TWI411691B - 金屬熱界面材料以及散熱裝置 - Google Patents

Description

金屬熱界面材料以及散熱裝置

本發明是有關於一種金屬熱界面材料(thermal interface material,TIM)及其應用，且特別是有關於一種具有高熱傳導率、低熔點且易於塗佈之金屬熱界面材料以及應用此金屬熱界面材料的散熱裝置。

晶片的發展朝向整合多功能、高速化和小型化等趨勢，使得過熱問題成為晶片技術的重要議題之一。為解決晶片過熱問題，需要多樣化與創新發展各種不同類型散熱材料、散熱元件的技術，以提高晶片散熱性。一般而言，當兩個固體表面接觸時，表面會因加工不平整、粗糙度及微細刮痕等因素，導致兩個固體表面之間無法達到完全的面接觸，使得實際上的接觸面積變成只有點接觸，而與原本預期要達到的面接觸減少很多。而在兩固體之間的點接觸以外的區域，亦即未實際產生接觸的部分通常是導熱效果極差的空氣層。因此，當熱流的傳遞由一固體流經兩固體之間的界面處時，由於兩固體之間的實際接觸面積太小，加上熱傳導率僅為0.025 W/m‧K之空氣為不佳的傳熱介質，故會導致相鄰的兩固體表面溫度差異大，而形成較高的界面熱阻，影響熱的傳出。

為了要降低兩固體之間的界面熱阻以解決其散熱不佳的問題，習知技術是在兩固體接觸表面之間填入熱界面材料，取代原本導熱不佳的空氣層，因而改善了原本僅有空氣界層的導熱性，並能有效降低晶片至基板或至散熱元件之界面熱阻。而目前習知的熱界面材料大部分為高分子材料所組成，如環氧樹脂、矽系樹脂及壓克力系樹脂等。常見的商用高分子基熱界面材料產品有散熱膏(thermal grease)、相變化材料(phase change material,PCM)、散熱膠(thermal gel)、散熱墊(thermal pad)及散熱貼布(thermal adhesive)等。高分子基界面材料主要具有使用方便性高而不需要特殊的工具即可使用、本身為液態或膏狀而縫隙填補能力佳之優點。

然而，高分子基熱界面材料也存在著許多的缺點，如熱傳導係數不高，即使在高分子基熱界面材料中添加奈米金屬、奈米陶瓷顆粒或奈米碳管等高熱傳導係數添加物(filler)，其熱傳導係數由約0.1~5 W/m‧K提升至約5~10 W/m‧K，相較於一般熱傳導係數皆大於30 W/m‧K之金屬材料仍有相當大的差距。此外，高分子基散熱界面材料可能會因為紫外線(UV)、熱、氧氣、金屬離子的作用而產生劣化(degradation)，造成界面軟化、脆化、乾裂或分層等現象，使得此類界面材料在室外使用環境上會因為耐候性不佳而導致導熱效能變差。

有別於高分子基熱界面材料等習知熱界面材料，另一種熱界面材料種類即為採用金屬的熱界面材料，此類金屬熱界面材料本質上比起高分子材料具有較高的熱傳導係數以及優良的耐候性。目前習知的金屬熱界面材料有分成軟金屬薄片(compressible metal)、相變化合金材料、液態金屬(liquid metal)及銲錫合金(solder)。

軟金屬薄片之熱界面材料是以柔軟的純金屬銦滾壓製作成適當厚度的箔片後置於基板與散熱體之間，並藉由螺絲或施加適當壓力於扣具上固定。雖然純銦有良好的熱傳導率(約86 W/m‧K)，但其材料成本較高且以機械力固定的方式容易造成壓力分佈不均，因此會產生軟金屬薄片與基板間密合度不佳等問題。而相變化合金材料的熔點約在60~80℃，因此當使用元件發熱時會使界面溫度上升至相變化合金材料的熔點以上，使此合金材料由固態產生相變化到液態，故在機構上必須設計阻漏裝置來防止金屬液溢流，以免造成元件短路。此外，由於相變化合金材料在使用上會不斷重覆由固態變化到液態，因此在操作上必須有效隔絕空氣以避免產生過度氧化。另外，銲錫合金是利用軟銲的方式接合基板與散熱體，再藉由迴流(reflow)的製程來達到接合效果，其界面厚度約50 μm以上。然而，迴流過程會使銲錫合金加熱到高於其熔點以上的溫度(約200℃以上)，在過高的溫度下一旦持溫過久對於一般電子元件容易導致熱損傷。此外，銲錫合金的界面厚度增加會造成整體熱阻提高；且一般的銲錫製程都需要加入助銲劑來幫助去除表面的氧化物，以促進潤濕性(wetting)，但使用助銲劑易造成助銲劑殘留及界面腐蝕現象。

由此可知，習知技術之熱界面材料雖然種類繁多，但以金屬材料做為導熱界面材料來使用的產品仍不多見，其原因主要是在於：不易克服金屬材料對於異質金屬固體表面的塗佈性，而無法像散熱膏般能填補表面刮痕、孔洞、空隙或凹陷等缺陷；且金屬材料的使用溫度常會超過200℃，因而在高溫下對電子元件進行界面材料塗佈作業時，容易造成元件的熱損傷。因此，雖然金屬材料的熱傳導率遠高於高分子基熱界面材料，但很難將金屬材料實際應用於界面導熱上。

有鑑於此，本發明提供一種金屬熱界面材料，其具有高熱傳導率、低熔點、低接觸角、高界面剪切強度等特性，因而可顯著改善界面導熱效果。

本發明另提供一種散熱裝置，其使用上述之金屬熱界面材料。

本發明提出一種金屬熱界面材料，其包括合金以及活性金屬元素。合金是由銦(In)、錫(Sn)及鉍(Bi)中的任意兩種元素所組成的合金，其含量為94 wt%至99.9 wt%。活性金屬元素的含量為0.1 wt%至6 wt%。

在本發明之一實施例中，上述之活性金屬元素包括鈦(Ti)、鋯(Zr)或鉿(Hf)。

在本發明之一實施例中，上述之合金為銦錫(InSn)合金，且金屬熱界面材料包括40 wt%至60 wt%的銦(In)、39.9 wt%至59.9 wt%的錫(Sn)以及0.1 wt%至6 wt%的鈦(Ti)。

在本發明之一實施例中，上述之合金為銦鉍(InBi)合金，且金屬熱界面材料包括60 wt%至70 wt%的鉍(Bi)、29.9 wt%至39.9 wt%的銦(In)以及0.1 wt%至6 wt%的鈦(Ti)。

在本發明之一實施例中，上述之合金為錫鉍(SnBi)合金，且金屬熱界面材料包括50 wt%至60 wt%的鉍(Bi)、39.9 wt%至49.9 wt%的錫(Sn)以及0.1 wt%至6 wt%的鈦(Ti)。

在本發明之一實施例中，上述之金屬熱界面材料的熔點為150℃以下。

在本發明之一實施例中，上述之金屬熱界面材料的熔點介於100℃至150℃之間。

本發明另提出一種散熱裝置，其包括散熱基板、散熱模組以及上述之金屬熱界面材料。散熱基板具有第一側及第二側，且散熱基板之第一側上配置有元件。散熱模組配置於散熱基板之第二側。金屬熱界面材料配置於散熱基板與散熱模組之間。

在本發明之一實施例中，上述之散熱模組包括基座以及連接於基座的多個鰭片。

在本發明之一實施例中，上述之散熱模組包括基座以及連接於基座的熱管。

在本發明之一實施例中，上述之基座的材質主要為鋁材料、經表面處理之鋁材料、銅材料或陶瓷材料。

在本發明之一實施例中，上述之散熱基板的材質主要為鋁材料、經表面處理之鋁材料、銅材料、陶瓷材料或印刷電路板。

在本發明之一實施例中，上述之元件包括發光二極體。

基於上述，本發明實施例之金屬熱界面材料藉由在合金中添加特定含量之活性金屬元素，可同時具有低熔點、低接觸角、高界面剪切強度之特性，因此適用於低工作溫度特性之晶片散熱，並能夠獲得良好的潤濕塗佈性且有效接合散熱材料。

再者，本發明實施例之散熱裝置使用上述實施例之金屬熱界面材料，能夠有效避免元件產生熱損傷，且易於在熔融狀態下塗佈於固體表面並可有助於填補表面上的孔洞、空隙或凹陷等缺陷，因此可顯著提升界面導熱效果。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

以下，將詳細說明本發明之金屬熱界面材料以及利用此金屬熱界面材料的散熱裝置之實施例。本發明實施例之金屬熱界面材料具有低溫使用之特性，能夠在製程應用上減少電子元件產生熱損傷；且利用金屬熱界面材料具有高潤濕性之特性，能夠達到易塗佈之效果，而可有助於填平固體表面的孔洞、空隙或凹陷，因而降低界面接觸熱阻(R_c )。由於金屬熱界面材料本身即具有低熱阻(R_Bulk )，因此利用此金屬熱界面材料的散熱裝置中會形成快速導熱金屬界面，而可使元件溫度降低，達到散熱的目的。下文中參照隨附圖式來更充分地描述本發明。然而，本發明可以多種不同的組成含量或形式來實踐，並不限於文中所述之實施例及實驗例。此外，在圖式中為明確起見可能將各構件的相對尺寸作誇張的描繪。

本發明實施例之金屬熱界面材料主要是包括合金以及活性金屬元素。合金是由銦(In)、錫(Sn)及鉍(Bi)中的任意兩種元素所組成的合金，其中合金在金屬熱界面材料中的含量為94 wt%至99.9 wt%。活性金屬元素在金屬熱界面材料中的含量約為0.1 wt%至6 wt%。上述之合金例如是銦錫(InSn)合金、銦鉍(InBi)合金或錫鉍(SnBi)合金，而活性金屬元素例如是鈦(Ti)、鋯(Zr)或鉿(Hf)。具體而言，除了原材料中難以去除的雜質元素以外，金屬熱界面材料主要是由合金以及活性金屬元素所組成，而不含其他添加物，如稀土等貴重元素。上述雜質元素例如是鉛(Pb)、銀(Ag)、銅(Cu)、鈰(Ce)、銻(Sb)、鐵(Fe)、鋁(Al)、鎘(Cd)、矽(Si)、鑭(La)、鎵(Ga)或鋅(Zn)等，其中單一雜質元素在金屬熱界面材料中的含量不超過0.05 wt%，較佳是不超過0.01 wt%；且金屬熱界面材料中雜質元素的總含量約小於0.1 wt%。此外，金屬熱界面材料的製備例如是在所選用的合金材料中加入約0.1 wt%至6 wt%的活性金屬元素，並利用真空石英封管、真空感應熔煉、粉末冶金、電弧熔解法或組合上述方法來進行合金化。

舉例而言，在一實施例中，當金屬熱界面材料使用銦錫(InSn)合金時，金屬熱界面材料包括40 wt%至60 wt%的銦(In)、39.9 wt%至59.9 wt%的錫(Sn)以及0.1 wt%至6 wt%的鈦(Ti)。在一實施例中，當金屬熱界面材料使用銦鉍(InBi)合金時，金屬熱界面材料包括60 wt%至70 wt%的鉍(Bi)、29.9 wt%至39.9 wt%的銦(In)以及0.1 wt%至6 wt%的鈦(Ti)。在一實施例中，當金屬熱界面材料使用錫鉍(SnBi)合金時，金屬熱界面材料包括50 wt%至60 wt%的鉍(Bi)、39.9 wt%至49.9 wt%的錫(Sn)以及0.1 wt%至6 wt%的鈦(Ti)。

上述低溫使用的金屬熱界面材料是指材料的熔點約為150℃以下。詳言之，金屬熱界面材料的熔點例如是介於100℃至150℃之間。在此說明的是，金屬熱界面材料所使用之合金主要是由低熔點金屬元素所組成，如熔點約為157℃的銦(In)、熔點約為232℃的錫(Sn)、熔點約為272℃的鉍(Bi)。雖然在金屬熱界面材料中加入的活性金屬元素為高熔點元素，如熔點約為1668℃的鈦(Ti)，但藉由將高熔點活性金屬元素的含量控制在0.1 wt%至6 wt%之間，可以避免高熔點活性金屬元素的含量過多而致使金屬熱界面材料的熔點升高。

再者，若金屬熱界面材料中的活性金屬元素含量過低(例如不足0.1 wt%)時，則形成之金屬熱界面材料的接觸角大、濕潤性不佳，不利於塗佈應用，且含量不足將使界面擴散反應緩慢，鍵結強度不足。若金屬熱界面材料中的活性金屬元素含量過高(例如超過6 wt%)時，所形成的介金屬化合物會過多，容易造成金屬熱界面材料於熔融狀態時的流動性大幅降低。因此，相較於習知所使用的錫銀(SnAg)、錫銀銅(SnAgCu)、錫鋅(SnZn)等合金，本發明實施例之金屬熱界面材料的熔點較低，因而在施作散熱界面製程上能減少電子元件的熱損傷，且熔點低能夠使金屬熱界面材料的金屬氧化現象更為緩和而不易氧化，可有助於延長製程作業時間。

上述之金屬熱界面材料與散熱材料之間的接觸角約介於35°至120°之間。一般而言，以塗佈方式將由如銦、錫、鉍等低熔點金屬元素所組成的合金應用於如鋁、鋁合金、銅、銅合金、陶瓷等散熱材料的表面上加熱時，由於合金熔融後與散熱材料的表面接觸角過大，因此無法有良好的潤濕性及塗佈性。然而，本發明實施例利用在熔點較低的合金中加入高熔點的活性金屬元素，還可有效地降低原有合金材料於熔融狀態時的接觸角。如此一來，具低接觸角狀態的金屬熱界面材料便可獲得高潤濕性及塗佈性，因而可有助於使金屬熱界面材料浸潤或滲透至散熱材料的表面氣孔中，並同時具有填補固體表面原有的孔洞、空隙、刮痕或凹陷等功用，使兩界面之間達到良好接觸來幫助傳熱，還可有利於進行點膠塗佈作業。

此外，上述之金屬熱界面材料的界面剪切強度(shear strength)約介於4 MPa至20 MPa之間。由於金屬熱界面材料能夠與散熱材料的表面進行界面擴散反應，可以產生足夠之鍵結力，而具有一定的接合強度，因此一般鍵結力可以利用剪切強度來評估。上述金屬熱界面材料在與散熱材料的表面之界面能夠藉由活性金屬元素的擴散反應產生鍵結，而提高界面的接合強度及剪切強度，因而可進一步有效減少界面處氣孔的存在。

接下來將說明上述之金屬熱界面材料於散熱裝置的應用。須注意的是，以下所述之散熱裝置是以發光二極體(light-emitting diode,LED)元件的散熱架構為例來進行說明，其主要是為了使熟習此項技術者能夠據以實施，但並非用以限定本發明之範圍。至於其他晶片種類、接腳等構件的配置，均可依所屬技術領域中具有通常知識者所知的技術製作，而不限於下述實施例所述。圖1是依照本發明之一實施例之散熱裝置的剖面示意圖。

請參照圖1，散熱裝置100包括散熱基板110、散熱模組120以及金屬熱界面材料130。散熱基板110具有第一側112及第二側114，且散熱基板110之第一側112上配置有元件140。散熱模組120配置於散熱基板110之第二側114。金屬熱界面材料130配置於散熱基板110與散熱模組120之間。

散熱基板110的材質例如是主要為鋁材料、經陽極表面處理之鋁材料、銅材料、陶瓷材料或印刷電路板。在一實施例中，散熱基板110上更配置有導電層116，其位於散熱基板110的第一側112上。

散熱模組120包括基座122以及多個鰭片124，鰭片124分別連接於基座122。基座122的材質例如是主要為鋁材料、經陽極表面處理之鋁材料、銅材料或陶瓷材料。此外，圖1所繪示的散熱模組120僅是舉例說明之用，並非用以限定其外形。在其他實施例中，散熱模組120也可以具有構形，其包括基座以及連接於基座的熱管，亦即以熱管取代圖1所繪示之鰭片124而作為散熱方式，所屬技術領域中具有通常知識者當可依其需求逕行調整，故於此不再贅述熱管結構。

元件140例如是封裝完成之發光二極體。在一實施例中，元件140包括發光二極體晶片142、封裝材144以及正負極接腳146。發光二極體晶片142是由封裝材144所包覆而保護。而封裝完成之發光二極體的正負極接腳146例如是將發光二極體晶片142連接至外部的導電層116。此外，由於元件140與散熱模組120分別配置於散熱基板110的第一側112及第二側114，因此散熱模組120並不會阻擋住元件140，而使元件140可以進行發光以提供光源。當然，元件140也可以是其他封裝完成之驅動晶片，而不限於發光二極體。

一般而言，元件140在運作時會產生一定的熱量，若此熱量無法散逸將會造成元件140的損害。因此，藉由散熱裝置100的設置可以將元件140所產生的熱量經由傳導以及對流等方式傳遞出去以避免元件140因為高溫而無法正常運作。詳言之，為了提升散熱裝置100的散熱特性，本發明一實施例之散熱裝置100於散熱基板110與散熱模組120之間配製金屬熱界面材料130，且此金屬熱界面材料130主要是包括由銦(In)、錫(Sn)及鉍(Bi)中的任意兩種元素所組成的合金以及活性金屬元素。合金在金屬熱界面材料中的含量為94 wt%至99.9 wt%，而活性金屬元素在金屬熱界面材料中的含量0.1 wt%至6 wt%。金屬熱界面材料130的細節已詳述於前述實施例中，故於此不再贅述。此外，於元件140與散熱基板110之界面還可進一步設置熱界面材料132，其配置於封裝材144與導電層116之間，以進一步提升散熱效果。

在一實施例中，將金屬熱界面材料130應用至散熱裝置100的方法例如是先將金屬熱界面材料130加熱到其熔點以上；接著均勻塗佈在散熱基板110與散熱模組120之間；將散熱基板110與散熱模組120持溫固定施壓結合一段時間後，便可使金屬熱界面材料130與散熱基板110、散熱模組120的材料進行界面擴散鍵結反應；而後將其冷卻降至室溫，即可完成塗佈有金屬熱界面材料130之散熱裝置100。如此一來，利用上述具有低熔點、低接觸角、高界面剪切強度等特性之金屬熱界面材料130，能夠有效避免元件的熱損傷，且潤濕性佳易於塗佈而可有助於填補固體表面的孔洞、空隙或凹陷，因此可顯著提升散熱基板110與散熱模組120之界面導熱效果。

實驗例

為證實用於本發明實施例之金屬熱界面材料確實具有易於潤濕塗佈、具擴散反應及可有效接合散熱材料之特性，接下來將以實驗例說明其特性。以下實驗例之數據結果僅是用來說明使用不同成分及組成比例所製作出的金屬熱界面材料的熔點、接觸角、界面剪切強度等特性，但並非用以限定本發明之範圍。下列表1至表3分別列出依照本發明之多個實驗例之金屬熱界面材料的熔點、與鋁質散熱材料之間的接觸角及界面剪切強度。

如下表1所示，當金屬熱界面材料使用銦錫(InSn)合金時，金屬熱界面材料包括40 wt%至60 wt%的銦(In)、39.9 wt%至59.9 wt%的錫(Sn)、0.1 wt%至6 wt%的鈦(Ti)以及不可避免的不純物，此銦錫鈦合金的熔點約為117℃至123℃，且該合金可降低與鋁質散熱材料之間的接觸角，並增加而界面剪切強度。

如下表2所示，當金屬熱界面材料使用銦鉍(InBi)合金時，金屬熱界面材料包括60 wt%至70 wt%的鉍(Bi)、29.9 wt%至39.9 wt%的銦(In)、0.1 wt%至6 wt%的鈦(Ti)以及不可避免的不純物。

表2

如下表3所示，當金屬熱界面材料使用錫鉍(SnBi)合金時，金屬熱界面材料包括50 wt%至60 wt%的鉍(Bi)、39.9 wt%至49.9 wt%的錫(Sn)、0.1 wt%至6 wt%的鈦(Ti)以及不可避免的不純物。

由表1至表3中的結果可知：相較於未添加鈦元素的合金其接觸角相較於銦錫(InSn)、銦鉍(InBi)及錫鉍(SnBi)等合金，分別加入0.1 wt%至6 wt%不等的鈦元素而製作出的銦錫鈦合金、銦鉍鈦合金、錫鉍鈦合金在熔融狀態下於散熱鋁材上會具有更低的接觸角。

再者，在表1至表3中利用界面剪切強度評估上述各金屬熱界面材料的鍵結力。由測試結果可觀察到無添加高熔點鈦元素之銦錫(InSn)、銦鉍(InBi)及錫鉍(SnBi)合金並無法與散熱材料產生界面擴散反應，故無法測得界面強度，亦即表示其剪接強度值為0。然而，隨著鈦元素的添加量增加，在界面之間可經由鈦元素的擴散反應而產生接合強度，而獲得更高的界面剪切強度。

因此，藉由添加0.1 wt%至6 wt%的活性金屬元素可以改善原有合金的潤濕性，以提高金屬熱界面材料滲透、浸潤、填補散熱材料表面孔隙的效果，並可以產生界面擴散反應而能夠接合散熱材料，從而獲得顯著提升之界面導熱效果。

進一步利用相片影像來佐證本發明實施例之金屬熱界面材料的功效。圖2是根據本發明之一實驗例所製作之銦錫鈦合金以及比較例之銦錫合金的接觸角比較圖。圖3至圖5分別是根據本發明之一實驗例所製作之銦錫鈦合金、銦鉍鈦合金、錫鉍鈦合金與散熱材料進行擴散反應鍵結後之界面處的光學顯微鏡(OM)影像。

如圖2所示，在作為散熱材料之鋁基板202表面上分別塗佈作為比較例之銦錫合金204以及作為本發明之一實驗例之銦錫鈦合金206，並觀察兩者的接觸角狀態。在此實驗例中，銦錫鈦合金206包括48 wt%的銦(In)、48 wt%的錫(Sn)、4 wt%的鈦(Ti)。於圖2中明顯可觀察到：相較於銦錫合金204的接觸角大、濕潤性不佳，銦錫鈦合金206在熔融狀態下可在鋁基板202表面上形成低接觸角狀態，並表現出極佳的潤濕性及塗佈性。

在圖3所示之實驗例中，是將包括50 wt%的銦(In)、48 wt%的錫(Sn)、2 wt%的鈦(Ti)之銦錫鈦合金306塗佈在陽極表面處理散熱鋁材302、304之間的界面處。在圖4所示之實驗例中，是將包括33 wt%的銦(In)、66.5 wt%的鉍(Bi)、0.5 wt%的鈦(Ti)之銦鉍鈦合金406塗佈在陽極表面處理散熱鋁材402、404之間的界面處。在圖5所示之實驗例中，是將包括42 wt%的錫(Sn)、57 wt%的鉍(Bi)、1 wt%的鈦(Ti)之錫鉍鈦合金506塗佈在陽極表面處理散熱鋁材502、504之間的界面處。

如圖3至圖5所示，從不同實驗例之金屬熱界面材料與散熱材料進行擴散反應鍵結後之界面處，皆可觀察到界面處並無明顯氣孔的存在。由以上實驗例的結果顯示，本發明實施例之金屬熱界面材料藉由在合金中添加0.1 wt%至6 wt%的活性金屬元素，因而具有低熔點、低接觸角、高界面剪切強度之特性，而易於潤濕塗佈並具擴散反應、可有效接合散熱材料之功效。

此外，以高功率發光二極體(LED)當作發熱源來進行散熱測試比較，進而評估本發明之一實驗例之散熱裝置的散熱效果。表4顯示將本發明之一實驗例之金屬熱界面材料以及對比用之習知多種散熱界面材料分別設置於圖1中所述之金屬熱界面材料130處的發光二極體散熱裝置的溫度比較。在表4中，分別是以下列散熱界面材料作為對比用之比較例：(1)不使用熱界面材料，亦即將發光二極體之散熱基板以螺絲固定於具有鰭片的散熱模組之間，而使散熱基板與散熱模組之間為空氣界層；(2)採用散熱膠帶(熱傳導率=6 W/m‧K)，並直接黏貼於散熱基板與散熱模組之間；(3)採用散熱膏(熱傳導率=4.5 W/m‧K)，並利用塗佈方式塗抹於散熱基板與散熱模組之間，且因散熱膏無黏著性而另外以螺絲固定散熱基板與散熱模組。另一方面，表4中的本發明之實驗例是以銦錫鈦合金為例作為金屬熱界面材料來進行散熱效果之比較。在此實驗例中，銦錫鈦合金是由約50 wt%之銦(In)元素、約48 wt%之錫(Sn)元素以及約2 wt%之鈦(Ti)元素所組成。

表4中所測試之發熱元件為具有發熱量高、溫度高的高功率發光二極體光源，其是由美國公司所生產之5瓦高亮度的發光二極體(市售型號為Q5)；且散熱裝置中使用金屬鋁基板作為散熱基板，並使用商用市售的鋁製散熱鰭片(28×28×9 mm)作為散熱模組。而測試條件是將以上組合完成之四組測試樣品置於一密閉空間中進行點燈測試，其中密閉空間主要是為了防止空氣對流對於測試溫度的影響。以電源供應器提供電壓、電流給測試瓦數為5瓦之發光二極體光源，亦即通入4伏特電壓、1.25安培電流給測試用的LED燈。之後，溫度量測的進行是藉由將K型熱電偶(K type thermocouple)以導熱膠黏著於LED燈座附近，並由測溫儀器(thermal meter)記錄其燈座溫度(case temperature)。此外，使LED燈運作的時間維持1小時以上來進行測試，並待溫度穩定後紀錄各比較例及實驗例的散熱裝置溫度，其結果如下表4所示。

由表4中的結果可觀察到：相較於使用空氣、散熱膠帶、散熱膏的散熱裝置，使用本發明之實驗例所組成的發光二極體散熱裝置的發光二極體溫度最低。由此可知，利用本發明之金屬熱界面材料因而具有較佳的界面導熱效果，故其散熱效果表現最佳。

特別說明的是，雖然在上述實施例及實驗例中是以選用鈦(Ti)作為活性金屬元素為例來進行說明，但本發明並不限於此。當然，在其他實施例中，也可以選用其他的活性金屬元素加入合金中而製備本發明之金屬熱界面材料，於此技術領域具有通常知識者當可依上述實施例而逕行調整，故於此不再贅述。

綜上所述，本發明實施例之金屬熱界面材料在低熔點的合金中加入高熔點的活性金屬元素，並使活性金屬元素的含量控制在0.1 wt%至6 wt%之間，因此可以避免金屬熱界面材料的熔點升高，且熔點低能夠使金屬氧化現象更為緩慢而不易生成過多表面氧化物，因而不須額外加入如稀土等貴重元素之添加物。此外，金屬熱界面材料在熔融狀態下與散熱材料表面具有較低的接觸角，而可提供高濕潤塗佈性來填補散熱材料表面間固有的孔隙、刮痕或凹陷等缺陷，以降低界面接觸熱阻(R_c )。由於金屬材料具有較高的熱傳導率，可使金屬熱界面材料的熱阻(R_Bulk )降低，因而使散熱效果能夠更加提升。而且，本發明實施例之金屬熱界面材料還能夠與散熱材料進行界面擴散反應，以產生足夠的鍵結力並具有較高接合強度，而可有效接合散熱材料且減少界面存在氣孔。

另一方面，本發明實施例之散熱裝置在散熱基板與散熱模組之間配置有低溫(150℃以下)使用的金屬熱界面材料，因此除了節省能源外，更重要的是在製程應用上還可避免元件產生嚴重熱損傷。如此一來，使用易於潤濕塗佈、具擴散反應、可有效接合散熱材料之金屬熱界面材料的散熱裝置可以大幅提高整體界面導熱效果及散熱能力，而進一步提升產品的信賴性。而且，上述散熱裝置除了可應用在發光二極體外，還可應用在其他元件或晶片，而可以提供有效率的散熱作用。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．散熱裝置

110．．．散熱基板

112．．．第一側

114．．．第二側

116．．．導電層

120．．．散熱模組

122．．．基座

124．．．鰭片

130．．．金屬熱界面材料

132．．．熱界面材料

140．．．元件

142．．．發光二極體晶片

144．．．封裝材

146．．．正負極接腳

202．．．鋁基板

204．．．銦錫合金

206、306．．．銦錫鈦合金

302、304、402、404、502、504．．．陽極表面處理散熱鋁材

406．．．銦鉍鈦合金

506．．．錫鉍鈦合金

圖1是依照本發明之一實施例之散熱裝置的剖面示意圖。

圖2是根據本發明之一實驗例所製作之銦錫鈦合金以及比較例之銦錫合金的接觸角比較圖。

圖3至圖5分別是根據本發明之一實驗例所製作之銦錫鈦合金、銦鉍鈦合金、錫鉍鈦合金與散熱材料進行擴散反應鍵結後之界面處的光學顯微鏡(OM)影像。

100．．．散熱裝置

110．．．散熱基板

112．．．第一側

114．．．第二側

116．．．導電層

120．．．散熱模組

122．．．基座

124．．．鰭片

130．．．金屬熱界面材料

132．．．熱界面材料

140．．．元件

142．．．發光二極體晶片

144．．．封裝材

146．．．正負極接腳

Claims (12)

1. 一種金屬熱界面材料，其包括：一合金，其是由銦(In)、錫(Sn)及鉍(Bi)中的任意兩種元素所組成的合金，其含量為94 wt%至99.9 wt%；以及一活性金屬元素，其含量為0.1 wt%至6 wt%，其中所述金屬熱界面材料的熔點為150℃以下。
2. 如申請專利範圍第1項所述之金屬熱界面材料，其中該合金為銦錫(InSn)合金，且該金屬熱界面材料包括：40 wt%至60 wt%的銦(In)；39.9 wt%至59.9 wt%的錫(Sn)；以及0.1 wt%至6 wt%的活性金屬元素。
3. 如申請專利範圍第1項所述之金屬熱界面材料，其中該合金為銦鉍(InBi)合金，且該金屬熱界面材料包括：60 wt%至70 wt%的鉍(Bi)；29.9 wt%至39.9 wt%的銦(In)；以及0.1 wt%至6 wt%的活性金屬元素。
4. 如申請專利範圍第1項所述之金屬熱界面材料，其中該合金為錫鉍(SnBi)合金，且該金屬熱界面材料包括：50 wt%至60 wt%的鉍(Bi)；39.9 wt%至49.9 wt%的錫(Sn)；以及0.1 wt%至6 wt%的活性金屬元素。
5. 如申請專利範圍第1、2、3或4項所述之金屬熱界面材料，其中該活性金屬元素包括鈦(Ti)、鋯(Zr)或鉿(Hf)。
6. 如申請專利範圍第1項所述之金屬熱界面材料，其熔點為介於100℃至150℃之間。
7. 一種散熱裝置，包括：一散熱基板，具有一第一側及一第二側，該散熱基板之該第一側上配置有一元件；一散熱模組，配置於該散熱基板之該第二側；以及如申請專利範圍第1項所述之金屬熱界面材料，配置於該散熱基板與該散熱模組之間。
8. 如申請專利範圍第7項所述之散熱裝置，其中該散熱模組包括一基座以及連接於該基座的多個鰭片。
9. 如申請專利範圍第7項所述之散熱裝置，其中該散熱模組包括一基座以及連接於該基座的一熱管。
10. 如申請專利範圍第8項或第9項所述之散熱裝置，其中該基座的材質主要為鋁材料、經表面處理之鋁材料、銅材料或陶瓷材料。
11. 如申請專利範圍第7項所述之散熱裝置，其中該散熱基板的材質主要為鋁材料、經表面處理之鋁材料、銅材料、陶瓷材料或印刷電路板。
12. 如申請專利範圍第7項所述之散熱裝置，其中該元件包括發光二極體。