CN113755141A - 一种界面导热金属材料及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种界面导热金属材料及其应用，所述界面导热金属材料包括基体金属；所述界面导热金属材料的熔点低于电子器件的标准工作温度。所述界面导热金属材料用于电子器件的导热；所述电子器件包括第一电子部件、第二电子部件以及设置于第一电子部件与第二电子部件之间的界面导热金属材料。本发明所述界面导热金属材料的熔点低于电子器件的标准工作温度，使界面导热金属材料在电子器件使用时能够实现对散热体表面与均热体表面充分的浸润；且其中的主要成分为金属材料，导热性能良好，使用方便。

Description

一种界面导热金属材料及其应用
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种导热材料，尤其涉及一种界面导热金属材料及其应用。
背景技术
随着当代电子技术迅速的发展，电子元器件的集成程度和组装密度不断提高，在提供强大的使用功能的同时，也导致了其工作功耗和发热量的急剧增大。高温将会对电子器件的稳定性、可靠性和寿命产生有害的影响。因此，确保发热电子元器件所产生的热量能够及时的排出，已经成为微电子产品系统组装的一个重要方面。
为了使发热电子元器件产生的热量能够及时排出，可以通过从发热元件到传热器的热传导来除热。然后可通过任意常规的方法来冷却传热器，在热传导过程中，热量可以通过电子部件与传热器之间的表面接触或通过电子部件与热界面材料之间的接触从电子部件传递到传热器。由于电子部件和导热器的表面不光滑，存在于其中的空气为热的不良导体，不利于热量的传导，因此需要在发热电子元器件与导热件之间设置热界面材料。
现有技术中常规的热界面材料包括油状导热脂类、固体导热垫片或相变材料，使用时将其放置于热源和散热部件之间的界面，通过热传导的机理将热源产生的热量尽快地传递至散热部件散发出去。
导热脂类材料容易涂覆，对界面的润湿性能好，起始界面导热性能优良；但是其在温度周期变化的作用下，会发生逐步溢出，导致界面的材料缺失，界面导热能力严重劣化。
固体导热垫片没有导热介质溢出的问题，本体的导热优良，但是其对于界面的润湿能力较差，导致界面导热性能不佳，限制了其在高功率设备和器件上的应用。
相变导热材料是一类热塑性材料，常温下为固体，在吸收热源散发的热量升温到相变温度以上后能变为液体，从而充分填充导热界面，实现良好的界面导热性能；而在冷却到相变温度以下后又变成固体，从而避免了溢出现象。这类材料可以根据界面导热设计的需要制备成膏状半固体或者薄片状固体形态，使用时通过使其成为相变化导热薄层，组装后加压升温使用即可。但组装加压升温的操作提高了电子元器件的组装成本，降低了电子元器件的生产效率。
对此，需要提供一种便于工业化装配，同时能够长时间稳定导热的界面导热金属材料及其应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种界面导热金属材料及其应用，所述界面导热金属材料在电子器件使用时能够实现对散热体表面与均热体表面充分的浸润；同时具有优良的导热性能，使用方便。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种界面导热金属材料，所述界面导热金属材料包括基体金属；
所述界面导热金属材料的熔点低于电子器件的标准工作温度。
本发明所述界面导热金属材料的熔点低于电子器件的标准工作温度，在电子器件使用时能够实现对散热体表面与均热体表面充分的浸润；且其中的主要成分为金属材料，导热性能良好，使用方便。
优选地，所述界面导热金属材料在室温下为液态；所述界面导热金属材料具有较高的表面张力，保证其用于电子器件界面导热时不溢出。
优选地，所述基体金属包括Ga、In、Sn、Bi或Sb中的任意一种或至少两种的组合；典型但非限制性的组合包括Ga与In的组合，In与Sn的组合，Sn与Bi的组合，Bi与Sb的组合，或Ga、In、Sn、Bi或Sb的组合。优选地，所述界面导热金属材料包括掺杂金属。
所述掺杂金属的添加有利于增强所述界面导热金属材料的导热性。
以质量百分数计，所述界面导热金属材料中掺杂金属的质量分数≤5wt％，例如可以是1wt％、2wt％、3wt％、4wt％或5wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述掺杂金属包括Ni、Sb、Ce、Zn、Cu、Ge、Ti、Rb、Ag、Co或Cr中的任意一种或至少两种的组合；典型但非限制性的组合包括Ni与Sb的组合，Sb与Ce的组合，Ce与Zn的组合，Zn与Cu的组合，Cu与Ge的组合，Ge与Ti的组合，Ti与Rb的组合，Rb与Ag的组合，Ag与Co的组合，Co与Cr的组合，Ni、Sb与Ce的组合，Ce、Zn与Cu的组合，Rb、Ag、Co与Cr的组合，Sb、Ce、Zn、Cu与Ge的组合，Cu、Ge、Ti、Rb、Ag与Cr的组合，或Ni、Sb、Ce、Zn、Cu、Ge、Ti、Rb、Ag、Co与Cr的组合。
本发明所述掺杂金属的添加不仅能够增加界面导热金属材料的导热性能，还能够增加导热的稳定性。在实际应用过程中，设置于第一电子部件与第二电子部件之间的导热材料，会与两侧的电子部件发生界面反应，生成的金属间化合物会降低材料的导热性能，而本发明则发现，通过掺杂金属的添加能够有效抑制界面反应，减少金属间化合物的生成，从而提高界面导热金属材料的稳定性。而且，所述掺杂金属的添加还能够提高界面导热金属材料的抗氧化能力，减缓界面导热金属材料的氧化速度，进而能够提高界面导热金属材料的稳定性。
优选地，所述界面导热金属材料包括导热填充剂。
所述导热填充剂的添加不仅能够提高导热性能，还能够增加所述界面导热金属材料的粘度，从而防止其在实际使用过程中的溢出。
优选地，以质量百分数计，所述界面导热金属材料中导热填充剂的质量分数≤10wt％，例如可以是1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％或10wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述导热填充剂包括导热非金属材料。
优选地，所述导热非金属材料包括导热陶瓷颗粒。
优选地，所述导热陶瓷颗粒包括SiC颗粒、AlN颗粒、Al2O3颗粒或BN颗粒中的任意一种或至少两种的组合；典型但非限制性的组合包括SiC颗粒与AlN颗粒的组合，AlN颗粒与Al2O3颗粒的组合，Al2O3颗粒与BN颗粒的组合，SiC颗粒与Al2O3颗粒的组合，AlN颗粒、Al2O3颗粒与BN颗粒的组合，或SiC颗粒、AlN颗粒、Al2O3颗粒与BN颗粒的组合。
优选地，所述导热陶瓷颗粒的平均粒径为5-500nm，例如可以是5nm、50nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm或500nm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述界面导热金属材料的应用，所述界面导热金属材料用于电子器件的导热。
所述电子器件包括第一电子部件、第二电子部件以及设置于第一电子部件与第二电子部件之间的界面导热金属材料。
优选地，所述设置的方法包括点胶。
优选地，所述第一电子部件为半导体芯片，所述第二电子部件为均热器。
即本发明第一方面所述界面导热金属材料可用于TIM1。
或，所述第一电子部件为半导体芯片，所述第二电子部件为散热器。
即本发明第一方面所述界面导热金属材料可用于TIM1.5。
或，所述第一电子部件为均热器，所述第二电子部件为散热器。
即本发明第一方面所述界面导热金属材料可用于TIM2。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述界面导热金属材料的熔点低于电子器件的标准工作温度，使界面导热金属材料在电子器件使用时能够实现对散热体表面与均热体表面充分的浸润；且其中的主要成分为金属材料，导热性能良好，使用方便；
(2)本发明通过使所述界面导热金属材料在室温下为液态，并通过调节其组成，使其具有较高的表面张力，保证其用于电子器件导热时不溢出。
(3)本发明所述掺杂金属的添加不仅能够增加界面导热金属材料的导热性能，还能够增加导热的稳定性；在实际应用过程中，设置于第一电子部件与第二电子部件之间的导热材料，会与两侧的电子部件发生界面反应，生成的金属间化合物会降低材料的导热性能，而本发明则发现，通过掺杂金属的添加能够有效抑制界面反应，减少金属间化合物的生成，从而提高界面导热金属材料的稳定性。而且，所述掺杂金属的添加还能够提高界面导热金属材料的抗氧化能力，减缓界面导热金属材料的氧化速度，进而能够提高界面导热金属材料的稳定性；
(4)本发明通过所述导热填充剂的添加不仅能够提高导热性能，还能够增加所述界面导热金属材料的粘度，从而防止其在实际使用过程中的溢出。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。具体实施方式中涉及的测试方法包括抗氧化性能测试与抑制界面反应性能测试。
其中抗氧化性能测试的方法为：将所得热界面材料密封在两片玻璃片中间，然后加热至150℃，保温100h、300h、1000h，分别观察颜色变化并测量导热系数。将所得热界面材料密封在两片玻璃片中间，然后在85％R.H的湿度条件下加热至55℃，保温100h、300h、600h，分别观察颜色变化并测量导热系数。
抑制界面反应性能测试的方法为：将所得热界面材料放置于铜线上，加热至300℃、350℃、400℃并在每个温度下分别保温24h、48h，然后分别测量剩余铜线的直径，从而得到铜的溶解量，进而可以得到铜的溶解速率。
实施例1
本实施例提供了一种界面导热金属材料，所述界面导热金属材料包括基体金属。
所述基体金属包括Ga、In、Sn、Bi或Sb中的至少一种。
所述界面导热金属材料在室温下为液态，其组成使所述界面导热金属材料有较高的表面张力。
本实施例所述界面导热金属材料的熔点低于电子器件的标准工作温度，在电子器件使用时能够实现对散热体表面与均热体表面充分的浸润；且其中的主要成分为金属材料，导热性能良好，使用方便。
而且，所述界面导热金属材料有较高的表面张力，使其用于电子器件导热时不溢出。
实施例2
本实施例提供了一种界面导热金属材料，所述界面导热金属材料包括基体金属。
所述基体金属的组成与实施例1相同；以质量百分数计，所述界面导热金属材料中包括3wt％的掺杂金属，如Ni、Sb、Ce、Zn、Cu、Ge、Ti、Rb、Ag、Co或Cr等。
所述界面导热金属材料在室温下为液态，其组成使所述界面导热金属材料有较高的表面张力。
本实施例所述界面导热金属材料的熔点低于电子器件的标准工作温度，在电子器件使用时能够实现对散热体表面与均热体表面充分的浸润；且其中的主要成分为金属材料，导热性能良好，使用方便；而且，所述界面导热金属材料有较高的表面张力，使其用于电子器件导热时不溢出。
本实施例与实施例1相比，通过掺杂金属的添加，增强了所述界面导热金属材料的导热性与稳定性，所述掺杂金属的添加还能够提高界面导热金属材料的抗氧化能力，减缓界面导热金属材料的氧化速度，进而能够提高界面导热金属材料的稳定性。通过掺杂材料的添加，在抗氧化性能测试实验中无明显色变，且导热系数无明显下降；在抑制界面反应性能测试中，铜的溶解速率较慢，有效抑制了界面反应。
实施例3
本实施例提供了一种界面导热金属材料，所述界面导热金属材料包括基体金属。
所述基体金属的组成与实施例1相同；以质量百分数计，所述界面导热金属材料中包括5wt％的导热填充剂，如SiC颗粒、AlN颗粒、Al2O3颗粒或BN颗粒等，导热填充剂的平均粒径为50nm。
本实施例所述界面导热金属材料的熔点低于电子器件的标准工作温度，在电子器件使用时能够实现对散热体表面与均热体表面充分的浸润；且其中的主要成分为金属材料，导热性能良好，使用方便。
本实施例通过导热填充剂的添加，不仅能够提高导热性能，还能够增加所述界面导热金属材料的粘度，从而防止其在实际使用过程中的溢出。
实施例4
本实施例提供了一种界面导热金属材料，所述界面导热金属材料包括基体金属。
所述基体金属的组成与实施例1相同；以质量百分数计，所述界面导热金属材料中包括1wt％的掺杂金属，如Ni、Sb、Ce、Zn、Cu、Ge、Ti、Rb、Ag、Co或Cr等；以质量百分数计，所述界面导热金属材料中还包括9wt％的导热填充剂，如SiC颗粒、AlN颗粒、Al2O3颗粒或BN颗粒等，导热填充剂的平均粒径为50nm。
本实施例所述界面导热金属材料的熔点低于电子器件的标准工作温度，在电子器件使用时能够实现对散热体表面与均热体表面充分的浸润；且其中的主要成分为金属材料，导热性能良好，使用方便。
本实施例通过掺杂金属的添加，增强了所述界面导热金属材料的导热性与稳定性，所述掺杂金属的添加还能够提高界面导热金属材料的抗氧化能力，减缓界面导热金属材料的氧化速度，进而能够提高界面导热金属材料的稳定性。通过掺杂材料的添加，在抗氧化性能测试实验中无明显色变，且导热系数无明显下降；在抑制界面反应性能测试中，铜的溶解速率较慢，有效抑制了界面反应。
本实施例通过导热填充剂的添加，不仅能够提高导热性能，还能够增加所述界面导热金属材料的粘度，从而防止其在实际使用过程中的溢出。
综上所述，本发明所述界面导热金属材料的熔点低于电子器件的标准工作温度，使界面导热金属材料在电子器件使用时能够实现对散热体表面与均热体表面充分的浸润；且其中的主要成分为金属材料，导热性能良好，使用方便；本发明通过使所述界面导热金属材料在室温下为液态，并通过调节其组成，使其具有较高的表面张力，保证其用于电子器件导热时不溢出；本发明所述掺杂金属的添加不仅能够增加界面导热金属材料的导热性能，还能够增加导热的稳定性；在实际应用过程中，设置于第一电子部件与第二电子部件之间的导热材料，会与两侧的电子部件发生界面反应，生成的金属间化合物会降低材料的导热性能，而本发明则发现，通过掺杂金属的添加能够有效抑制界面反应，减少金属间化合物的生成，从而提高界面导热金属材料的稳定性。而且，所述掺杂金属的添加还能够提高界面导热金属材料的抗氧化能力，减缓界面导热金属材料的氧化速度，进而能够提高界面导热金属材料的稳定性；本发明通过所述导热填充剂的添加不仅能够提高导热性能，还能够增加所述界面导热金属材料的粘度，从而防止其在实际使用过程中的溢出。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种界面导热金属材料，其特征在于，所述界面导热金属材料包括基体金属；
所述界面导热金属材料的熔点低于电子器件的标准工作温度。
2.根据权利要求1所述的界面导热金属材料，其特征在于，所述界面导热金属材料在室温下为液态。
3.根据权利要求1或2所述的界面导热金属材料，其特征在于，所述基体金属包括Ga、In、Sn、Bi或Sb中的任意一种或至少两种的组合。
4.根据权利要求3所述的界面导热金属材料，其特征在于，所述界面导热金属材料包括掺杂金属；
以质量百分数计，所述界面导热金属材料中掺杂金属的质量分数≤5wt％。
5.根据权利要求4所述的界面导热金属材料，其特征在于，所述掺杂金属包括Ni、Sb、Ce、Zn、Cu、Ge、Ti、Rb、Ag、Co或Cr中的任意一种或至少两种的组合。
6.根据权利要求1或4所述的界面导热金属材料，其特征在于，所述界面导热金属材料包括导热填充剂。
7.根据权利要求6所述的界面导热金属材料，其特征在于，以质量百分数计，所述界面导热金属材料中导热填充剂的质量分数≤10wt％。
8.根据权利要求6所述的界面导热金属材料，其特征在于，所述导热填充剂包括导热非金属材料；
优选地，所述导热非金属材料包括导热陶瓷颗粒；
优选地，所述导热陶瓷颗粒包括SiC颗粒、AlN颗粒、Al2O3颗粒或BN颗粒中的任意一种或至少两种的组合。
9.一种如权利要求1-8任一项所述界面导热金属材料的应用，其特征在于，所述界面导热金属材料用于电子器件的导热；
所述电子器件包括第一电子部件、第二电子部件以及设置于第一电子部件与第二电子部件之间的界面导热金属材料。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述设置的方法包括点胶；
优选地，所述第一电子部件为半导体芯片，所述第二电子部件为均热器；
或，所述第一电子部件为半导体芯片，所述第二电子部件为散热器；
或，所述第一电子部件为均热器，所述第二电子部件为散热器。
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高云霞: "镓基液态金属热界面材料的性能研究", 《工程热物理学报》, vol. 38, no. 5, pages 1077 - 1081 *

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