CN111534732B - 一种电子封装热界面用In基合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电子封装热界面用In基合金及其制备方法。按照重量百分比计，该In基合金组成为：(1)Bi：3～20wt.％，Sn：3～10wt.％，Cu：5～20wt.％，Ag：1～5wt.％，余量为In；或者(2)Bi：3～20wt.％，Sn：3～10wt.％，Ag：5～25wt.％，余量为In。其制备方法包括以下步骤：(1)按照配比关系，将In、Bi、Sn金属原料加入到气体保护的加热炉中，加热至300～350℃，形成基体合金溶液；(2)向基体合金溶液加入Ag包Cu复合金属粉或者Ag金属粉，利用电磁搅拌对溶液进行充分搅拌，在合金溶液中形成悬浊液；将合金溶液浇注为合金铸锭，控制冷却速度不低于50K/s。该合金用作热界面材料具有导热率高、熔点较低、贴附性好、易于塑性加工、成本较低等诸多优点，能够满足高功率电子器件的散热需求。

Description

一种电子封装热界面用In基合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种电子封装热界面用In基合金及其制备方法，属于合金的设计和制备领域。
背景技术
随着电子产品的发展，元器件的发热功率也逐渐增大，热流密度的不断增大使散热问题成为制约电子设备发展的重要难题。据统计，55％的电子器件失效都是因温度而引起，因此高功率电子器件散热问题亟待解决。
高功率电子元器件一种主要的散热方式是采用导热率较高、膨胀系数较低的钨铜、钼铜、金刚石铜复合材料等作为封装壳体或者基板将热量导离热源。但是由于导热结构和散热结构之间的表面难以实现微观上的紧密贴合，所以导热材料的性能并没有得到充分的发挥，器件的散热效率也不高。因此需要在导热结构和散热结构之间增加热界面材料，以降低界面热阻，提升散热效率。
理想的热界面材料应该具有以下特点：较高的热导率；较低的熔点——略高于芯片的极限工作温度，这即有利于封装过程中的界面贴合，也使得材料在工作过程中不会因为液化而发生泄漏；高塑韧性，便于通过塑性变形进行批量的、高精度的加工；较低的成本；无毒性。
目前，芯片与导热结构之间的连接材料主要是导热硅硅胶，这是考虑到绝缘的要求，而导热结构和散热结构之间主要使用导热硅硅胶、铟合金、锡合金、铋合金、铅合金等。这些材料分别在导热率、熔点、无毒性等方面难以适应新一代高功率电子元器件的需求。以金属In为例，它经常被应用于高端元器件的散热界面，In的熔点为157℃，导热率为86W/mK，延展性能优异。在使用In作为热界面材料时，装配过程中需要将材料短时加热至157℃以上，使得In部分熔化，再贴装导热结构与散热结构，从而实现界面之间的微观紧密贴合。芯片的使用温度一般不应超过90℃，这个装配温度对于芯片过高，有可能损害芯片的性能，造成良品率过低，此外In的成本也较高。在In中添加Bi、Sn等合金元素可显著降低合金的熔点，但是也同时降低了材料的导热率。如：一种In基热界面材料的成分为“Bi：20～25％，Zn：8～12％，Sn：9～12％，Ag：1～2％，Cu：2～3％，余量为In”，该合金充分熔炼形成了完全合金化，合金熔点为118～125℃，导热率为70W/mK，低于In的导热率。在In基合金中加入高导热的金刚石颗粒也可以大大提升合金的导热率，如在“Bi：32.5％，In：51.0％，Sn：16.5％”合金中加入金刚石，可在不改变基体合金熔点(60℃)的前提下，提升合金的导热率3倍以上，至71W/mK，但仍低于In的导热率。作为热界面材料的一个重要性能是“与接触材料的贴附性”，而金刚石类型的高导热颗粒属于刚性粒子，虽然其本征导热率较高，但是将其添加到热界面材料之中，并不利于界面材料与接触材料的贴附性，不能充分发挥界面材料的导热性能。此外，成本也不利于大规模工业化推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电子封装热界面用In基合金，该合金用作热界面材料具有导热率高、熔点较低、贴附性好、易于塑性加工、成本较低等诸多优点，能够满足高功率电子器件的散热需求。
本发明的另一目的在于提供一种所述电子封装热界面用In基合金的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种电子封装热界面用In基合金，按照重量百分比计，该合金组成为：(1)Bi：3～20wt.％，Sn：3～10wt.％，Cu：5～20wt.％，Ag：1～5wt.％，余量为In；或者(2)Bi：3～20wt.％，Sn：3～10wt.％，Ag：5～25wt.％，余量为In。
在本发明的电子封装热界面用In基合金中，In构成合金的基体，Bi、Sn以化合物或者固溶元素的形式均匀分布在基体中，Cu、Ag等元素以单质存在，这些单质的颗粒均匀分布在合金基体中。对于合金组成(1)，Ag均匀包覆的Cu颗粒构成复合颗粒，可以根据导热率等技术要求调整复合颗粒的颗粒度，以及包覆层的厚度，一般颗粒平均直径控制在30～100μm，包覆层的厚度为5～20μm。也可以采用Ag颗粒替代Ag包Cu颗粒，以获得更高的导热率。Ag以颗粒的形式均匀分布在基体中，Ag颗粒的直径可以根据导热率等技术要求进行调整，一般控制在30～100μm。不能直接采用Cu颗粒，因为Cu颗粒与合金溶液不润湿，不能形成悬浊液。
当Ag包Cu颗粒或者Ag颗粒的添加量过多时，反而会降低最终制品——热界面材料的导热率。主要原因有以下两点：第一，颗粒含量过高会导致其在金属基体溶液中的分散不均匀，存在大概率颗粒聚集团簇的情况，而不是含量较低时的颗粒均匀分散状态。这使得合金制品中存在缺陷的概率增大，也就造成制品的导热率下降。第二，热界面材料发挥导热作用的除了依靠其较高的本征导热率之外，还需要能与接触材料实现良好贴合。合金材料整体颗粒含量过高，就意味着其表面也分布着大量颗粒，这会降低导热材料界面与接触材料之间的贴合面积，也会导致系统整体导热率的降低。
一种所述电子封装热界面用In基合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照配比关系，将In、Bi、Sn合金原料加入到气体保护的加热炉中，加热至300～350℃，形成In、Bi、Sn的基体合金溶液；
(2)向基体合金溶液加入Ag包Cu粉或者Ag粉，利用电磁搅拌对溶液进行充分搅拌，在合金溶液中形成悬浊液；将合金溶液浇注为合金铸锭，控制冷却速度不低于50K/s。
通过上述方法获得的合金铸锭可以作为原料用于后续的变形加工，以制备出所需要的箔材或者丝材等产品用于电子元器件的散热热界面材料。
与现有技术相比，本发明具有如下效果：
(1)通过加入Bi、Sn等元素，并且调控元素的含量，可将合金的熔点降低，并且在略高于元器件的工作温度的一定范围内精确调控。从而在不损害器件性能的前提下，实现易于封装，界面的微观紧密贴合，防止液化泄露等。
(2)通过加入Ag包Cu或者Ag粉体等高导热颗粒，控制合金的熔炼温度，使得Ag包Cu或者Ag等高导热颗粒以原始固态形式存在，不参与基体合金化。并且调控颗粒的尺寸和数量密度，可以实现合金的导热率在一定区间的调整。这可以在不改变基体合金熔点的基础上，提升导热率。该方法不仅抵消了Bi、Sn的加入带来的导热率下降，甚至还可以将导热率提升至超过In本身。
(3)塑性较好的In为该材料的基体，并且所添加的Ag包Cu或者Ag颗粒的塑性也较好，所以材料的塑性加工性能良好，可以满足轧制、挤压等塑性加工要求，便于工业化批量制备和应用于热界面场合。
附图说明
图1为本发明的添加Ag包Cu粉的In基热界面材料的截面示意图。
图2为本发明的添加Ag粉的In基热界面材料的截面示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围。
在本发明的电子封装热界面用In基合金中，In构成合金的基体，Bi、Sn以化合物或者固溶元素的形式均匀分布在基体中，如图1、2所示，Ag包Cu或者Ag粉体添加在基体中。
实施例1
本实施例制备一种在100℃以下工作的电子封装热界面用In基合金，按照重量百分比，该合金的成分组成为：Bi：10wt.％，Sn：2wt.％，Cu：12wt.％，Ag：4wt.％，余量为In。制备该合金使用Ag包Cu粉，Ag包Cu粉的D50为50μm。将In、Bi、Sn在氩气保护的氧化铝熔炼坩埚中加热至330℃，待合金完全熔化形成溶液后，利用电磁搅拌8分钟，以实现元素的均匀分布。加入Ag包Cu粉后，保持在330℃，并且继续电磁搅拌5分钟。然后将溶液浇注到水冷铜模上，制备出合金铸锭。将合金铸锭铣面后，进行轧制，制备出厚度为0.2mm的箔材。采用酒精清洗箔材表面，取样测试其相性能。导热率为89W/mK，基体熔点为107℃，略高于芯片的极限工作温度——90℃，适用于充当100℃以下工作的电子元器件与导热材料之间连接的热界面材料。
实施例2
本实施例制备一种在100℃以下工作的电子封装热界面用In基合金，按照重量百分比，该合金的成分组成为：Bi：10wt.％，Sn：2wt.％，Ag：16wt.％，余量为In。制备该合金使用Ag粉，Ag粉的D50为50μm。将In、Bi、Sn在氩气保护的氧化铝熔炼坩埚中加热至330℃，待合金完全熔化形成溶液后，利用电磁搅拌8分钟，以实现元素的均匀分布。加入Ag粉后，保持在330℃，并且继续电磁搅拌5分钟。然后将溶液浇注到水冷铜模上，制备出合金铸锭。将合金铸锭铣面后，进行轧制，制备出厚度为0.2mm的箔材。采用酒精清洗箔材表面，取样测试其相性能。导热率为98W/mK，基体熔点为107℃，略高于芯片的极限工作温度——90℃，适用于充当100℃以下工作的电子元器件与导热材料之间连接的热界面材料。
实施例3
本实施例制备一种比对合金，在实施例2的合金成分(Bi：10wt.％，Sn：2wt.％，Ag：16wt.％，余量为In)基础上，配比时增加同等粒径的Ag粉，使Ag含量达到35wt.％。最终合金的成分为：Bi：7.7wt.％，Sn：1.5wt.％，Ag：35.0wt.％，余量为In
将In、Bi、Sn在氩气保护的氧化铝熔炼坩埚中加热至330℃，待合金完全熔化形成溶液后，利用电磁搅拌8分钟，以实现元素的均匀分布。加入Ag粉后，保持在330℃，并且继续电磁搅拌5分钟。然后将溶液浇注到水冷铜模上，制备出合金铸锭。将合金铸锭铣面后，进行轧制，制备出厚度为0.2mm的箔材。采用酒精清洗箔材表面，取样测试其相性能。导热率为71W/mK，基体熔点为107℃。Ag含量为35wt.％的材料的导热率相对Ag含量为16wt.％的材料反而发生了急剧下降。
添加到基体中的Ag包Cu粉或者Ag粉，并不参与基体合金的形成，所以并不会影响到基体的熔点。即使在基体熔化后，颗粒依然保持原有形态。
同时，按照上述方法制备了In∶Bi∶Sn质量比为72∶10∶2的合金(Bi：11.9wt.％，Sn：2.4wt.％，余量为In)，用以比较Ag包Cu或者Ag粉对导热率提升的贡献。
实验结果如下表所示，明显可见在In基合金中加入高导热的Ag包Cu或者Ag粉，在不提高合金熔点的基础上可以显著提升合金导热率。
Figure BDA0002338300960000051

Claims (2)

1.一种电子封装热界面用In基合金，其特征在于，按照重量百分比计，该合金组成为：（1）Bi：3~20wt.%，Sn：3~10wt.%，Cu：5~20wt.%，Ag：1~5wt.%，余量为In；或者（2）Bi：3~20wt.%，Sn：3~10wt.%，Ag：5~25wt.%，余量为In；In构成合金的基体，Bi、Sn以化合物或者固溶元素的形式均匀分布在基体中，Cu和/或Ag元素以单质存在，这些单质的颗粒均匀分布在合金基体中；对于合金组成（1），Ag均匀包覆的Cu颗粒构成复合颗粒；
对于合金组成（1），所述复合颗粒的中值粒径D50控制在30~100μm，Ag包覆层的厚度为5~20μm；
对于合金组成（2），Ag颗粒的中值粒径D50控制在30~100μm。
2.一种权利要求1所述的电子封装热界面用In基合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按照配比关系，将In、Bi、Sn金属原料加入到氩气或氮气保护的加热炉中，加热至300~350℃，形成In、Bi、Sn的基体合金熔液；
（2）向基体合金熔液加入Ag包Cu粉或者Ag粉，利用电磁搅拌对熔液进行充分搅拌，在合金熔液中形成悬浊液；将合金熔液浇注为合金铸锭，控制冷却速度不低于50K/s。
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