CN107634041A - 一种低界面接触热阻的热界面及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低界面接触热阻的热界面及其制备方法，属于电子器件散热技术领域。低界面接触热阻的热界面是在两个铜圆的内表面沉积有金属镍、钼或钨界面层，两个界面层之间填充液态金属和氧化液态金属复合层，界面层厚度20‑60nm。用直流磁控溅射方法在铜圆表面室温沉积界面层，在界面层表面大气环境涂敷液态金属形成液态金属和氧化液态金属复合层，用力挤压两个叠放铜圆得到热界面。本发明方法获得的热界面有效降低了界面接触热阻，在高功率密度器件散热领域具有良好的应用前景。

Description

一种低界面接触热阻的热界面及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种低界面接触热阻的热界面及其制备方法，属于电子器件散热技术领域。
背景技术
半导体技术一直沿着微型化、集成化的方向发展，使器件单位体积内的发热量大大增加，系统温度也随之升高，直接影响到器件的性能，甚至导致器件的损坏；此外高温还导致系统由于材料热膨胀系数不匹配而产生热应力，影响系统的可靠性。研究表明，LED的寿命随着芯片结温的增加成指数下降。其中热源与热沉之间的界面接触热阻是影响其散热性能的主要因素之一，需要填充热界面材料于热源与热沉之间，增进热传递效率，降低界面接触热阻。在电子元件的散热途径中，热界面材料是影响散热效率高低的关键因素。
传统的热界面材料以聚合物材料为基体，通过添加导热颗粒来提高其导热性能，常用的导热颗粒有石墨、氮化硼、氧化铝、银、铜等。这类热界面材料热导率较小，一般为1W/(m.K)，难以满足高热流密度电子器件散热的需求。虽然增加聚合物中导热颗粒含量使颗粒与颗粒之间尽量相互接触可以增加热界面材料的热导率，但导热颗粒含量增加到一定程度时热界面材料会变硬，浸润效果变差，界面接触性能会降低，从而使界面接触热阻增大。碳纳米管具有优异的径向导热性能，将碳纳米管分散于聚合物中形成热界面复合材料成为热界面材料研究的一个重要方向。由于碳纳米管在基体中杂乱分散排列，其径向导热性能得不到充分利用，碳纳米管热界面材料的导热性能没有明显改善。有鉴于此，研究人员将目光转向垂直定向生长碳纳米管(VACNT)直接作为热界面材料方向上。碳纳米管阵列的长度不一，碳纳米管阵列与热源或散热器的实际接触面积很小；另外，现有的碳纳米管末端与热源或散热器之间的接触较差，因而界面接触热阻较大。大量研究表明，采用垂直定向生长碳纳米管直接作为热界面材料其导热效果也并不明显。公开号为CN101609802A的发明专利“一种低热阻热界面制备方法”通过磁对准提高碳纳米管与目标衬底间的接触几率，同时在键合压力作用下提高界面粘结强度，采用该技术后界面接触热阻低于5mm2K/W。石墨烯作为一种严格的二维碳材料，单层石墨烯二维面内热导率高达5000W/(m.K)，但垂直热导率仅15-20W/(m.K)；石墨烯为固体，与热源和散热器的接触方式为固体和固体的硬接触，接触热阻较大；采用石墨烯作为导热填料的热界面材料的界面接触热阻未见报道。
鉴于以上热界面材料的不足，越来越多的学者更倾向于利用液态金属作为热界面材料来减小界面接触热阻。通过对现有文献检索发现，李根等人将铜颗粒与熔点为10.7℃的Ga62.5In21.5Sn16液态金属相混合，结果显示当铜质量分数为10%时，界面接触热阻可以达到5.621mm2K/W,参见李根等人的“新型铜颗粒填充的液态金属热界面材料导热性能实验研究”，《西安交通大学学报》50(2016)61-65。Yunxia Gao等人研究了镓基热界面材料的性能，结果显示界面接触热阻值可以达到2.6mm2K/W，参见Yunxia Gao等人的“高顺从和高润湿性的镓基热界面材料”，《应用物理A》107(2012)701-708 (Yunxia Gao, Jing Liu. Gallium-based thermal interface material with high compliance and wettability,Applied Physics A 107(2012)701-708)。当热界面材料填充到两粗糙面之间后，此时的界面接触热阻主要包括两部分：(1)由热界面材料自身的热导率和厚度形成的容积热阻；(2)由热界面材料的上下端与粗糙表面形成的边界热阻。现有的热界面主要通过采用高热导率的热界面材料降低容积热阻来实现低界面接触热阻。因此，现有热界面的界面接触热阻不够低。为此，通过强化界面传热来降低界面接触热阻就越发关键。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种通过调控界面性能来强化界面传热和降低界面接触热阻的方法。制备工艺不需要加热和退火，热界面的界面接触热阻低，可广泛用于船舶、航空航天、先进能源、高功耗电子器件等需低界面接触热阻的导热和散热领域。
本发明提出的一种低界面接触热阻的热界面，是在两个铜圆的内表面沉积有界面层，两个界面层之间填充液态金属和氧化液态金属复合层；界面层材料是金属镍、钼或钨，界面层厚度20-60nm；液态金属为Ga62.5In21.5Sn16，熔点10.7℃；界面接触热阻0.27-0.77mm2K/W。
一种低界面接触热阻的热界面制备方法，用数控铣床加工方形铜板成圆形镂空网络结构，圆形镂空网络结构有四个铜圆，铜圆表面粗糙度Ra为0.065µm；用直流磁控溅射方法在铜圆表面室温沉积界面层，溅射室的氩气压强0.26-1.0Pa，直流溅射功率30-48W；在界面层表面大气环境涂敷液态金属Ga62.5In21.5Sn16形成液态金属和氧化液态金属复合层，用力挤压两个叠放铜圆得到热界面。
本发明提出的低界面接触热阻的热界面制备方法的具体步骤如下：
(1)用数控铣床对纯度99.9%的方形铜板的两面进行精抛光，表面抛光粗糙度Ra为0.065µm；加工抛光后的方形铜板成圆形镂空网络结构，每个圆形镂空网络结构有四个铜圆。
(2)将清洗过的圆形镂空网络结构固定在衬底架，把衬底架插入溅射室中水冷的衬底盘中；将溅射靶安装在溅射室中水冷的阴极靶槽中，调整溅射靶与衬底架之间的距离为65mm。
(3)对溅射室进行抽真空，待溅射室真空度小于5.5×10-4Pa，向溅射室内充入高纯氩气，氩气流量20Sccm；调整闸板阀控制抽气速率，使溅射室内氩气压强0.26-1.0Pa。
(4)开启溅射靶的直流电源，直流溅射功率30-48W，对溅射靶预溅射5分钟，然后将固定在衬底架的圆形镂空网络结构转至溅射靶对应位置进行室温溅射沉积界面层，界面层厚度20-60nm。
(5)用气动剪把沉积有界面层的铜圆从圆形镂空网络结构中剪下来，用注射器将Ga62.5In21.5Sn16液态金属滴在铜圆的界面层上，在大气环境下用小毛刷涂敷液态金属形成液态金属和氧化液态金属复合层；将两个涂敷液态金属的铜圆对齐叠放，用力挤压得到热界面。
本发明的有益效果或特点在于：
与现有技术相比较，本发明的热界面是在两个铜圆的内表面沉积有界面层，两个界面层之间填充液态金属和氧化液态金属复合层；通过界面层改善了液态金属热界面材料与固体表面之间润湿性，同时液态金属和氧化液态金属复合层提高了界面粘结性，通过调控界面性能来强化界面传热和降低界面接触热阻。
与现有技术相比较，本发明提供的一种低界面接触热阻的热界面制备方法，采用圆形镂空网络结构镀膜保证了铜圆表面界面层的完整性；在大气环境涂敷液态金属形成液态金属和氧化液态金属复合层，具有操作简单、成本低的特点。本发明大大降低了由热界面材料的上下端与固体表面之间的边界热阻，从而降低界面接触热阻，满足高功耗电子器件等需低界面接触热阻的导热和散热要求。本发明工艺简单，可实施性强，易于推广。
附图说明
图1为固定在衬底架的圆形镂空网络结构图片。
图2为本发明的热界面结构示意图。图中：1、铜圆；2、界面层；3、液态金属和氧化液态金属复合层。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
(1)用数控铣床对纯度99.9%的方形铜板的两面进行精抛光，表面抛光粗糙度Ra为0.065µm；加工抛光后的方形铜板成圆形镂空网络结构，参见图1，每个圆形镂空网络结构有四个铜圆。
(2)将清洗过的圆形镂空网络结构固定在衬底架，参见图1，把衬底架插入溅射室中水冷的衬底盘中；将金属镍靶安装在溅射室中水冷的阴极靶槽中，调整金属镍靶与衬底架之间的距离为65mm。
(3)对溅射室进行抽真空，待溅射室真空度小于5.5×10-4Pa，向溅射室内充入高纯氩气，氩气流量20Sccm；调整闸板阀控制抽气速率，使溅射室内氩气压强为0.26Pa。
(4)开启金属镍靶的直流电源，直流溅射功率48W，对金属镍靶预溅射5分钟，然后将固定在衬底架的圆形镂空网络结构转至金属镍靶对应位置进行室温溅射沉积金属镍界面层，金属镍界面层厚度60nm。
(5)用气动剪把沉积有金属镍界面层的铜圆从圆形镂空网络结构中剪下来，用注射器将Ga62.5In21.5Sn16液态金属滴在铜圆的金属镍界面层上，在大气环境下用小毛刷涂敷液态金属形成液态金属和氧化液态金属复合层；将两个涂敷液态金属的铜圆对齐叠放，用力挤压得到热界面，热界面结构参见图2。
热性能测试表明，试样的界面接触热阻0.77mm2K/W。
实施例2
(1)用数控铣床对纯度99.9%的方形铜板的两面进行精抛光，表面抛光粗糙度Ra为0.065µm；加工抛光后的方形铜板成圆形镂空网络结构，参见图1，每个圆形镂空网络结构有四个铜圆。
(2)将清洗过的圆形镂空网络结构固定在衬底架，参见图1，把衬底架插入溅射室中水冷的衬底盘中；将金属钼靶安装在溅射室中水冷的阴极靶槽中，调整金属钼靶与衬底架之间的距离为65mm。
(3)对溅射室进行抽真空，待溅射室真空度小于5.5×10-4Pa，向溅射室内充入高纯氩气，氩气流量20Sccm；调整闸板阀控制抽气速率，使溅射室内氩气压强1.0Pa。
(4)开启金属钼靶的直流电源，直流溅射功率34W，对金属钼靶预溅射5分钟，然后将固定在衬底架的圆形镂空网络结构转至金属钼靶对应位置进行室温溅射沉积金属钼界面层，金属钼界面层厚度45nm。
(5)用气动剪把沉积有金属钼界面层的铜圆从圆形镂空网络结构中剪下来，用注射器将Ga62.5In21.5Sn16液态金属滴在铜圆的金属钼界面层上，在大气环境下用小毛刷涂敷液态金属形成液态金属和氧化液态金属复合层；将两个涂敷液态金属的铜圆对齐叠放，用力挤压得到热界面，热界面结构参见图2。
热性能测试表明，试样的界面接触热阻0.60mm2K/W。
实施例3
(1)用数控铣床对纯度99.9%的方形铜板的两面进行精抛光，表面抛光粗糙度Ra为0.065µm；加工抛光后的方形铜板成圆形镂空网络结构，参见图1，每个圆形镂空网络结构有四个铜圆。
(2)将清洗过的圆形镂空网络结构固定在衬底架，参见图1，把衬底架插入溅射室中水冷的衬底盘中；将金属钨靶安装在溅射室中水冷的阴极靶槽中，调整金属钨靶与衬底架之间的距离为65mm。
(3)对溅射室进行抽真空，待溅射室真空度小于5.5×10-4Pa，向溅射室内充入高纯氩气，氩气流量20Sccm；调整闸板阀控制抽气速率，使溅射室内氩气压强为0.45Pa。
(4)开启金属钨靶的直流电源，直流溅射功率30W，对金属钨靶预溅射5分钟，然后将固定在衬底架的圆形镂空网络结构转至金属钨靶对应位置进行室温溅射沉积金属钨界面层，金属钨界面层厚度20nm。
(5)用气动剪把沉积有金属钨界面层的铜圆从圆形镂空网络结构中剪下来，用注射器将Ga62.5In21.5Sn16液态金属滴在铜圆的金属钨界面层上，在大气环境下用小毛刷涂敷液态金属形成液态金属和氧化液态金属复合层；将两个涂敷液态金属的铜圆对齐叠放，用力挤压得到热界面，热界面结构参见图2。
热性能测试表明，试样的界面接触热阻0.27mm2K/W。

Claims (6)

1.一种低界面接触热阻的热界面，其特征是在两个铜圆的内表面沉积有界面层，两个界面层之间填充液态金属和氧化液态金属复合层。
2.根据权利要求1所述的一种低界面接触热阻的热界面，其特征在于界面层材料是金属镍、钼或钨，界面层厚度20-60nm；液态金属为Ga62.5In21.5Sn16，熔点10.7℃。
3.根据权利要求1所述的一种低界面接触热阻的热界面，其特征在于界面接触热阻0.27-0.77 mm2K/W。
4.一种低界面接触热阻的热界面制备方法，其特征是用数控铣床加工方形铜板成圆形镂空网络结构，用直流磁控溅射方法在铜圆表面室温沉积金属镍、钼或钨界面层，在界面层表面大气环境涂敷液态金属Ga62.5In21.5Sn16形成液态金属和氧化液态金属复合层，用力挤压两个叠放铜圆得到热界面。
5.根据权利要求4所述的一种低界面接触热阻的热界面制备方法，其特征在于圆形镂空网络结构有四个铜圆，铜圆表面粗糙度Ra为0.065µm。
6.根据权利要求4所述的一种低界面接触热阻的热界面制备方法，其特征在于在铜圆表面沉积界面层时溅射室的氩气压强0.26-1.0Pa，直流溅射功率30-48W。
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