CN117286387A - 低熔点合金复材与复材结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低熔点合金复材与复材结构。所述低熔点合金复材包括48～54wt.％In、30～36wt.％Bi、14～21wt.％Sn以及由0.1～0.3wt.％碳材与0.05～0.1wt.％BN中选择的至少一者。所述复材结构包括金属层、低熔点合金复材层与界面材料层，其中低熔点合金复材层的材料是上述的低熔点合金复材，且界面材料层形成于所述金属层与所述低熔点合金复材层之间。
Description
技术领域
本发明涉及一种合金复材技术，且尤其是涉及一种低熔点(melting point)合金复材与复材结构。
背景技术
随着各电子产品朝向短、小、轻、薄发展的同时，电子产品在高功能、高传输速率下工作，各种器件(如CPU、GPU等)的工作温度相对大幅升高。因此电子零组件与系统的发热功率也越来越大。通常传统电子器件发热功率较小时，解决散热方式主要依靠加装散热片或风扇来提高散热效率。此时对于接触热阻、扩散热阻等重要因素常被忽略。
然而当系统功能及功率的提高，热管理技术的要求相对也越来越严苛。在电子产品各部件由内向外的散热路径中，除了要求发热器件本身需具备低热阻特性，以及应用高效率的散热器件之外，各个材料与散热器件之间的组装接合界面，也是热管理技术的重要关键。
在散热路径中，各器件之间的接触情况具有很大影响。由于两器件互相接合时，即使表面平整度很好或施加很大的扣合压力(Mounted Pressure)，仍无法达成完美紧密接触，只能达到部分接触，且接触面中存在许多微细空隙或孔洞。由于缝隙中的空气是热传导能力相当差的介质，会成为热传导性能的阻碍，因此需要填充一种称为热界面材料(Thermal Interface Materials，TIM)在接合面之间填补空隙，以便增进热传递效率并降低界面热阻。
然而，目前商用热界面材料的热传递效率仍有改善空间，且热界面材料需具有填补两接触面缝隙的功能，所以除了导热性能之外，也需要具备足够的流动性和变型能力，方能达到填入缝隙的目的。
发明内容
本发明是针对一种低熔点合金复材，具备优异的导热性和粘稠性，并可作为相变材料(Phase change material,PCM)使用，当PCM材料熔化时，可吸收大量的热量，预防电子零件过热。
本发明另针对一种复材结构，可避免传统散热膏(grease)带来的挥发、沉淀以及出油等问题，并且适于电子产品的各个器件间的接合应用。
根据本发明的实施例，一种低熔点合金复材包括48～54wt.％In(铟)、30～36wt.％Bi(铋)、14～21wt.％Sn(锡)以及由0.1～0.3wt.％碳材与0.05～0.1wt.％BN(氮化硼)中选择的至少一者。
根据本发明的另一实施例，一种复材结构包括金属层、低熔点合金复材层与界面材料层，其中低熔点合金复材层的材料是上述的低熔点合金复材，且界面材料层形成于所述金属层与所述低熔点合金复材层之间。
基于上述，本发明在特定成份比例的铟铋锡合金中通过加入少量碳材或氮化硼，即可大幅增加复材的导热性和粘稠性，且因铟铋锡成份调整，可使本发明的低熔点合金复材具有55℃～72℃的熔点。将本发明的低熔点合金复材应用在热界面材料，可于金属(如铜或铜合金)的接触面形成一层介金属化合物(Intermetallic compound，IMC)层，有助维持金属与低熔点合金复材之间无缺陷界面接合条件，降低其界面热阻。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举数个实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是本发明的一实施例的一种复材结构的剖面示意图；
图2是含有制备例11的低熔点合金复材的一种复材结构的截面的扫描式电子显微镜(SEM)影像图。
附图标记说明
100：复材结构
102：金属层
104：低熔点合金复材层
106：界面材料层
t1、t2：厚度
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同附图标记在附图和描述中用来表示相同或相似部分。在附图中，为了清楚起见，结构、区域及膜层的大小、厚度与形状可不按实际比例绘制。
本发明的一实施例是一种低熔点合金复材，包括48～54wt.％In(铟)、30～36wt.％Bi(铋)、14～21wt.％Sn(锡)以及由0.1～0.3wt.％碳材与0.05～0.1wt.％BN(氮化硼)中选择的至少一者。前述组成的重量百分比(wt.％)若无特别说明，都是以所述低熔点合金复材的总重量为100wt.％。另外，本实施例的低熔点合金复材中可能含有不可避免的杂质。
在一实施例中，所述低熔点合金复材的熔点为55℃～72℃，例如55℃～65℃。
在一实施例中，所述低熔点合金复材中的铟的含量例如50～54wt.％。
在一实施例中，所述低熔点合金复材中的锡的含量例如14～18wt.％。
在一实施例中，所述碳材包括石墨或石墨烯。举例来说，石墨可选用纳米级导热石墨。
在一实施例中，所述低熔点合金复材中可同时包括0.1～0.3wt.％碳材与0.05～0.1wt.％BN。在另一实施例中，所述低熔点合金复材中只包含0.1～0.3wt.％碳材，不含BN；或者，所述低熔点合金复材中只包含0.05～0.1wt.％BN，不含碳材。
图1是依照本发明的一实施例的一种复材结构的剖面示意图。
请参照图1，本实施例的复材结构100包括金属层102、低熔点合金复材层104与界面材料层106，其中低熔点合金复材层104的材料是上一实施例中的低熔点合金复材，且界面材料层106形成于金属层102与低熔点合金复材层104之间。低熔点合金复材层104的厚度t1例如50μm～200μm，界面材料层106的厚度t2例如小于20μm、小于15μm或小于10μm。所述低熔点合金复材层104的导热系数在20W/m·K以上，例如大于26W/m·K。
在图1中，金属层102的材料若是铜或铜合金，则界面材料层106的材料可以是铜铟锡合金，且为46Cu-27In-24Sn或是成份比例趋近46Cu-27In-24Sn的铜铟锡合金。也就是说，界面材料层106是上一实施例中的低熔点合金复材(即低熔点合金复材层104)经过数次固液相转换之后，与金属层102之间的界面所形成的介金属化合物(Intermetalliccompound，IMC)。
以下列举数个实验来验证本发明的功效，但本发明并不局限于以下的内容。
〈制备例1～8〉铟铋锡合金的制备
将铟、铋和锡的原材，依不同重量比例，放入加热器不锈钢锅中并加热至170℃，使其均匀熔化并形成铟铋锡合金。
然后，利用XRD(X-射线绕射分析)进行合金相分析以及利用XRF(X射线荧光分析)进行合金成份分析，并将结果列于下表1。另外，利用DSC(示差扫描热分析仪)进行合金的熔点分析，结果同样显示于表1。
表1
| 制备例 | 合金主成分(重量百分比) | 熔点(℃) |
| 1 | 54In-32Bi-14Sn | 61.6 |
| 2 | 51In-32.5Bi-16.5Sn | 61.4 |
| 3 | 51.1In-32.9Bi-16Sn | 61.2 |
| 4 | 50.1In-35.9Bi-14Sn | 60.6 |
| 5 | 51.4In-31.4Bi-17.2Sn | 61.5 |
| 6 | 51.6In-31.6Bi-16.8Sn | 61.3 |
| 7 | 48.4In-31Bi-20.6Sn | 65.1 |
| 8 | 66In-34Bi | 72 |
从表1可得到，铟、铋和锡的成份比例落在本发明的范围内的铟铋锡合金具有较低的熔点。
〈制备例9～19〉
根据表2在制备例2的铟铋锡合金中加入不同重量比例的纳米级导热石墨(UR-GRAPHENE60)以及/或是氮化硼(购自US Research Nanomaterials公司的Boron NitrideNanopowder)，经过均匀混合得到制备例9～19的低熔点合金复材。
然后，在室温用加压或滚压的方式将所得到的低熔点合金复材成型为厚度100μm的薄片，再利用导热系数仪(Hot Disk TPS3500)测量低熔点合金复材的导热系数，结果同样显示于下表2。表3则是根据以上制备方式重新计算得到的各成分重量百分比。
表2
表3
从表2和表3可得到，铟铋锡合金再加入特定成份比例的碳材以及/或是BN可改善提升材料的导热系数至30W/m·K。
另外，使用制备例11的低熔点合金复材，将其置于硅片和铜片之间，经过100℃300hrs反应，利用扫描式电子显微镜(SEM)观察其截面，得到图2的复材结构，其中仅显示部分低熔点合金复材层与部分铜片，且箭头代表的是SEM分析方向。
从图2能观察到，在低熔点合金复材层与铜之间形成一层厚度约5至7μm的介金属化合物(IMC)层，并通过成份分析可知IMC为46Cu-27In-24Sn。
〈制备例20～25〉
根据表4改变InBiSn比例且添加不同重量比例的纳米级导热石墨(UR-GRAPHENE60)以及/或是氮化硼(购自US Research Nanomaterials公司的Boron NitrideNanopowder)，经过均匀混合得到制备例20～25的低熔点合金复材的例子及其导热系数。然后，利用如上述制备例9的方式测量导热系数，并将结果显示于下表4。
表4
从表4可得到，即使改变铟铋锡合金的InBiSn比例(非51In-32.5Bi-16.5Sn)，只要有添加特定成份比例的碳材以及/或是BN，就能改善提升材料的导热系数。
〈实验例1～4〉
分别使用制备例12、15、17和18的低熔点合金复材作为中央处理器(CPU)与散热模块之间的热界面材料(TIM)，其厚度为100μm。
然后，测量Intel i7-8750H+PRIME95@65W的CPU温度，结果列在下表5。
〈比较例1〉
使用制备例2的铟铋锡合金作为热界面材料，并如同实验例1的方式，测量Inteli7-8750H+PRIME95@65W的CPU温度，结果同样显示在下表5。
〈比较例2〉
使用商用DC5026散热膏作为热界面材料，并如同实验例1的方式，测量Intel i7-8750H+PRIME95@65W的CPU温度，结果同样显示在下表5。
表5
从表5可得到，在同样条件下，本发明的低熔点合金复材作为热界面材料具有优异的散热性能。
综上所述，本发明通过添加碳材、氮化硼，使铟铋锡合金复材的导热性和粘稠性获得改善，且因铟铋锡成份调整，可使本发明的合金复材具有55℃～72℃的低熔点。因此，本发明的低熔点合金复材应用在硅(或硅合金)和铜(或铜合金)之间，可在铜与低熔点合金复材层之间形成IMC层，不但能维持金属与低熔点合金复材之间无缺陷界面接合条件，还可降低其界面热阻，有利于下一世代的高速联网游戏处理器的散热模块技术开发与应用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (11)
1.一种低熔点合金复材，其特征在于，包括：
48～54wt.％In(铟)；
30～36wt.％Bi(铋)；
14～21wt.％Sn(锡)；以及
由0.1～0.3wt.％碳材与0.05～0.1wt.％BN(氮化硼)中选择的至少一者。
2.根据权利要求1所述的低熔点合金复材，其特征在于，所述低熔点合金复材的熔点为55℃～72℃。
3.根据权利要求1所述的低熔点合金复材，其特征在于，所述碳材包括石墨或石墨烯。
4.根据权利要求1所述的低熔点合金复材，其特征在于，所述低熔点合金复材包括0.1～0.3wt.％碳材与0.05～0.1wt.％BN。
5.一种复材结构，其特征在于，包括：
金属层；
低熔点合金复材层，其材料是根据权利要求1～4中任一所述的低熔点合金复材；以及
界面材料层，形成于所述金属层与所述低熔点合金复材层之间。
6.根据权利要求5所述的复材结构，其特征在于，所述界面材料层的厚度小于20μm。
7.根据权利要求5所述的复材结构，其特征在于，所述低熔点合金复材层的厚度为50μm～200μm。
8.根据权利要求5所述的复材结构，其特征在于，所述低熔点合金复材层的导热系数大于26W/m·K。
9.根据权利要求5所述的复材结构，其特征在于，所述金属层的材料为铜或铜合金。
10.根据权利要求9所述的复材结构，其特征在于，所述界面材料层的材料为铜铟锡合金。
11.根据权利要求10所述的复材结构，其特征在于，所述铜铟锡合金为46Cu-27In-24Sn。
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