CN109959288A - 一种相变储热复合型均热板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种相变储热复合型均热板及其制备方法，属于电子封装技术领域。该均热板由金属壳体、上盖板、高导热支撑骨架和储热介质组成，高导热支撑骨架和储热介质设置于金属壳体内，上盖板封盖焊接在金属壳体上。储热介质通过压力浸渗或自组装的方式封装于高导热骨架中，再置于金属壳体中，金属壳体与上盖板焊接。本发明实现了热沉与均热板的一体化设计，热导率>400W/mK，同时通过储热介质的相变吸热，实现散热功能，并且通过高导热骨架毛细作用的自封装和金属壳体与盖板的焊接封装，避免了储热介质的泄漏，从而提高了部件的可靠性。

Description

一种相变储热复合型均热板及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种相变储热复合型均热板及其制备方法，属于电子封装技术领域。
背景技术
随着微电子技术朝着小型化、高集成化的发展，以及瞬时高功率器件的广泛应用，普通均热板不具备高的热导率，无法满足高功率器件及瞬时高功率脉冲型器件散热的需要。
中国专利CN105202956A公布了一种钨铜或钼铜为基板的复合均热板的制造方法，用于解决热沉材料与均热板之间热阻过大及稳定性问题。但由于其导热系数低(小于200W/mK)，不能满足现在更高功率器件的使用，对于瞬时高功率的器件，易受热冲击而失效。
发明内容
本发明的目的是为了解决均热板热导率低，热沉材料与均热板封装结构复杂，实现传热与储热耦合，提供一种瞬时高功率器件的散热途径。
为解决以上问题，本发明提出了储热型均热板以及热沉材料与均热板进行复合的方式。利用液态金属相变吸收大量热量进行散热，并且对液态金属进行了有效的封装。
一种相变储热复合型均热板，该均热板由金属壳体、上盖板、高导热支撑骨架、储热介质四部分构成，高导热支撑骨架和储热介质置于金属壳体内，上盖板封盖在金属壳体上。
所述金属壳体的材质为无氧铜、硅铝或铝合金，其横截面形状为矩形或者圆形。所述上盖板的材质为经表面金属化的金刚石-铜或金刚石-铝复合材料，具有高热导率，热膨胀系数与高功率芯片相匹配，可以直接作为热沉使用，其形状为矩形或者圆形的复合材料板。金刚石-铜或金刚石-铝复合材料通过化学镀镍进行表面金属化，优选金刚石-铜或金刚石-铝复合材料通过镀镍、再在镍层电镀金进行表面金属化。
所述的高导热支撑骨架的材质为泡沫铜、泡沫铝或泡沫碳，孔隙率为50％-90％，平均孔径为0.3-1mm。高导热支撑骨架为三维连通的泡沫结构，充满整个腔体，根据采用材料孔隙率、孔径的不同，实际占据的体积不同，占金属壳体内部的体积比为10vol％～80vol％。
所述储热介质为铟基、镓基或铋基低熔点合金，熔点为5-80℃，体积相变焓为200-500KJ/L。
储热介质通过压力浸渗方式封装于高导热支撑骨架中，利用毛细作用进行自封装，浸渗的储热介质与高导热支撑骨架的体积比介于1/1～9/1之间；所述的金属壳体与上盖板之间为焊接连接。
上述相变储热复合型均热板的制备方法，包括如下步骤：采用压力浸渗法(优选真空压力浸渗法)将储热介质压入高导热支撑骨架中，利用毛细作用进行自封装；将高导热支撑骨架通过过盈配合装配到金属壳体内，金属壳体与上盖板之间通过焊接连接。
高导热支撑骨架与金属壳体各面及上盖板相接触，它们之间存在过盈配合。
本发明具有以下优点：(1)针对瞬时高功率器件，引入液态金属相变材料，通过储热介质的相变吸热，实现传热和储热功能的耦合。(2)简化了高功率器件的封装结构，使用高导热金刚石基复合材料作为上盖板，高功率芯片可以直接安装到均热板上，减少封装层次，实现了热沉与均热板的复合，相较普通纯金属均热板Z方向散热效率提高了70％。(3)该复合型均热板具有高导热性，通过引入高导热支撑骨架，以及使用金刚石基复合材料作为上盖板材料，相较于普通纯金属均热板，X-Y方向热导率可达400W/mK以上。
本发明实现了热沉与均热板的一体化设计，热导率>400W/mK，同时通过储热介质的相变吸热，实现散热功能(瞬时高功率器件的快速散热)，并且通过高导热骨架毛细作用的自封装和金属壳体与盖板的焊接封装，避免了储热介质的泄漏，从而提高了部件的可靠性。
附图说明
图1为本发明均热板的结构示意图。
主要附图标记说明：
1 金属壳体 2 高导热支撑骨架
3 储热介质 4 上盖板
5 焊接层
具体实施方式
如图1所示，本发明的均热板由金属壳体1、上盖板4、高导热支撑骨架2、储热介质3四部分构成。上盖板4部分所用材料为高导热金刚石铜或金刚石铝复合材料，高导热支撑骨架2部分所用材料为高导热泡沫铜、泡沫铝或泡沫碳，储热介质3部分采用铟基、镓基或铋基低熔点合金，储热介质3通过压力浸渗或自组装的方式封装于泡沫骨架即高导热支撑骨架2中，再置于金属壳体1中，上盖板4与金属壳体1通过焊接连接，形成焊接层5。
下面的实施例中，金属壳体的内径均为50×40×6mm，周围壁厚为0.5～1mm，上盖板厚度为0.5～1mm。上盖板的材质为经表面金属化的金刚石-铜或金刚石-铝复合材料，表面金属化均为在表面先镀镍再电镀金。采用的铟基合金熔点为50～70℃，体积相变焓为150～250J/cm3；铋基合金熔点为60～80℃，体积相变焓为250～350J/cm3；镓基合金熔点为5～50℃，体积相变焓为300～500J/cm3。产品尺寸参数对储热能力有一定影响，但对导热性能影响不大，产品的性能主要与所选用的材料有关，即材料类型对导热能力起决定作用。
实施例1
采用压力浸渗法将铟基合金(In51Bi32.5Sn16.5)渗入泡沫铜中，泡沫铜孔隙率为70％-80％，孔径0.3-0.8mm，浸渗的铟基合金与泡沫铜的体积比为8/2～7:3；高导热支撑骨架的尺寸为50×40×6mm，复合后通过过盈配合装配到无氧铜制金属外壳中，占金属壳体内部的体积比为70vol％；将经表面金属化的金刚石铜复合材料板与金属外壳通过焊接实现封装。复合均热板X-Y方向热导率>400W/mK，Z方向热导率>100W/mK，液态金属相变温度60℃，储热能力为1.5-2.5KJ。
实施例2
采用压力浸渗法将铋基合金(Bi54In29.7Sn16.3)渗入泡沫铜中，泡沫铜孔隙率为70％-80％，孔径0.3-0.8mm，浸渗的铋基合金与泡沫铜的体积比为8/2～7:3；高导热支撑骨架的尺寸为50×40×6mm，复合后通过过盈配合装配到无氧铜制金属外壳中，占金属壳体内部的体积比为80vol％；将经表面金属化的金刚石铜复合材料板与金属外壳通过焊接实现封装。复合均热板X-Y方向热导率>400W/mK，Z方向热导率>100W/mK，液态金属相变温度80℃，储热能力为2.5-3.5KJ。
实施例3
采用压力浸渗法将铟基合金(In66.3Bi33.7)渗入泡沫铝中，泡沫铝孔隙率为70％-80％，孔径0.3-0.8mm，浸渗的铟基合金与泡沫铝的体积比为8/2～7:3；高导热支撑骨架的尺寸为50×40×6mm，复合后通过过盈配合装配到硅铝制金属外壳中，占金属壳体内部的体积比为80vol％；将经表面金属化的金刚石铝复合材料板与金属外壳通过焊接实现封装。复合均热板X-Y方向热导率>300W/mK，Z方向热导率>90W/mK，液态金属相变温度70℃，储热能力为1.5-3.5KJ。
实施例4
采用压力浸渗法将铋基合金(Bi49In21Pb18Sn12)渗入泡沫铝中，泡沫铝孔隙率为70％-80％，孔径0.3-0.8mm，浸渗的铋基合金与泡沫铝的体积比为8/2～7:3；高导热支撑骨架的尺寸为50×40×6mm，复合后通过过盈配合装配到铝制金属外壳中，占金属壳体内部的体积比为60vol％；将经表面金属化的金刚石铝复合材料板与金属外壳通过焊接实现封装。复合均热板X-Y方向热导率>300W/mK，Z方向热导率>90W/mK，液态金属相变温度60℃，储热能力为2.5-3.5KJ。
实施例5
采用压力浸渗法将铟基合金(In61.7Bi30.8Cd7.5)渗入泡沫碳中，泡沫碳孔隙率为80％-90％，孔径0.3-0.8mm，浸渗的铟基合金与泡沫碳的体积比为9/1～8/2；高导热支撑骨架的尺寸为50×40×6mm，复合后通过过盈配合装配到无氧铜制金属外壳中，占金属壳体内部的体积比为50vol％；将经表面金属化的金刚石铜复合材料板与金属外壳通过焊接实现封装。复合均热板X-Y方向热导率>360W/mK，Z方向热导率>80W/mK，液态金属相变温度65℃，储热能力为1.5-2.5KJ。
实施例6
采用压力浸渗法将铋基合金(Bi49.1In20.9Pb17.9Sn11.6Cd0.5)渗入泡沫碳中，泡沫碳孔隙率为80％-90％，孔径0.3-0.8mm，浸渗的铋基合金与泡沫碳的体积比为9/1～8/2；高导热支撑骨架的尺寸为50×40×6mm，复合后通过过盈配合装配到硅铝制金属外壳中，占金属壳体内部的体积比为10vol％；将经表面金属化的金刚石铝复合材料板与金属外壳通过焊接实现封装。复合均热板X-Y方向热导率>250W/mK，Z方向热导率>70W/mK，液态金属相变温度60℃，储热能力为2.5-3.5KJ。
实施例7
采用压力浸渗法将镓基合金(Ga96.5Zn3.5)渗入泡沫铜中，泡沫铜孔隙率为70％-80％，孔径0.3-0.8mm，浸渗的镓基合金与泡沫铜的体积比为8/2～7:3；高导热支撑骨架的尺寸为50×40×6mm，复合后通过过盈配合装配到无氧铜制金属外壳中，占金属壳体内部的体积比为70vol％；将经表面金属化的金刚石铜复合材料板与金属外壳通过焊接实现封装。复合均热板X-Y方向热导率>300W/mK，Z方向热导率>80W/mK，液态金属相变温度25℃，储热能力为3-5KJ。
实施例8
采用压力浸渗法将镓基合金(Ga61In25Sn13Zn1.0)渗入泡沫碳中，泡沫碳孔隙率为80％-90％，孔径0.3-0.8mm，浸渗的镓基合金与泡沫碳的体积比为9/1～8/2；高导热支撑骨架的尺寸为50×40×6mm，复合后通过过盈配合装配到硅铝制金属外壳中，占金属壳体内部的体积比为60vol％；将经表面金属化的金刚石铜复合材料板与金属外壳通过焊接实现封装。复合均热板X-Y方向热导率>300W/mK，Z方向热导率>100W/mK，液态金属相变温度5℃，储热能力为3-5KJ。
本发明实现了热沉与均热板的一体化设计，热导率>400W/mK。

Claims (10)

1.一种相变储热复合型均热板，其特征在于：该均热板由金属壳体、上盖板、高导热支撑骨架和储热介质组成，所述的高导热支撑骨架和储热介质设置于金属壳体内，所述的上盖板封盖在金属壳体上。
2.根据权利要求1所述的相变储热复合型均热板，其特征在于：所述金属壳体的材质为无氧铜、硅铝或铝合金，其横截面形状为矩形或者圆形。
3.根据权利要求1所述的相变储热复合型均热板，其特征在于：所述上盖板的材质为经表面金属化的金刚石-铜或金刚石-铝复合材料，形状为矩形或者圆形。
4.根据权利要求1所述的相变储热复合型均热板，其特征在于：所述的高导热支撑骨架的材料为泡沫铜、泡沫铝或泡沫碳。
5.根据权利要求4所述的相变储热复合型均热板，其特征在于：所述的泡沫铜、泡沫镍或泡沫碳的孔隙率为50％-90％，平均孔径为0.3-1mm。
6.根据权利要求1所述的相变储热复合型均热板，其特征在于：所述的高导热支撑骨架占金属壳体内部的体积比为10vol％～80vol％。
7.根据权利要求1所述的相变储热复合型均热板，其特征在于：所述储热介质为铟基、镓基或铋基低熔点合金，熔点为5-80℃，体积相变焓为200-500KJ/L。
8.根据权利要求1所述的相变储热复合型均热板，其特征在于：所述的储热介质通过压力浸渗的方式封装于高导热支撑骨架中；所述的金属壳体与上盖板之间为焊接连接。
9.根据权利要求8所述的相变储热复合型均热板，其特征在于：所述的储热介质与高导热支撑骨架的体积比为9/1～1/1。
10.如权利要求1-9中任一项所述的相变储热复合型均热板的制备方法，包括如下步骤：采用压力浸渗法将储热介质压入高导热支撑骨架中，利用毛细作用进行自封装；将高导热支撑骨架通过过盈配合装配到金属壳体内，金属壳体与上盖板之间通过焊接连接。
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Address after: 101407 No. 11 Xingke East Street, Yanqi Economic Development Zone, Huairou District, Beijing

Applicant after: Research Institute of engineering and Technology Co., Ltd.

Address before: No. 2, Xinjie street, Xicheng District, Beijing, Beijing

Applicant before: General Research Institute for Nonferrous Metals

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Application publication date: 20190702

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