师和科学家都渴望解决的关键技术问题。
完整的IGBT模块包括IGBT器件、散热器、热风扇以及导热介质四部分组成，其中IGBT器件本身和导热介质对散热性能起决定性作用。发热体和散热体之间的接触面有微观上的孔洞，中间充满了空气。因为空气是不良热导体，发热体和散热器之间的热界面电阻非常大，严重阻碍了热传导，最终导致低散热效率。具有高导热系数的热界面材料可以填充这些微观上的空隙，有助于建立有效的热传导通道，从而大大降低热界面电阻。因而一直期待开发具有高传热性能的热界面材料。
专利文献1中公开了纳米银焊膏作为高传热性能的热界面材料，用于解决压接式IGBT模块出现的热阻值大、温升快从而导致模块的电性能不稳定问题。但是必须看到该专利文献中的纳米银焊膏仍然处于正常熔化行为的合金材料。当用于热界面材料填充发热体和散热体之间的空隙时，仍然属于在固态下工作的热界面材料，并不具备使用温度下处于固-液状态且具备反熔特性的液态金属热界面材料。
专利文献2中公开了一种聚多巴胺功能修饰的高导热硅橡胶热界面材料，从而解决LED做成品后热导率偏低，即使使用硅烷偶联剂进行表面处理，也不能保证100%填料表面被包覆的问题。但是必须看到该热界面材料仍然是由有机物制备而成，相对于金属的高导热系数来说，专利文献2提供的只是具备比较低散热系数的热界面材料。在使用温度下并不会发生熔化，更不具备反熔特性来更为有效的填充发热体和散热体之间的空隙。
现有技术文献：专利文献1：CN106373954A号公报，专利文献2：CN106317887A号公报。
发明内容
随着电子技术的快速发展，电子芯片产生的大量热量成为热管理领域一个严重的问题，特别是对于IGBT系统。目前硅脂常被用来填补热源和散热器之间的空隙，但是其热导率很低，通常小于3W／m·K，严重阻碍了在电子散热领域的大规模应用。
作为一种新型的高效散热材料(热导率约40-85w／m·K)，液态金属已经被认为是极端环境下IGBT器件热管理的一个终极有效方案。另人遗憾的是，传统的液态金属在其熔点附近的温度作为热界面材料使用时容易发生侧向泄漏，会导致电子芯片短路。
理想的热界面材料应具备如下的物理和化学特性：（1）高导热系数来保证有效散热；（2）良好的流动性来有效填补热发热体和散热体之间的微小间隙；（3）在低压力安装独特的灵活性。硅脂是传统上用于电子器件的热传导的热界面材料，但是传热系数很低(~1-2W/m·k)。而且，经过长时间的服役后，由于有机成分的蒸发和氧化，硅脂会变脆和老化。相比而言，近年来出现的液态金属除了具有极高的导热性能外，还由于极低的蒸汽压和抗氧化性，在散热领域处于金字塔的顶端，特别适用于高密度大功率电子元器件。
液态金属是一种低熔点合金，在其熔点附近具有高的热导率（~20-85W／m·K）。基于使用条件下所处的物态，液态金属可分为三类：（1）纯液状液态金属，熔点可以降低到约2℃左右。这类液态金属可以在电磁泵驱动下用作散热管中的冷却介质来提高散热效率。（2）膏状液态金属，由于熔点高达50℃可以在很宽的温度范围内保持固-液状态。这种类型的液态金属可作为硅胶替代热界面材料。（3）箔状液态金属，用作热界面材料时熔点可在60-180°C。这三种液态金属是无毒的，具有稳定的物理/化学性质，适合在极端条件下的长期应用。特别是，箔状液态金属由于其灵活的安装特性可以预计在生产线上得到最大规模的应用。
众所周知，箔状液态金属在其熔点附近表现出固-液状态。在这种状态下，箔状液态金属表现出独特而有效的间隙填充能力。对于正常的箔状液态金属而言，处于固-液两相态的液相分数随温度的增加而增加。图1是一个常见的箔状液态金属在加热时液相和固相随着温度变化的示意图。合金的熔化温度范围是：T1温度时合金开始融化和T2温度时合金熔化结束。因此ΔT = T2-T1的温度范围内该合金保持在固-液混合状态，表明该合金正在熔化。T*是温度最高的液体相可以被允许作为热界面材料的温度。因此，在图1中标记的阴影区域（ΔT = T*-T1），这种材料可以作为热界面材料。当温度进一步增大，液相迅速增加，侧漏的液态金属热界面材料会导致电路板短路。其根本原因是增加的液相分数大大提高了固-液混合物的流动性。
图1 箔状液态金属正常熔化状态下的相分数随着温度的变化示意图(该体系只包括液相和α相)。
本发明人通过长期研究，发现了一种克服液态金属在熔化过程中由于液相含量增加而引起的侧漏的有效方法，从而设计一种新型的液态金属，该材料具有反熔化特性。
为了便于说明该材料的反熔特性，以图2中的示意图为例子来阐述。该体系中包括三相，即液态、α和β相。该图中合金在T1和T'之间的熔化行为和图1中的一致。但是，当温度升高继续熔化后，液相的分数随着温度的升高下降的很剧烈，同时伴随着α和β相分数的升高。一般地，反熔行为定义为如同图2中T'和T*温度区间的熔化行为，即液相随着温度的升高急剧降低。一旦温度超过图2中的T*，液相的分数随着温度的升高急剧上升，直到合金完全熔化。除此之外，在T'和T*温度之间降低的液相也能减小液态金属的流动性，这个特点对于作为热界面材料尤其重要。图2中阴影区域是该材料适合作为热界面材料的温度区间。明显地，具有反熔特性的箔状液态金属热界面材料相对于普通的箔状液态金属可以具有更大的工作温度区间。
图2，箔状液态金属反常熔化状态下的相分数随着温度的变化示意图(该体系包括液相，α相和β相)。
合金的熔化和相含量同合金的热力学性能密切相关。因此，理论上可以结合相图来设计具有反熔行为的箔状液态金属。一般来说，c元体系的相图是c维，由单相区，两相区，三相区，…, c相区构成。通过新颖的料设计技术，可以找到合适的合金成分，使得作为液态金属使用时具有反熔行为，如图2所示。也就是说，在固-液状态下的箔状液体金属的流动性，可以定制来防止液态金属侧漏，并可以最大限度地提高热传导率。此外，这种设计方法可以为IGBT系统提供使用温度范围为60-180℃的具有反熔特性的箔状液态金属。
基于以上的新颖的材料设计技术，本发明提出了用于IGBT散热的具有反熔特性的液态金属热界面材料。适合使用的IGBT散热体系的工作温度从60到180℃。具有反熔特性的液态金属热界面材料由合金熔炼，铸造，热处理和冷轧工艺组成。
即，本发明包含以下发明。
（1）一种具有反熔特性的液态金属热界面材料，其特征在于，以重量百分比计包含20-40wt%的铟、0-6wt%的铋、0-2wt%的锑、0-3wt%的锌、0-0.6wt%的银、0-0.3wt%的镍、0-0.8wt%的铈、0-0.6wt%的铕、和余量的锡。
（2）根据（1）所述的液态金属热界面材料，其反熔温度的范围是64℃到180℃。这种材料在60°C至140°C开始熔化，并保持在60°C和200°C之间保持固-液状态。相关的反熔温度范围为64°C到180°C，取决于所选合金成分。
（3）根据（1）或（2）所述的液态金属热界面材料，其适用于给处于60-180℃温度范围的IGBT系统散热。
（4）制备（1）~（3）所述的液态金属热界面材料的方法，其特征在于，使用氩气/氮气作为保护气氛，采用感应熔炼技术在石墨坩埚中将按照（1）~（3）所述合金配比的材料感应熔化，然后在400-500℃搅拌约10分钟。具体的温度选择取决于所选的合金成分。搅拌均匀后的合金熔体倒入石墨模内进行凝固，凝固后的合金锭应在40℃-140℃之间进行2至4小时的热处理。热处理的目的是为了让合金的相沉淀完全进行，有利于提高材料的优良的机械性能，便于进一步冷轧。之后进一步冷轧。
（5）根据（4）所述的液态金属热界面材料的制备方法，冷轧中每个道次的轧制量为20-30%。热处理后的合金锭，可以在室温冷轧到所需的厚度，例如0.05毫米。每个道次的轧制量为20-30%，取决于所选的合金成分。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明箔状液态金属热界面材料具有足够的温度区间具备反熔特性。在这些温度区间内保持具有足够固相含量的固-液状态。由于具备足够的粘度来防止侧漏，可以完全杜绝电子系统的短路。在散热要求日益苛刻的今天可以完全为IGBT的散热需求提供终极的方案。
（2）该类箔状液态金属热界面材料具有简单的加工步骤，包括感应熔炼、铸造、热处理和冷轧。生产成本低，但产品在IGBT工作环境下具有优良的导热性能和化学稳定性。非常适用于大规模工业生产和实际应用中的IGBT器件。
（3）具有反熔特性的液态金属热界面材料为极端环境下的散热提供了一种居于散热金字塔顶端的有效方案。在实际中可以促进许多新的工业领域的快速发展，特别是对高热流密度电子器件。可以预计本发明的相关产品在未来的短时间内必将在信息与通讯、领域先进能源，光伏产业，空间应用，先进的武器系统和先进的电子达到大规模应用。
附图说明
图1表示箔状液态金属正常熔化状态下的相分数随着温度的变化示意图，该体系只包括液相和α相；
图2表示箔状液态金属反常熔化状态下的相分数随着温度的变化示意图，该体系包括液相，α相和β相。
具体实施方式
以下通过实施例更加具体地说明本发明。但本发明并非限定于这些实施例。
实施例1：本发明的液态金属热界面材料1的制备。
以下面的重量百分比准备合金原料：22wt%铟, 1.4wt%铋, 0.3wt%锑, 1.6wt%锌,0.05wt%银, 0.02wt%镍, 0.02wt%铈, 0.01 wt%铕，Sn为余量。
将上述成分配比合金在石墨坩埚中采用感应熔炼，并采用氩气或者氮气作为保护气氛。温度保持在420℃，并利用电磁搅拌10分钟进行充分均匀化。然后将融化后的合金液倒入石墨模具内进行铸造。待合金凝固后将合金锭在40℃进行3小时的热处理，保证合金中第二相完全沉淀，以及合金具有优良的机械性能。随后在室温下进行冷轧，经过若干次轧制后轧到0.05毫米的厚度，每个道次的轧下量为24%。
所得的合金材料是在60°C左右开始熔化、在60-74°C之间保持固-液状态的箔状液态金属，该箔状液态金属在62-68℃具有反熔特性，能够很好的用于IGBT热源温度低于68℃的系统散热。
实施例2：本发明的液态金属热界面材料2的制备。
以下面的重量百分比准备合金原料：28wt%铟, 1.9wt%铋, 0.4wt%锑, 1.8wt%锌,0.03wt%银, 0.01wt%镍, 0.01wt%铈, 0.02wt%铕，Sn为余量。
将上述成分配比合金在石墨坩埚中采用感应熔炼，并采用氩气或者氮气作为保护气氛。温度保持在420℃，并利用电磁搅拌10分钟进行充分均匀化。然后将融化后的合金液倒入石墨模具内进行铸造。待合金凝固后将合金锭在80℃进行3小时的热处理，保证合金中第二相完全沉淀，以及合金具有优良的机械性能。随后在室温下进行冷轧，经过若干次轧制后轧到0.05毫米的厚度，每个道次的轧下量为28%。
所得的合金材料是在84°C左右开始熔化、在84-115°C之间保持固-液状态的箔状液态金属，该箔状液态金属在92-108℃具有反熔特性，能够很好的用于IGBT热源温度低于110℃的系统散热。
实施例3：本发明的液态金属热界面材料3的制备。
以下面的重量百分比准备合金原料：32wt%铟, 2.1wt%铋, 0.6wt%锑, 2.9wt%锌,0.02wt%银, 0.03wt%镍, 0.02wt%铈, 0.01 wt%铕，Sn为余量。
将上述成分配比合金在石墨坩埚中采用感应熔炼，并采用氩气或者氮气作为保护气氛。温度保持在420℃，并利用电磁搅拌10分钟进行充分均匀化。然后将融化后的合金液倒入石墨模具内进行铸造。待合金凝固后将合金锭在100℃进行3小时的热处理，保证合金中第二相完全沉淀，以及合金具有优良的机械性能。随后在室温下进行冷轧，经过若干次轧制后轧到0.05毫米的厚度，每个道次的轧下量为30%。
所得的合金材料是在118°C左右开始熔化、在118-142°C之间保持固-液状态的箔状液态金属，该箔状液态金属在124-132℃具有反熔特性，能够很好的用于IGBT热源温度低于140℃的系统散热。
本发明可在用于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）系统中利用。

Claims (8)

1.一种具有反熔特性的液态金属热界面材料，其特征在于，以重量百分比计包含20-40wt％的铟、1.4-6wt％的铋、0.3-2wt％的锑、1.6-3wt％的锌、0.02-0.6wt％的银、0.01-0.3wt％的镍、0.01-0.8wt％的铈、0.01-0.6wt％的铕、和余量的锡。
2.根据权利要求1所述的液态金属热界面材料，其特征在于以重量百分比计包含22wt％的铟、1.4wt％的铋、0.3wt％的锑、1.6wt％的锌、0.05wt％的银、0.02wt％的镍、0.02wt％的铈、0.01wt％的铕、和余量的锡。
3.根据权利要求1所述的液态金属热界面材料，其特征在于以重量百分比计包含28wt％的铟、1.9wt％的铋、0.4wt％的锑、1.8wt％的锌、0.03wt％的银、0.01wt％的镍、0.01wt％的铈、0.02wt％的铕、和余量的锡。
4.根据权利要求1所述的液态金属热界面材料，其特征在于以重量百分比计包含32wt％的铟、2.1wt％的铋、0.6wt％的锑、2.9wt％的锌、0.02wt％的银、0.03wt％的镍、0.02wt％的铈、0.01wt％的铕、和余量的锡。
5.根据权利要求1至4任一项所述的液态金属热界面材料，其反熔温度的范围是64℃到180℃。
6.根据权利要求1至4任一项所述的液态金属热界面材料，其适用于给处于60-180℃温度范围的IGBT系统散热。
7.制备权利要求1至4任一项所述的液态金属热界面材料的方法，其特征在于，使用氩气/氮气作为保护气氛，在石墨坩埚中将按照权利要求1至4所述合金配比的材料感应熔化，然后在400-500℃搅拌10分钟，搅拌均匀后的合金熔体倒入石墨模内进行凝固，凝固后的合金锭在40℃-140℃之间进行2至4小时的热处理，之后进一步冷轧。
8.根据权利要求7所述的液态金属热界面材料的方法，其特征在于，冷轧中每个道次的轧制量为20-30％。
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