CN108511407B - 一种热界面材料及其制备方法、应用方法 - Google Patents

一种热界面材料及其制备方法、应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热界面材料及其制备方法、应用方法。一种热界面材料的制备方法包括以下步骤：S1，选择泡沫金属材料作为基底；S2，对所述基底进行表面清洁处理；S3，在步骤S2所得的基底的上表面和下表面均负载上低熔点金属和/或合金，制得具有三明治结构的泡沫金属材料，作为热界面材料。本发明制得的热界面材料具有较高热导率，且可适用于半导体功率器件的散热。

Description

一种热界面材料及其制备方法、应用方法
【技术领域】
本发明涉及热界面材料制备，特别是涉及一种三明治结构的泡沫金属热界面膜材料并将之应用于MOSFET、IGBT等功率器件中大功率、大尺寸芯片的散热。
【背景技术】
电子电路集成度增加同时伴随着芯片功率密度的增加，芯片散热问题成为亟待解决的事情。散热对于功率器件例如IGBT、MOSFET等功率器件尤其重要。以绝缘栅双极晶体管为例，它是近年来应用广泛的半导体功率器件。其主要功率模块是IGBT和其他功率模块。发热量大且散热集中，如果散热能力不足其局部温度会过高导致芯片可靠性下降甚至整个功率模块损坏。
热界面材料是专门用来解决芯片散热的元件。通过填充热沉和接触界面之间不可避免的空气间隙，降低界面的接触热阻，促进热量从芯片导出。目前，较多的热界面材料的制备方法关注导热浆料制备，导热浆料导热主要成分为导热填料和树脂，然而复合导热材料的热导率和材料柔性始终难以得到均衡。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种热界面材料及其制备方法、应用方法，制得的热界面材料具有较高热导率，且可适用于半导体功率器件的散热。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
一种热界面材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1，选择泡沫金属材料作为基底；S2，对所述基底进行表面清洁处理；S3，在步骤S2所得的基底的上表面和下表面均负载上低熔点金属和/或合金，制得具有三明治结构的泡沫金属材料，作为热界面材料。
本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决：
一种根据如上所述的制备方法制得的热界面材料。
一种如上所述的热界面材料的应用方法，包括以下步骤：通过加压回流焊将所述热界面材料固定在芯片的表面，通过所述热界面材料为所述芯片散热。
本发明与现有技术对比的有益效果是：
本发明的制备方法，首先通过对泡沫金属进行表面处理得到表面洁净的泡沫金属膜材料；然后在泡沫金属的表面均匀负载上一层低熔点金属，从而得到三明治结构泡沫金属膜材料。该制备过程工艺简单、成本较低。所得的三明治结构泡沫金属膜材料可以作为热界面膜材料，通过自身三维骨架结构的变形释放热应力。作为其中的一种使用方法，可以通过加压回流焊的方式将制得的三明治结构的泡沫金属膜材料贴至芯片背面。经验证，本发明制得的泡沫金属膜材料具有较高热导率，且材料具有良好的焊接性能，从而与芯片粘结时具有较低的接触热阻，可以作为半导体功率器件的热界面材料，为功率器件高效散热。
【附图说明】
图1是本发明具体实施方式中制备三明治热界面膜材料及其应用的流程图；
图2是本发明具体实施方式中制得的三明治结构泡沫金属膜材料作为热界面材料应用时的示意图；
图3A是本发明具体实施方式中制得的三明治泡沫金属膜材料在一种倍数下的SEM图；
图3B是本发明具体实施方式中制得的三明治泡沫金属膜材料在另一放大倍数下的SEM图；
图4是本发明具体实施方式中若干种三明治结构泡沫金属热界面材料的推力测试结果图。
【具体实施方式】
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。
本发明的构思是：泡沫金属本身具有良好的金属网络，界面热阻较低。同时，泡沫金属可以具有一定机械性能，并且其金属骨架的微小移动可便于实现热应力的释放，因此本发明构思将其改进后应用于大功率半导体器件中芯片散热的新型材料。
如图1所示，为本具体实施方式中制备三明治泡沫金属膜材料及其应用的流程图，包括以下步骤：
S1：选择一种具有一定力学性能的泡沫金属基薄膜。
该步骤中，泡沫金属材料可选自镍、铁、铜、银、铝的纯金属或多种的合金。也即，泡沫金属材料可以是泡沫镍、泡沫铁、泡沫银、泡沫铜、泡沫铝、泡沫镍铁、泡沫铜镍、泡沫铁镍铬、泡沫铜锌合金、泡沫铜铝合金、泡沫铝镁合金中的一种。选择的泡沫金属材料的孔隙率为20％～70％，孔径在0.001-1mm。基底薄膜的厚度在0.001～10mm。
S2：对泡沫金属进行表面清洁处理、烘干。
具体地，可以通过超声清洗、等离子清洗机等物理方法进行表面处理，也可以通过硫酸、盐酸、醋酸、草酸等酸处理，还可以通过酒精、丙酮、甲醛等有机溶剂处理、水合肼、氢氧化钠、氨水等碱处理方法。将超声清洗后的泡沫金属放置于50℃烘箱，15分钟烘干后备用。面处理的方法可以是，中的一种或多种。
S3：将烘干后的泡沫金属取出，对泡沫金属的上表面和下表面均负载上低熔点金属和/或合金，制得具有三明治结构的泡沫金属材料。
该步骤中，可通过电镀、化学镀、蒸镀、溅射、离子镀中的一种或多种的组合在泡沫金属的表面负载低熔点金属和/或合金。此处的低熔点是指熔点在300℃以下。所负载的低熔点金属可以是Bi、Sn、Pb、In或其合金。该步骤中，在泡沫金属的表面负载低熔点金属和/或合金的作用是使泡沫金属在低熔点下具备可焊接性。
负载时，例如，可以通过将烘干后的泡沫金属进行电镀，配制用于电镀的镀液，对所述材料进行电镀。所述电镀液包括浓度大于0.001且小于1mol/L的电镀金属盐溶液、浓度大于0.001且小于1mol/L的络合剂溶液、浓度大于0.001且小于1mol/L的电解质溶液。电流密度在大于0.001且小于50mA/cm2。电镀时间大于0.0001h小于5h。将待电镀金属盐溶液作为电解液、Pt电极作为对电极、饱和干汞电极作为参比电极。其中，络合剂为柠檬酸、柠檬酸钾、柠檬酸钠、乙醇酸、琥珀酸、酒石酸、酒石酸钠、水杨酸中的一种或多种。电解质溶液包括硫酸钠、硫酸钾、硝酸钠、硝酸钾、氯化钠、氯化钾、硫酸铵、硝酸铁的一种或多种。
再例如，可以通过将烘干后的泡沫金属进行化学镀，配制用于化学镀的镀液，对所述材料进行化学镀。所述化学镀的镀液包括浓度大于0.001且小于1mol/L的金属盐溶液、浓度大于0.001且小于1mol/L的络合剂溶液，浓度大于0.001且小于1mol/L的还原剂溶液。化学镀温度为20℃-80℃。化学镀时间大于0.0001h小于5h。其中，络合剂为柠檬酸、柠檬酸钾、柠檬酸钠、乙醇酸、琥珀酸、酒石酸、酒石酸钠、水杨酸中的一种或多种。还原剂为葡萄糖、果糖、麦芽糖、甲醛、抗坏血酸、乙二醇、硼氢化钠、水合肼中的一种或多种。
S4：将制得的三明治结构的泡沫金属材料用酒精清洗，烘干。
S5：将泡沫金属通过加压回流焊固定在芯片的表面上。
上述步骤S4～S5即是将泡沫金属材料用于MOSFET、IGBT等大功率、大尺寸芯片中进行散热。如图2所示，为制得的三明治结构泡沫金属膜材料作为热界面材料应用时的示意图。三明治结构的泡沫金属膜材料包括泡沫金属膜101以及负载在泡沫金属膜101上下表面的低熔点金属(或合金)层102、103。该泡沫金属膜材料固定在芯片200的表面，热沉300沉积在泡沫金属膜材料上，用于大功率大尺寸芯片的散热和热应力释放。这样，通过泡沫金属膜材料的高导热率即可为芯片进行散热，通过泡沫金属的三维骨架结构可有利于芯片高效地释放热应力。
如下通过具体实施例验证制得的热界面材料的导热率以及力学性能。
实施例1
本实验选用的泡沫材料为平均孔径在100μm、孔隙率在50％的泡沫镍，泡沫镍的厚度为0.3mm。用于清洗泡沫镍基底的盐酸浓度为0.05mol/L，制备三明治结构泡沫金属所用方法为电镀，金属盐溶液为硫酸铟溶液，浓度为0.05mol/L，络合剂为酒石酸，浓度为0.005mol/L，电解质溶液为硫酸钾，浓度为0.005mol/L。
(1)将泡沫镍在0.05mol/L盐酸溶液中浸泡10-15min后取出，用乙醇超声清洗10min。
(2)对泡沫镍进行电镀，将泡沫镍裁剪成2.54*2.54cm并将待电镀泡沫镍作为工作电极，Pt电极作为对电极，干汞电极作为参比电极。电镀时间为5h。
(3)将电镀后的泡沫镍用酒精清洗，烘干，得到三明治泡沫金属热界面膜材料。如图3A和3B所示，为本实施例制得的三明治泡沫金属膜材料在两种不同放大倍数下的SEM图。从图中可看出，泡沫金属具有三维烧结导电网络和三维通孔结构。
(4)将得到的三明治泡沫金属热界面膜材料作为热界面材料，通过加压(20psi)回流焊，回流焊的峰值温度为180℃，焊接在芯片上。
实施例2
本实验选用的泡沫材料为平均孔径在150μm、孔隙率在70％的泡沫银，泡沫银的厚度为0.2mm。用于清洗泡沫银基底的硝酸浓度为0.005mol/L，制备三明治结构泡沫金属所用方法为磁控溅射，溅射金属为镓。
(1)将泡沫银在0.05mol/L硝酸溶液中浸泡10-15min后取出，在丙酮中浸泡20min后在室温下烘干。
(2)对泡沫银进行磁控溅射，磁控溅射的时间为1h，磁控溅射镓的厚度为5μm。
(3)将溅射后得到的三明治结构泡沫银用丙酮清洗，烘干，得到三明治泡沫金属热界面膜材料。该实施例的泡沫金属膜材料的SEM图与实施例1中的泡沫金属膜材料的SEM图的类似，在此不重复提供。
(4)将得到的三明治泡沫金属热界面膜材料作为热界面材料，通过加压(50psi)回流焊，回流焊的峰值温度为170℃，焊接在芯片上。
实施例3
本实验选用的泡沫材料为平均孔径在200μm、孔隙率在60％的泡沫铝，泡沫铝的厚度为0.4mm。用于清洗泡沫铝基底的盐酸浓度为0.06mol/L，制备三明治结构泡沫金属所用方法为蒸镀，蒸镀金属为锡。
(1)将泡沫铝在0.06mol/L盐酸溶液中浸泡10-15min后取出，在丙酮中浸泡30min后在室温下烘干。
(2)对泡沫铝进行蒸镀，蒸镀时间为1h，蒸镀的金属为锡，厚度为10um。蒸镀得到的泡沫金属膜材料的SEM图与实施例1中的泡沫金属膜材料的SEM图的类似，在此不重复提供。
(3)将蒸镀得到的三明治结构泡沫铝作为热界面材料，通过加压(80psi)回流焊，回流焊温度为240℃，焊接在芯片上。
实施例4
本实验选用的泡沫材料为平均孔径在50μm、孔隙率在20％的泡沫铜锌合金，泡沫铜锌合金的厚度为0.4mm。用于清洗泡沫铜锌合金基底的盐酸浓度为0.1mol/L，制备三明治结构泡沫金属所用方法为化学镀，化学镀金属为铟。
(1)将泡沫铜锌合金在0.05mol/L盐酸溶液中浸泡10-15min后取出，在丙酮中浸泡10min后在室温下烘干。
(2)对泡沫铜锌合金进行化学镀，化学镀时间为1h，镀的金属为铟，将泡沫铜锌合金裁剪成2.54*2.54cm，投入电镀液中，其中电镀液的构成：硫酸钠0.03mol/L,硫酸铟0.01mol/L，抗坏血酸0.91mol/L,在40℃化学镀3小时。化学镀得到的三明治结构泡沫铜锌合金的SEM图与实施例1中的泡沫金属膜材料的SEM图的类似，在此不重复提供。
(3)将化学镀得到的三明治结构泡沫铜锌合金作为热界面材料，通过加压(80psi)回流焊，回流焊温度为240℃，焊接在芯片上。
如下表所示，为实施例1～实施例4制得的三明治结构泡沫金属作为热界面材料时的热导率测试结果，测试方法为激光闪射法。
Figure BDA0001608571080000061
从上表可知，通过调控泡沫金属孔隙率，可以得到不同热导率的热界面材料。同时，三明治泡沫金属热界面材料的面内热导率与面外热导率相差很少，从而该热界面材料的导热性能较好。
如图4所示，为若干种三明治结构泡沫金属热界面材料的推力测试结果图。图中10个编号对应的泡沫金属热界面材料分别为：编号1～3为孔隙率50％的三明治泡沫金属热界面材料、编号4～6为孔隙率70％泡沫金属热界面材料、编号7～10为孔隙率20％泡沫金属热界面材料。从图4中可知，其剪切强度在4.8MPa-28MPa的范围内，从而可知三明治泡沫金属材料具有良好的焊接性能，进而可以作为热界面材料，降低与芯片接触热阻。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种热界面材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1，选择泡沫金属材料作为基底；S2，对所述基底进行表面清洁处理；S3，通过电镀、化学镀、蒸镀、溅射、离子镀中的一种或多种的组合，在步骤S2所得的基底的上表面和下表面均负载上低熔点金属和/或合金，制得具有三明治结构的泡沫金属材料，作为热界面材料，其中，在所述泡沫金属材料的表面负载的所述低熔点金属和/或合金作为回流焊材料以使所述泡沫金属材料与芯片焊接并降低与芯片的接触热阻。
2.根据权利要求1所述的热界面材料的制备方法，其特征在于：通过电镀负载低熔点金属和/或合金时，电镀液包括浓度大于0.001且小于1mol/L的电镀金属盐溶液、浓度大于0.001且小于1mol/L的络合剂溶液、浓度大于0.001且小于1mol/L的电解质溶液；电镀时，电流密度大于0.001且小于50mA/cm2，电镀时间大于0.0001h小于5h。
3.根据权利要求1所述的热界面材料的制备方法，其特征在于：通过化学镀负载低熔点金属和/或合金时，化学镀液包括浓度大于0.001且小于1mol/L的金属盐溶液、浓度大于0.001且小于1mol/L的络合剂溶液、浓度大于0.001且小于1mol/L的还原剂溶液；化学镀时，温度为20℃-80℃，化学镀时间大于0.0001h小于5h。
4.根据权利要求1所述的热界面材料的制备方法，其特征在于：步骤S3中，所述低熔点金属选自Bi、Sn、Pb、In中的一种或多种的合金。
5.根据权利要求1所述的热界面材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中，对所述基底进行表面清洁处理包括选用浓度范围在0.001mol/L-1mol/L的酸溶液处理所述泡沫金属材料0-10min；或者，通过有机溶剂、碱溶液浸润处理所述泡沫金属材料；或者通过超声清洗处理所述泡沫金属材料。
6.根据权利要求1所述的热界面材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述泡沫金属材料的孔隙率为20％～70％，孔径在0.001-1mm；所述基底的厚度在0.001～10mm。
7.一种根据权利要求1～6任一项所述的制备方法制得的热界面材料。
8.一种如权利要求7所述的热界面材料的应用方法，其特征在于：包括以下步骤：通过加压回流焊，利用所述泡沫金属材料的表面负载的所述低熔点金属和/或合金将所述热界面材料焊接在芯片的表面，通过所述热界面材料为所述芯片散热。
9.根据权利要求8所述的热界面材料的应用方法，其特征在于：所述加压回流焊过程中，施加的压力的范围为1psi-500psi，回流焊的温度为160℃-250℃。
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