CN109957696A - 一种50-80度散热且无侧漏的液态金属热界面材料 - Google Patents

一种50-80度散热且无侧漏的液态金属热界面材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种50‑80度散热且无侧漏的液态金属热界面材料。按重量百分比计,中间层合金组成为:Co:0.2‑0.4wt.%,Zn:5.0‑6.0wt.%,Ga:1.0‑2.0wt.%,Mn:0.5‑0.8wt.%,Si:0.1‑0.2wt.%,Ge:0.8‑1.2wt.%,余量为铟。该材料在解决常见液态金属会发生侧漏的同时，也会为急需高效散热的电子工业领域提供一种有益的液态金属热界面材料。可以预计，该材料的成功产业化必将获得极大的社会价值和经济价值。

Description

一种50-80度散热且无侧漏的液态金属热界面材料
技术领域
本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种铟合金。
背景技术
随着科学技术的快速发展，对电子器件的要求越来越高。同时，电子器件也在向着集成化，小型化的方向发展。同时，还要求具备高的可靠性，灵活性，紧凑型和容易维护的特点。这种需求对电子器件使用的材料，制造的工艺和电子电路带来了新的挑战。器件小型化和大功率化不可避免的要求高的散热效率，因而高密度的散热严重的制约着电力电子技术的发展。在国际范围内，对电子电力器件的散热提出了更为苛刻的要求。
一个散热体系，可以简单的归纳为两部分：发热体和散热体。任何表面都有粗糙度，因而当两个表面接触在一起的时候，不可能完全接触而形成空气间隙。热界面材料是用于放置在发热体和散热体之间，用于降低它们之间热阻的材料。由于空气的传热系数非常低（0.02W/m·K），因而对发热体和散热体之间造成了非常大的接触热阻。
理想的热界面材料应该具备的特性是：(1)高的导热性能。（2）高柔韧性，使得该热界面材料可以在低的安装压力条件下可以充分的填充空气缝隙。（3）耐挥发，耐氧化且使用寿命长。（4）安装简单，且拆卸的时候方便不留残余物。（5）实用性广，价格低廉。不仅可以用来填充小空隙，也能用来填充大的缝隙。
传统的热界面材料中最重要也最常见的是硅脂，但是传热性能低（1-2W/m·K）。而且，在空气中使用后容易出现挥发导致的脆化和老化。因而，硅脂用作对高密度散热要求高的电子器件并不合适。近年来出现的液态金属热界面材料是解决极端环境下散热需求的关键。液态金属热界面材料是熔点低的合金介质，不仅柔软容易安装,且具有极高的传热性能(>40W/m·K）。此外，不会在使用温度下出现挥发和老化的现象。因而，极其适合在高端电子领域由苛刻散热需求的场合使用。但是，液态金属热界面材料面临着在熔化后发生侧漏而使得电路板短路发生事故。因此，防止该类材料的泄露一直是液态金属热界面材料领域的难题。
目前，电子领域的散热问题在国民经济领域越来越突出，使得高端散热的解决方案越来越受到重视。各国投入了大量的人力和物理进行了深入的研究，但是还没有相对成熟的解决方案。本专利从材料学的角度出发，提出了一种不会发生侧漏的液态金属热界面材料及其工艺。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种50-80度散热且无侧漏的液态金属热界面材料。该材料在50-80度之间用作热界面材料时有优异的填缝能力和导热性能，同时不会发生侧漏引起电子器件短路。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种50-80度散热且无侧漏的液态金属热界面材料。按重量百分比计,该合金组成为Co:0.2-0.4wt.%,Zn:5.0-6.0wt.%,Ga:1.0-2.0wt.%,Mn:0.5-0.8wt.%,Si:0.1-0.2wt.%,Ge:0.8-1.2wt.%,余量为铟。
上述散热材料的制备方法，包括如下的步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用石墨坩埚和氩气保护；在300-400度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，导入石墨模具内进行浇铸；（b）将铸锭进行冷轧，每道次轧制的压下量为10-20%，直到轧到所需的厚度（0.1-0.5mm）。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）本专利提供了一种新型的液态金属热界面材料，用于50-80度之间的电子器件高效散热。该材料的结构图如图1所示，包括基体部分（A）和包裹相部分（B）。其中，基体部分和包裹相部分是通过合金设计使得液相具有相分离效应（调幅分解）可以形成成分不同的两种液相，然后在冷却过程中分别冷却形成基体部分和包裹相部分。由于基体相和包裹相在凝固过程中发生相分离，因而所得到的两部分在随后的受热升温过程中也会分别发生熔化。只要包裹相的熔点低于基体相的熔点，便可以形成固态的基体包裹液态金属的散热模式。通过调节包裹相和基体相的体积分数，便可以得到在工作温度下（50-80度）非常柔软，但是基体相可以有效的对包裹相进行封装并防止侧漏的热界面材料。上述原理便是本专利的创新之处，也是解决目前液态金属会导致电路板短路的有效措施。
（2）该材料基体相的熔点为90-100度，而包裹相的熔点为40-50度。在50-80度的工作温度区间内，该材料基体相所占体积分数为20-30%,且该材料的基体相可以维持在固态而不会发生熔化。该材料的传热系数为50-80 W/m﹒K，可以在设定的工作温度下通过包裹相的熔化和基体相的封装作用获得非常柔软的热界面材料来充分填补发热体和散热体中间的细小空隙。从根本上杜绝了目前液态金属在熔化后会四处流动，造成间隙增大的现象。
（3） 该产品实用性广，加工冶炼方法简单，生产成本低，便于工业化的大规模生产和实际应用。在施和产业化后，不仅可以解决行业难题，同时也能获得极大的市场价值。
附图说明
图1是该材料的结构示意图；其中A是基体部分，B是包裹相部分。
具体实施方式
实施例1
一种50-80度散热且无侧漏的液态金属热界面材料。按重量百分比计,中间层合金组成为:Co:0.2wt.%,Zn:5.0wt.%,Ga:1.0wt.%,Mn:0.5wt.%,Si:0.1wt.%,Ge:0.8wt.%,余量为铟。
上述散热材料的制备方法，包括如下加工步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用石墨坩埚和氩气保护；在300-400度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，导入石墨模具内进行浇铸；（b）将铸锭进行冷轧，每道次轧制的压下量为10-20%，直到轧到所需的厚度（0.1-0.5mm）。
该材料基体相的熔点为92度，而包裹相的熔点为45度。在50-80度的工作温度区间内，该材料基体相所占体积分数为25%,且该材料的基体相可以维持在固态而不会发生熔化。该材料的传热系数为60 W/m﹒K，可以在设定的工作温度下通过包裹相的熔化和基体相的封装作用获得非常柔软的热界面材料来充分填补发热体和散热体中间的细小空隙。从根本上杜绝了目前液态金属在熔化后会四处流动，造成间隙增大的现象。该产品实用性广，加工冶炼方法简单，生产成本低，便于工业化的大规模生产和实际应用。
实施例2
一种50-80度散热且无侧漏的液态金属热界面材料。按重量百分比计,中间层合金组成为:Co:0.4wt.%,Zn:6.0wt.%,Ga:2.0wt.%,Mn:0.8wt.%,Si:0.2wt.%,Ge:1.2wt.%,余量为铟。
上述散热材料的制备方法，包括如下加工步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用石墨坩埚和氩气保护；在300-400度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，导入石墨模具内进行浇铸；（b）将铸锭进行冷轧，每道次轧制的压下量为10-20%，直到轧到所需的厚度（0.1-0.5mm）。
该材料基体相的熔点为98度，而包裹相的熔点为42度。在50-80度的工作温度区间内，该材料基体相所占体积分数为21%,且该材料的基体相可以维持在固态而不会发生熔化。该材料的传热系数为72 W/m﹒K，可以在设定的工作温度下通过包裹相的熔化和基体相的封装作用获得非常柔软的热界面材料来充分填补发热体和散热体中间的细小空隙。从根本上杜绝了目前液态金属在熔化后会四处流动，造成间隙增大的现象。该产品实用性广，加工冶炼方法简单，生产成本低，便于工业化的大规模生产和实际应用。
实施例3
一种50-80度散热且无侧漏的液态金属热界面材料。按重量百分比计,中间层合金组成为:Co:0.3wt.%,Zn:5.2wt.%,Ga:1.5wt.%,Mn:0.6wt.%,Si:0.1wt.%,Ge:0.9wt.%,余量为铟。
上述散热材料的制备方法，包括如下加工步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用石墨坩埚和氩气保护；在300-400度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，导入石墨模具内进行浇铸；（b）将铸锭进行冷轧，每道次轧制的压下量为10-20%，直到轧到所需的厚度（0.1-0.5mm）。
该材料基体相的熔点为94度，而包裹相的熔点为48度。在50-80度的工作温度区间内，该材料基体相所占体积分数为28%,且该材料的基体相可以维持在固态而不会发生熔化。该材料的传热系数为70 W/m﹒K，可以在设定的工作温度下通过包裹相的熔化和基体相的封装作用获得非常柔软的热界面材料来充分填补发热体和散热体中间的细小空隙。从根本上杜绝了目前液态金属在熔化后会四处流动，造成间隙增大的现象。该产品实用性广，加工冶炼方法简单，生产成本低，便于工业化的大规模生产和实际应用。

Claims (2)

1.一种50-80度散热且无侧漏的液态金属热界面材料；按重量百分比计，该合金组成为：Co:0.2-0.4wt.%,Zn:5.0-6.0wt.%,Ga:1.0-2.0wt.%,Mn:0.5-0.8wt.%,Si:0.1-0.2wt.%,Ge:0.8-1.2wt.%,余量为铟。
2.权利要求1所述一种50-80度散热且无侧漏的液态金属热界面材料，其特征在于包括如下加工步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用石墨坩埚和氩气保护；在300-400度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，导入石墨模具内进行浇铸；（b）将铸锭进行冷轧，每道次轧制的压下量为10-20%，直到轧到所需的厚度（0.1-0.5mm）。
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