CN107053786B - 具有自熔特性的液态金属热界面材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有自熔特性的液态金属热界面材料，为三层的液态金属结构，中间层为热熔大的液体金属，由如下重量百分数的组分组成：Zn：6.0‑10.0%,Sb:1.0‑2.0%,Sn:5.0‑6.0%,Mo:0.3‑0.8%,V:0.2‑0.4%,余量为In；上下层为热熔小的液态金属，均由如下重量百分数的组分组成：Zn：1.0‑4.0%,Sb:2.0‑6.0%,Sn:10.0‑20.0%,W:0.1‑0.2%,V:0.1‑0.2%,余量为In。所得产品在维持液态金属热界面材料高导热率(20‑85W／m.K)的同时，可以在热界面材料正常的工作状态下维持固态度，但是界面附近由于温度升高在上下层附近发生熔化，进而有效地填充发热体和散热体表面的微米孔隙。在保证液态金属工作于固态的情况下，从根本上杜绝了侧漏的发生。

Description

具有自熔特性的液态金属热界面材料
技术领域
本发明涉及液态金属领域，具体地说，涉及具有自熔特性的液态金属热界面材料。
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。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。因此，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。因而可以预计具有高传热性能的热界面材料会广泛应用于IGBT产业。
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生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。
液态金属用于热界面材料时，靠的是室温下呈现固态的合金在设定的使用温度下变成具有一定流动性的液态或者固液混合物来填充发热体和散热体之间的间隙。目前而言，液态金属用于热界面材料一个亟待解决的问题是，随着温度的升高液相的含量急剧增加。这个特征使得液态金属作为热界面材料的流动性随着温度的增加增幅很大，会在液态金属作为热界面材料使用时发生侧漏的现象，进而由于液态金属的导电性导致电路板的短路。解决液态金属热界面材料侧漏的办法，可以通过合金材料成分的设计来减小液态金属热界面材料随着温度的升高粘度下降的难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种具有自熔特性的液态金属热界面材料，本发明通过液态金属热界面材料表面组成新颖设计的办法来利用热流升温进行表面附近的液态金属局部熔化。由于表面熔化层的厚度极小，表面张力会有效的阻止液态金属的侧面流动。同时，液态金属热界面中心部分仍然保持固体的状态。这种设计方法可以有效增加液态金属热界面材料抗侧漏的能力，以期达到液态金属热界面材料在散热领域大规模的使用。
本发明采用如下技术方案：
一种具有自熔特性的液态金属热界面材料，为三层的液态金属结构，中间层为热熔大的液体金属，由如下重量百分数的组分组成：Zn：6.0-10.0%, Sb: 1.0-2.0%, Sn:5.0-6.0%, Mo: 0.3-0.8%, V: 0.2-0.4%,余量为In；上下层为热熔小的液态金属，均由如下重量百分数的组分组成：Zn：1.0-4.0%, Sb: 2.0-6.0%, Sn: 10.0-20.0%, W: 0.1-0.2%, V: 0.1-0.2%,余量为In。
在上述的液态金属热界面材料中，上下层的厚度分别是占总厚度的5%。
上述液态金属热界面材料的制备方法，包括如下步骤：(a)将合金按照所需要的成分配置后，放入氩气保护的感应熔炼炉进行熔炼，采用石墨坩埚；在400-450℃保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，倒入石墨模具内进行浇铸；(b)将液态金属锭子进行冷轧，每道次轧制的压下量为20-30%，对于中间层和上下层分别冷轧到1mm和0.06mm；(c)将上下层和中间层进行复合轧制，轧制前厚度为1+0.06*2=1.12mm，轧制后总厚度为0.1mm；中间层和上下层的合金都采用同样的方法进行制备和轧制。
上中下三层液态金属的熔点设计在散热器件工作状态的温度之上，因而在该温度下，液态金属热界面材料并不能发生熔化。但是，由于上下层的热熔比较小，当单位热流流经上下层时，造成上下层的温度比中间层的液态金属热界面材料温度高，从而可以导致表面附近液态金属的局部软化，甚至局部液态。而中间部分的液态金属还维持在固体的状态。不同层的液态金属熔点和熔化范围，可以根据散热体系的需求和特性进行定制来极大优化液态金属作为热界面材料复合结构的散热性能。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）在保证现有液态金属热界面材料的优异散热性能的基础上，通过将具有优良导热系数，热熔低的上下层复合到中间层而得到具有复合结构的液态金属热界面材料。这个设计方案可以使得由于化合物颗粒的热熔比较小，当单位热流流经化合物颗粒时，造成化合物颗粒的温度比周围液态金属的温度高，从而可以导致表面附近液态金属的局部软化，甚至局部液态。而中间部分的液态金属还维持在固体的状态。
（2）将箔状液态金属热界面材料按照热容将热界面材料划分为三层来制备液态金属热界面材料是液态金属领域一大创新。所得产品在维持液态金属热界面材料高导热率(20-85W／m.K)的同时，可以在热界面材料正常的工作状态下维持固态，但是界面附近由于温度升高在上下层附近发生熔化，进而有效地填充发热体和散热体表面的微米孔隙。在保证液态金属工作于固态的情况下，从根本上杜绝了侧漏显现的发生。
（3）该新型液态金属热界面材料不仅散热性能好，而且加工冶炼方法简单，生产成本低，便于工业化大规模生产和实际应用。
具体实施方式
实施例1：
一种用于80℃散热且具有液态金属复合热界面材料结构。按重量百分比计，中间层的合金成分为：Zn：6.4%, Sb: 1.2%, Sn: 5.8%, Mo: 0.2%, V: 0.3%,余量为In。上下层的合金成分为：Zn：2.1%, Sb: 3.2%, Sn: 15.0%, W: 0.1%, V: 0.1%,余量为In。取如上成分的合金在420℃在氩气保护的真空感应熔炼炉中石墨坩埚内熔化后，并利用电磁搅拌均匀化10分钟。然后将熔化的液态金属浇铸进石墨模具。将液态金属锭子进行冷轧，每道次轧制的压下量为25%。对于中间层和上下层分别轧制到1mm和0.06mm厚度。将上下层和中间层进行复合轧制，轧制前厚度为1+0.06*2=1.12mm。轧制后总厚度为0.1mm。本实施例中，中间层的熔点为85℃，上下层的熔点为82℃。该热界面材料的导热率为47W/m.K,适于用做80℃条件下散热的热界面材料。
实施例2：
一种用于120℃散热且具有液态金属复合热界面材料结构。按重量百分比计，中间层的合金成分为：Zn：7.9%, Sb: 1.7%, Sn: 5.9%, Mo: 0.4%, V: 0.2%,余量为In。上下层液态金属成分为Zn：3.5%, Sb: 5.2%, Sn: 16.7%, W: 0.1%, V: 0.1%,余量为In。取如上成分的合金在420℃在氩气保护的真空感应熔炼炉中石墨坩埚内熔化后，并利用电磁搅拌均匀化10分钟。然后将熔化的液态金属浇铸进石墨模具。将液态金属锭子进行冷轧，每道次轧制的压下量为25%。对于中间层和上下层分别轧制到1mm和0.06mm厚度。将上下层和中间层进行复合轧制，轧制前厚度为1+0.06*2=1.12mm。轧制后总厚度为0.1mm。本实施例中，中间层的熔点为127℃，上下层的熔点为123℃。该热界面材料的导热率为51W/m.K,适于用做120℃条件下散热的热界面材料。
实施例3：
一种用于160℃散热且具有液态金属复合热界面材料结构。按重量百分比计，中间层的合金成分为：Zn：9.5%, Sb: 1.7%, Sn: 5.4%, Mo: 0.6%, V: 0.3%,余量为In。上下层液态金属成分为Zn：3.4%, Sb: 2.9%, Sn: 12.4%, W: 0.1%, V: 0.1%,余量为In。取如上成分的合金在420℃在氩气保护的真空感应熔炼炉中石墨坩埚内熔化后，并利用电磁搅拌均匀化10分钟。然后将熔化的液态金属浇铸进石墨模具。将液态金属锭子进行冷轧，每道次轧制的压下量为25%。对于中间层和上下层分别轧制到1mm和0.06mm厚度。将上下层和中间层进行复合轧制，轧制前厚度为1+0.06*2=1.12mm。轧制后总厚度为0.1mm。本实施例中，中间层的熔点为172℃，上下层的熔点为163℃。该热界面材料的导热率为56W/m.K,适于用做160℃条件下散热的热界面材料。

Claims (2)

1.具有自熔特性的液态金属热界面材料，其特征在于为三层的液态金属结构，中间层为热熔大的液体金属，由如下重量百分数的组分组成：Zn：6.0-10.0%, Sb: 1.0-2.0%, Sn:5.0-6.0%, Mo: 0.3-0.8%, V: 0.2-0.4%,余量为In；上下层为热熔小的液态金属，均由如下重量百分数的组分组成：Zn：1.0-4.0%, Sb: 2.0-6.0%, Sn: 10.0-20.0%, W: 0.1-0.2%, V: 0.1-0.2%,余量为In；
上下层的厚度分别占总厚度的5%。
2.权利要求1所述液态金属热界面材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(a)将合金按照所需要的成分配置后，放入氩气保护的感应熔炼炉进行熔炼，采用石墨坩埚；在400-450℃保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，倒入石墨模具内进行浇铸；(b)将液态金属锭子进行冷轧，每道次轧制的压下量为20-30%，对于中间层和上下层分别冷轧到1mm和0.06mm；(c)将上下层和中间层进行复合轧制，轧制前厚度为1+0.06*2=1.12mm，轧制后总厚度为0.1mm；中间层和上下层的合金都采用同样的方法进行制备和轧制。
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