CN110306090A - 一种电子芯片80-120度用控氧型耐管道腐蚀液态金属及其工艺 - Google Patents

一种电子芯片80-120度用控氧型耐管道腐蚀液态金属及其工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电子芯片80‑120度用控氧型耐管道腐蚀液态金属及其工艺。按重量百分比计,其中合金组成为Ag:0.2‑0.4wt.%,Ni:0.1‑0.3wt.%,Sb:4.0‑6.0wt.%,Zn:8.0‑10.0wt.%,In:15.0‑20.0wt.%,Bi:3.0‑5.0wt.%,Pb:1.0‑3.0wt.%,余量为镓；其中控制氧活度的氧化物组成为PbO:10.0‑20.0wt.%,SnO2:4.0‑8.0wt.%,TaO:1.0‑2.0wt.%,MnO2:5.0‑8.0wt.%,CoO:2.0‑4.0wt.%,余量为Fe2O3。通过在管道中封装液态金属并采用控氧模块进行控制氧活度，可有效地在不锈钢管道的表面生成稳定致密的氧化膜来抑制液态金属对管道材料的腐蚀。特点是工艺过程简单，实施的费用低，高效散热和增加散热构件使用寿命效果明显。

Description

一种电子芯片80-120度用控氧型耐管道腐蚀液态金属及其 工艺
技术领域
本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种镓合金。
背景技术
电子芯片中决定散热和热传导的因素主要有:芯片的集成密度、铜箔厚度、走线宽度等。在实际的使用过程中，还要考虑到产品的应用环境，线路板的制作工艺和板材质量等。由于芯片集成密度的提高会使得持续电流后发生线路板的轴线发热，从而引起芯片温度上升。尤其严重的是，温度的上升不仅使得芯片启动自我保护机制，当温度升高到基材的容许温度后会发生基材变形，从而影响铜箔线和基材的结合力，最终导致结构失效。
电子芯片的高效热设计常用的措施有，合理的安排芯片和线路板的布局，加大铜箔厚度，使用更高热导率的材料等。此外，在芯片封装后的外部，也要合理的使用优质导热硅胶等传热介质，合理的机械外形设计以及空气流动路径优化等。也就是说，通过仔细的研究电子芯片中的热产生，热扩散率，热导出途径等，就能找出影响散热的主要控制因素，通过对这些因素进行设计和优化是芯片领域热设计的本质工作。
随着芯片集成化的提高和散热需求的进一步提升，传统的解决方案也越来越不能满足急速增长的要求。进行更高效率的热设计和热优化是目前芯片领域亟待解决的问题之一。近年来出现的液态金属便是有望解决这一难题的有效方案之一。液态金属是一种低熔点的合金介质，通过优化材料的热力学性质便可以将合金的熔点控制在所需要的范围内。同时，液态金属在管道中流动时可以在电磁泵的驱动下进行快速而静音的流动。由液态金属封装的散热管在液态金属的驱动下工作模式便是现有的高效散热模式之一。
但是令人感到遗憾的是，目前普遍采用的管道材料是不锈钢。当液态金属在不锈钢管道内流动时，由于不停的冲刷管壁，造成管道材料与液态金属产生化学交互作用，生成金属间化合物而脱离管道。也就是说，在电磁泵的驱动模式下，管道材料有可能在使用一段时间后由于液态金属的冲蚀作用而使得管道开裂，最终造成散热系统失效。而且，由于液态金属属于导电材料，泄露出来的流动性液态金属也会导致电路板短路，造成实质性的故障。
为了解决这一技术性难题，本专利提出了一种新型的解决方案。通过控制液态金属中的氧含量（或者称作氧活度），来在不锈钢的管道上生成一层保护性氧化层。该层属于致密性的保护层，且不会在液态金属中溶解。因而，在该保护层工作模式下，便可以最大限度的延长整个散热管道的寿命，进而解决芯片散热领域的结构性难题。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种电子芯片80-120度用控氧型耐管道腐蚀液态金属及其工艺。该材料在用于不锈钢的散热管道内，且在电磁泵的驱动下可以有效的降低不锈钢与液态金属的化学交互作用。该方法不仅使用简单，散热效果突出，且可以大大延长不锈钢的使用寿命。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电子芯片80-120度用控氧型耐管道腐蚀液态金属及其工艺。按重量百分比计,其中合金组成为Ag:0.2-0.4wt.%,Ni:0.1-0.3wt.%,Sb:4.0-6.0wt.%,Zn:8.0-10.0wt.%,In:15.0-20.0wt.%,Bi:3.0-5.0wt.%,Pb:1.0-3.0wt.%,余量为镓；其中控制氧活度的氧化物组成为PbO:10.0-20.0wt.%,SnO2:4.0-8.0wt.%,TaO:1.0-2.0wt.%,MnO2:5.0-8.0wt.%,CoO:2.0-4.0wt.%,余量为Fe2O3。
上述一种电子芯片80-120度用控氧型耐管道腐蚀液态金属及其工艺，包括如下的加工和使用步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用石墨坩埚进行氩气保护下的熔炼；在200-300度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，待冷却后把熔化好的合金熔液表面的浮渣去除并倒入容器保存；（b）将氧化物按照配比采用球磨的方法混合均匀，其中各种氧化物的颗粒大小保持在10-20微米。然后在模具中施加200-250MPa左右的压力将这些混合均匀的粉末压成直径2-10mm，高度10-20mm的柱状物。(c)在制备散热管道时，氧化物的使用量要占液态金属重量比的4-6wt.%。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)尽管液态金属在电磁泵的驱动下可以进行高效散热，但是液态金属的高速流动会对管道材料显示出强烈的腐蚀性。因而，在开发以液态金属散热时会碰到严重的问题。对于常见的不锈钢管道材料而言，其中的多种合金元素在与液态金属接触后就会直接溶解到液态金属中，并随着流体运动而扩散到整个回路，造成了管道材料的腐蚀。而且，液态金属还会和管道材料发生化学作用，生成金属间化合物。考虑到电子器件的散热问题越来越严重，而传统的散热方案已经到达散热的瓶颈阶段。因而，开发一种具有能够抑制散热管道材料与液态金属物理和化学交互作用的解决方案是该领域热点。
(2)国外的研究结果表明，可以在管道材料内涂覆一层石墨或者某些陶瓷层（例如氧化铝，氮化硅等）来使得管道材料不受到腐蚀，但是在大型的装置中这些方法适用性不高。同时，这些涂层也会产生微观的细小裂纹，导致了液态金属的渗入并发生腐蚀。最为理想的办法，就是设计一种方法，使得液态合金中的某些成分可以和管道材料发生反应，生成一种致密性的保护薄膜而使得管道材料的腐蚀速度降低到可以忽视的地步。这些致密性的保护膜，不仅使得管道材料可以免于液态金属的冲蚀，即使在保护膜出现裂纹性的缺陷时，也可以通过重新生成新的薄膜而使得保护作用得到恢复。这便是本专利的设计思路，而要在管道表面生成的耐腐蚀薄膜就是氧化膜。且该膜的生成是靠控制液态金属中的氧的溶解度，也就是氧的活度来实现的。
(3)本专利的工作原理如图1所示，其中包括了如下的几个部分：（a）不锈钢管道部分，用以封装液态金属，且其内表面在液态金属中溶解的氧的作用下表面会生成致密的氧化物保护膜，从而抑制液态金属对不锈钢管道的腐蚀。（b）电磁泵，用以驱动液态金属使得该流体在不锈钢管道内流动。其中一个电磁泵用来驱动液态金属在主管道中的流动，另外一个电磁泵用来驱动液态金属在控氧模块中的流动。（c）控氧模块，用来调节液态金属中的氧含量。依靠该模块的中的氧化物，当液态金属在电磁泵的驱动下经过该模块时，氧化物中的氧会溶解在液态金属中，从而控制液态金属的氧含量。（d）发热端和散热端，是构成散热结构的两个基本部分。
(4)总的说来，本专利申请的氧化物控氧技术的优点是：体系的反应速度快，清洁没有杂质。当管道中的液态金属在电磁泵的驱动下进行流动时，在通过控氧模块时，就能够充分使得氧化物能够溶解在液态金属中，其中氧的含量由液态金属和氧化物的整体相平衡决定。形成所需的氧化物层并起到保护状态的氧含量和氧化物消耗量并不大（1-2wt.%）。因而，在整个使用寿命范围内，该散热体系的由于氧化物的溶解而发生成分的改变并不明显，液态金属的熔点仍然保持在5-8度内。
(5)该液态金属的熔点为5-8度，因而在常见的散热温度范围内（80-120度），该液态金属保持为液态而不会发生凝固。此外，该液态金属还具有非常高的传热系数（50-80 W/m﹒K）。在80-120度的工作温度下，该结构（液态金属+控氧模块+不锈钢管道）可以使用10年以上而不用进行大修替换。同时，由于工艺装备简单，操作技术容易掌握，修理费用低，特别是在大型散热结构中效果优为显著。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是本专利申请保护的液态金属和控氧模块的使用结构图。其中包括了（1）不锈钢散热管道用于密封液态金属。（2）电磁泵用于驱动液态金属，其中一个电磁泵用来驱动液态金属在主管道中的流动，另外一个电磁泵用来驱动液态金属在控氧模块中的流动。（3）控氧模块用以形成合适氧浓度的液态金属。（4）发热端和散热端用以构成散热的基本构成。
具体实施方式
实施例1
一种电子芯片80-120度用控氧型耐管道腐蚀液态金属及其工艺。按重量百分比计,其中合金组成为Ag:0.3wt.%,Ni:0.1wt.%,Sb:4.2wt.%,Zn:8.5wt.%,In:16.0wt.%,Bi:3.2wt.%,Pb:1.5wt.%,余量为镓；其中控制氧活度的氧化物组成为PbO:12.0wt.%,SnO2:5.0wt.%,TaO:1.4wt.%,MnO2:6.0wt.%,CoO:2.5wt.%,余量为Fe2O3。
上述一种电子芯片80-120度用控氧型耐管道腐蚀液态金属及其工艺，包括如下的加工和使用步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用石墨坩埚进行氩气保护下的熔炼；在200度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，待冷却后把熔化好的合金熔液表面的浮渣去除并倒入容器保存；（b）将氧化物按照配比采用球磨的方法混合均匀，其中各种氧化物的颗粒大小保持在10微米。然后在模具中施加200MPa左右的压力将这些混合均匀的粉末压成直径5mm，高度10mm的柱状物。(c)在制备散热管道时，氧化物的使用量要占液态金属重量比的4.0wt.% 。
该液态金属的熔点为5.2度，因而在常见的散热温度范围（80-120度），该液态金属保持为液态而不会发生凝固。此外，该液态金属还具有非常高的传热系数（60 W/m﹒K）。形成所需的氧化物层并起到保护状态的氧含量和氧化物消耗量并不大（1.4wt.%）。因而，在整个使用寿命范围内，该散热体系的由于氧化物的溶解而发生成分的改变并不明显，液态金属的熔点仍然保持在5.2度左右。在80-120度的工作温度下，该结构（液态金属+控氧模块+不锈钢管道）可以使用10年以上而不用进行大修替换。同时，由于工艺装备简单，操作技术容易掌握，修理费用低，特别是在大型散热结构中效果优为显著。
实施例2
一种电子芯片80-120度用控氧型耐管道腐蚀液态金属及其工艺。按重量百分比计,其中合金组成为Ag: 0.4wt.%,Ni:0.3wt.%,Sb:5.0wt.%,Zn:9.0wt.%,In:18.0wt.%,Bi:4.5wt.%,Pb:2.0wt.%,余量为镓；其中控制氧活度的氧化物组成为PbO: 15.0wt.%,SnO2:5.0wt.%,TaO:1.4wt.%,MnO2:6.2wt.%,CoO:2.5wt.%,余量为Fe2O3。
上述一种电子芯片80-120度用控氧型耐管道腐蚀液态金属及其工艺，包括如下的加工和使用步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用石墨坩埚进行氩气保护下的熔炼；在250度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，待冷却后把熔化好的合金熔液表面的浮渣去除并倒入容器保存；（b）将氧化物按照配比采用球磨的方法混合均匀，其中各种氧化物的颗粒大小保持在12微米。然后在模具中施加240MPa左右的压力将这些混合均匀的粉末压成直径8mm，高度15mm的柱状物。(c)在制备散热管道时，氧化物的使用量要占液态金属重量比的4.2wt.%。
该液态金属的熔点为6.0度，因而在常见的散热温度范围（80-120度），该液态金属保持为液态而不会发生凝固。此外，该液态金属还具有非常高的传热系数（52 W/m﹒K）。形成所需的氧化物层并起到保护状态的氧含量和氧化物消耗量并不大（1.8wt.%）。因而，在整个使用寿命范围内，该散热体系的由于氧化物的溶解而发生成分的改变并不明显，液态金属的熔点仍然保持在6.0度左右。在80-120度的工作温度下，该结构（液态金属+控氧模块+不锈钢管道）可以使用10年以上而不用进行大修替换。同时，由于工艺装备简单，操作技术容易掌握，修理费用低，特别是在大型散热结构中效果优为显著。
实施例3
一种电子芯片80-120度用控氧型耐管道腐蚀液态金属及其工艺。按重量百分比计,其中合金组成为Ag:0.3wt.%,Ni:0.1wt.%,Sb:4.8wt.%,Zn:8.5wt.%,In:17.5wt.%,Bi:3.2wt.%,Pb:1.4wt.%,余量为镓；其中控制氧活度的氧化物组成为PbO:14.0wt.%,SnO2:6.5wt.%,TaO:1.2wt.%,MnO2:5.4wt.%,CoO:2.6wt.%,余量为Fe2O3。
上述一种电子芯片80-120度用控氧型耐管道腐蚀液态金属及其工艺，包括如下的加工和使用步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用石墨坩埚进行氩气保护下的熔炼；在240度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，待冷却后把熔化好的合金熔液表面的浮渣去除并倒入容器保存；（b）将氧化物按照配比采用球磨的方法混合均匀，其中各种氧化物的颗粒大小保持在10微米。然后在模具中施加200MPa左右的压力将这些混合均匀的粉末压成直径5mm，高度12mm的柱状物。(c)在制备散热管道时，氧化物的使用量要占液态金属重量比的5.0wt.%。
该液态金属的熔点为7.5度，因而在常见的散热温度范围（80-120度），该液态金属保持为液态而不会发生凝固。此外，该液态金属还具有非常高的传热系数（64 W/m﹒K）。形成所需的氧化物层并起到保护状态的氧含量和氧化物消耗量并不大（1.2wt.%）。因而，在整个使用寿命范围内，该散热体系的由于氧化物的溶解而发生成分的改变并不明显，液态金属的熔点仍然保持在7.5度左右。在80-120度的工作温度下，该结构（液态金属+控氧模块+不锈钢管道）可以使用10年以上而不用进行大修替换。同时，由于工艺装备简单，操作技术容易掌握，修理费用低，特别是在大型散热结构中效果优为显著。

Claims (2)

1.一种电子芯片80-120度用控氧型耐管道腐蚀液态金属及其工艺；按重量百分比计,其中合金组成为Ag:0.2-0.4wt.%,Ni:0.1-0.3wt.%,Sb:4.0-6.0wt.%,Zn:8.0-10.0wt.%,In:15.0-20.0wt.%,Bi:3.0-5.0wt.%,Pb:1.0-3.0wt.%,余量为镓；其中控制氧活度的氧化物组成为PbO:10.0-20.0wt.%,SnO2:4.0-8.0wt.%,TaO:1.0-2.0wt.%,MnO2:5.0-8.0wt.%,CoO:2.0-4.0wt.%,余量为Fe2O3。
2.权利要求1所述一种电子芯片80-120度用控氧型耐管道腐蚀液态金属及其工艺，其特征在于包括如下加工和使用步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用石墨坩埚进行氩气保护下的熔炼；在200-300度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，待冷却后把熔化好的合金熔液表面的浮渣去除并倒入容器保存；（b）将氧化物按照配比采用球磨的方法混合均匀，其中各种氧化物的颗粒大小保持在10-20微米；然后在模具中施加200-250MPa左右的压力将这些混合均匀的粉末压成直径2-10mm，高度10-20mm的柱状物；(c)在制备散热管道时，氧化物的使用量要占液态金属重量比的4-6wt.%。
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