CN107083509B - 用于igbt散热的复合式液态金属热界面材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于IGBT散热的复合式液态金属热界面材料。由如下重量百分数的组分组成：Sb：1.0‑14.0%,Bi:2.0‑8.0%,Sn:2.0‑15.0%,Cu:0.3‑0.8%,Hf:0.1‑0.2%,余量为In。通过将高纯铝三维编织物与液态金属复合制作复合式液态金属热界面材料来进一步提高热界面材料的散热性能，使得热导率从20‑85W/m.K提高到120‑190W/m.K，大大优化了现有IGBT散热系统的散热效率。将铝合金三维织物引入到液态金属热界面材料的复合构造设计中，所得复合液态金属热界面材料不仅热导率大大提升，而且有利于散热系统整体轻量化的实现。

Description

用于IGBT散热的复合式液态金属热界面材料

技术领域

本发明涉及液态金属技术领域，具体地说，涉及一种用于IGBT散热的复合式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，液态金属用于工业界的一个需要继续提高的特性是其导热性能。一般而言，液态金属的导热系数在20-85W/m.K之间变化。鉴于目前电子领域严重的散热问题，进一步提高液态金属的导热性能是液态金属用于热界面材料的一个实际而又重要的工业难题。采用合金化的手段，通过添加合金元素来提高传热系数是解决这类问题的一种手段。利用现有的材料通过与液态金属复合形成复合式热界面材料，也是提高液态金属热界面材料的有效途径。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于IGBT散热的复合式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：

高纯铝的热导率237W/m.K，由于屈服强度低，延伸率大而使得高纯铝具有很好的变形性能。当用直径小于0.01mm的高纯铝丝编织成三维网络结构后，该材料具有很大的变形承受能力，以及压缩性能。是制备复合式液态金属热界面材料的理想选择。而且，高纯铝三维编织物的密实程度，纤维编织取向等因素完全可以根据需要来进行设计，极大优化高纯铝三维编织物作为散热材料复合结构的热学性能。

液态金属合金熔点的设计和多元合金成分密切相关。因而可以通过选择合适的合金成分使得该合金在设定的温度下具有高流动性的固液状态，而且合金的成分中与铝合金具有足够的化学相容性，使得该液态金属和铝接触时不会因生成金属间化合物而使得液态合金的成分发生改变。

根据如上思路，设计一种用于IGBT散热的液态金属热界面材料，由如下重量百分数的组分组成：Sb：1.0-14.0%, Bi: 2.0-8.0%, Sn: 2.0-15.0%, Cu: 0.3-0.8%, Hf:0.1-0.2%,余量为In。

用于IGBT散热的复合式液态金属热界面材料，由如下方法制成：

（1）制备具有正交结构的铝丝三维编织物，孔隙率维持在40-70%，铝丝的直径在20-40微米；

（2）取上述的液态金属热界面材料在420℃在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，待温度达到300℃时，将液态金属浇铸进铝丝三维编织物，利用重力进行填充并冷却凝固，得到复合式铝液态金属热界面材料坯料；

（3）将复合式液态金属热界面材料坯料进行冷轧操作来制备产品，产品厚度在0.01mm，每道次的轧下量为20-30%。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.在保证现有用于120℃的液态金属热界面材料的优异散热性能的基础上，通过将高纯铝三维编织物与液态金属复合制作复合式液态金属热界面材料来进一步提高热界面材料的散热性能，使得热导率从20-85W/m.K提高到120-190W/m.K，大大优化了现有IGBT散热系统的散热效率

2.将铝合金三维织物引入到液态金属热界面材料的复合构造设计中，是液态金属应用领域的一大创新。三维编织物不仅纤维取向，纤维直径，编织密实程度可以根据需要定制，由于高纯铝的导热率为237W/m.K，所得复合液态金属热界面材料不仅热导率大大提升，而且由于铝的密度低，整个热界面材料的重量可以降低一半以上，有利于散热系统整体轻量化的实现。

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。

附图说明

图1为高纯铝丝三维编织物正交结构图，其中直线状物为铝丝。

图2为填充液态金属的高纯铝丝三维编织物示意图，其中直线状物为铝丝，阴影状填充物为液态金属。

图3为经过轧制的液态金属复合热界面材料结构示意图，其中直线状物为铝丝，阴影状填充物为液态金属。

具体实施方式

实施例1：

一种用于IGBT散热的液态金属热界面材料，按重量百分比计，该合金的成分为：Sb：2.3%, Bi: 6.4%, Sn: 12.4%, Cu: 0.5%, Hf: 0.1%,余量为In。取如上成分的合金在420℃在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铝丝三维编织物中，铝丝的直径为25微米，孔隙率为45%。利用重力进行填充并冷却凝固，得到液态金属复合热界面材料坯料。将液态金属复合热界面材料坯料进行冷轧操作来制备所需要厚度的热界面材料，最终产品厚度在0.01mm左右。每道次的轧下量为24%。该热界面材料的导热率为124W/m.K,液态金属的熔点在120℃左右，适于用做120℃条件下IGBT散热的热界面材料。

实施例2

一种用于IGBT散热的液态金属热界面材料，按重量百分比计，该合金的成分为：Sb：4.8%, Bi: 7.2%, Sn: 13.5%, Cu: 0.4%, Hf: 0.1%。取如上成分的合金在420℃在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铝丝三维编织物中，铝丝的直径为20微米，孔隙率为50%。利用重力进行填充并冷却凝固，得到液态金属复合热界面材料坯料。将液态金属复合热界面材料坯料进行冷轧操作来制备所需要厚度的热界面材料，最终产品厚度在0.01mm左右。每道次的轧下量为24%。该热界面材料的导热率为145W/m.K,液态金属的熔点在120℃左右，适于用做120℃条件下IGBT散热的热界面材料。

实施例3

一种用于IGBT散热的液态金属热界面材料，按重量百分比计，该合金的成分为：Sb：5.4%, Bi: 7.1%, Sn: 8.9%, Cu: 0.6%, Hf: 0.1%。取如上成分的合金在420℃在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铝丝三维编织物中，铝丝的直径为30微米，孔隙率为48%。利用重力进行填充并冷却凝固，得到液态金属复合热界面材料坯料。将液态金属复合热界面材料坯料进行冷轧操作来制备所需要厚度的热界面材料，最终产品厚度在0.01mm左右。每道次的轧下量为24%。该热界面材料的导热率为156W/m.K,液态金属的熔点在120℃左右，适于用做120℃条件下IGBT散热的热界面材料。

Claims (1)

1.一种用于IGBT散热的液态金属热界面材料，其特征在于由如下重量百分数的组分组成：Sb：1.0-14.0%, Bi: 2.0-8.0%, Sn: 2.0-15.0%, Cu: 0.3-0.8%, Hf: 0.1-0.2%,余量为In；

制备方法为：

（1）制备具有正交结构的铝丝三维编织物，孔隙率维持在40-70%，铝丝的直径在20-40微米；

（2）取上述的液态金属热界面材料在420℃在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，待温度达到300℃时，将液态金属浇铸进铝丝三维编织物，利用重力进行填充并冷却凝固，得到复合式液态金属热界面材料坯料；

（3）将复合式液态金属热界面材料坯料进行冷轧操作来制备产品，产品厚度在0.01mm，每道次的轧下量为20-30%。