一種具有雙熔點(diǎn)特征的三元液態(tài)金屬熱界面材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有雙熔點(diǎn)特征的三元液態(tài)金屬熱界面材料。本發(fā)明的液態(tài)金屬熱界面材料是三層箔狀結(jié)構(gòu)，上下兩層的材料由銦、鉍和錫組成，其摩爾百分?jǐn)?shù)分別是銦56%、鉍20%和錫24%；中間層的材料由銦、鉍和錫組成，其摩爾百分?jǐn)?shù)分別是銦40%、鉍48%和錫12%。本發(fā)明設(shè)計(jì)的具有雙熔點(diǎn)特征的液態(tài)金屬熱界面材料在初始安裝后可以在較低溫度下完全填充發(fā)熱體和散熱體之間的孔隙，隨后由于擴(kuò)散而產(chǎn)生固化。在正常工作溫度下會(huì)處于固態(tài)。當(dāng)電子器件溫度上升到設(shè)計(jì)值時(shí)，液態(tài)金屬熱界面材料會(huì)產(chǎn)生二次熔化來來達(dá)到大幅度冷卻電子器件的目的，應(yīng)用前景廣闊。
【專利說明】一種具有雙熔點(diǎn)特征的三元液態(tài)金屬熱界面材料
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三元液態(tài)金屬熱界面材料的制備方法，具體地說，涉及一種具有雙熔點(diǎn)特征的三元液態(tài)金屬熱界面材料。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子 芯片高度集成化的發(fā)展，整個(gè)電子器件的發(fā)熱功率越來越大，不同部件的工作溫度大幅度上升。電子器件的工作溫度直接決定其使用壽命和穩(wěn)定性。器件在高的溫度下工作會(huì)極大地降低電子器件的使用壽命。要讓電子器件工作在合理的溫度范圍內(nèi)，除了保證工作環(huán)境溫度在合理范圍內(nèi)之外，還必須要對(duì)電子器件進(jìn)行有效的散熱處理。散熱問題已經(jīng)變成微電子技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。在電子產(chǎn)品各個(gè)組件由內(nèi)向外散熱途徑中，熱界面材料是決定散熱功率高低的關(guān)鍵材料。熱界面材料是用來填充發(fā)熱體和散熱體之間孔隙，起著增進(jìn)熱傳遞效率和降低熱阻抗的介質(zhì)。
[0003]典型的熱界面材料可以分為:導(dǎo)熱硅脂，導(dǎo)熱凝膠，高分子熱界面材料和金屬熱界面材料等。導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱系數(shù)大約為3-5W/nrK?？梢酝ㄟ^在硅脂中添加氧化鋁(Al2O3),氮化鋁(AlN)，二氧化硅(SiO2),氮化硼(BN)，碳化硅(SiC)等陶瓷顆粒和銀(Ag),銅(Cu)等金屬顆粒來進(jìn)一步提高硅脂的導(dǎo)熱能力。導(dǎo)熱凝膠是在具有較好彈性或塑性的有機(jī)物基體中添加具有高導(dǎo)熱率的顆粒，并經(jīng)過固化交聯(lián)反應(yīng)制備而成，導(dǎo)熱系數(shù)大約為3-4W/m-K0高分子熱界面材料主要包括熔融溫度在50-80°C之間的熱塑性樹脂。這些材料傳熱系數(shù)本身很低，可以通過添加高導(dǎo)熱的顆粒將材料的傳熱系數(shù)維持在l_2W/m-K左右。液態(tài)金屬熱界面材料具有極高導(dǎo)熱系數(shù)(約為80W/m-K)的一種新型合金介質(zhì)，可以在室溫下以液態(tài)，膏狀和箔狀的形態(tài)存在。通過在液態(tài)金屬里添加納米銅和納米銀可以將材料的導(dǎo)熱系數(shù)提高到120W/m.K左右。液態(tài)金屬熱界面材料由于具有極高的導(dǎo)熱系數(shù)而使得芯片的散熱能力能有大幅度提升。令人感到遺憾的是，液態(tài)金屬在高溫工作時(shí)流動(dòng)性過大可能導(dǎo)致電路短路。理想的液態(tài)金屬熱界面材料不僅可以在熔化時(shí)利用其高流動(dòng)性來填充發(fā)熱體和散熱體之間的孔隙，同時(shí)可以避免液態(tài)金屬熱界面材料在高溫時(shí)的流動(dòng)性導(dǎo)致的電路短路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有雙熔點(diǎn)特征的液態(tài)金屬熱界面材料。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種液態(tài)金屬熱界面材料，其是三層箔狀結(jié)構(gòu)，上下兩層的材料由銦、鉍和錫組成，其摩爾百分?jǐn)?shù)分別是銦56%、鉍20%和錫24% ;中間層的材料由銦、鉍和錫組成，其摩爾百分?jǐn)?shù)分別是銦40%、鉍48%和錫12%。本發(fā)明的液態(tài)金屬熱界面材料具有三層結(jié)構(gòu)的箔狀合金材料，且層狀結(jié)構(gòu)分布具有對(duì)稱特征。上層和下層具有同樣的厚度和成分。中間層具有不同于上下層的合金成分。在上述液態(tài)金屬熱界面材料中，所述上下兩層材料的厚度是一樣大的，上下兩層的厚度優(yōu)選為0.01mm，中間層材料的厚度優(yōu)選為0.03mm。上層和下層具有低于中間層的熔點(diǎn)，當(dāng)上層和下層合金熔化時(shí)可以有效地填充發(fā)熱體和散熱體之間的間隙，提高傳熱效率。當(dāng)上層和下層合金熔化時(shí)，與中間層固態(tài)合金材料發(fā)生擴(kuò)散而改變成分，成分的變動(dòng)使得上下層合金凝固。當(dāng)器件溫度變得更高時(shí)，已經(jīng)固化的上下層和中間層可以再次發(fā)生熔化，從而在更高的溫度下進(jìn)行高效的導(dǎo)熱。
[0006]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
本發(fā)明設(shè)計(jì)的具有雙熔點(diǎn)特征的液態(tài)金屬熱界面材料，克服了一般的箔狀液態(tài)金屬熱界面材料只能在某個(gè)單一溫度下熔化，且液態(tài)狀態(tài)下合金流動(dòng)性過大的問題。同時(shí)也保證了當(dāng)器件溫度繼續(xù)上升時(shí)，已經(jīng)固化的液態(tài)金屬熱界面材料可以進(jìn)一步熔化來進(jìn)行高效散熱的特性。該箔狀液態(tài)金屬熱界面材料在初始安裝后可以在較低溫度下完全填充發(fā)熱體和散熱體之間的孔隙，隨后由于擴(kuò)散而產(chǎn)生固化。在正常工作溫度下會(huì)處于固態(tài)。當(dāng)電子器件溫度上升到設(shè)計(jì)值時(shí)，液態(tài)金屬熱界面材料會(huì)產(chǎn)生二次熔化來達(dá)到大幅度冷卻電子器件的目的，應(yīng)用前景廣闊。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1是三明治結(jié)構(gòu)液態(tài)金屬熱界面材料結(jié)構(gòu)示意圖。
[0008]圖2是利用A-B-C三元體系的兩個(gè)低熔點(diǎn)成分(a和b)來制備雙熔點(diǎn)液態(tài)金屬熱界面材料的示意圖，c成分點(diǎn)表示整個(gè)體系的熔點(diǎn)。
[0009]圖3是具有雙熔點(diǎn)特征的液態(tài)金屬熱界面材料實(shí)施在發(fā)熱體和散熱體之間的示意圖。 【具體實(shí)施方式】
[0010]實(shí)施例1
In-B1-Sn組成的三元液態(tài)金屬熱界面材料，上下兩層的成分選擇為In0.56-0.20Β?-0.24Sn (摩爾分?jǐn)?shù))。中間層的材料選擇In0.40-0.48Β?-0.12Sn(摩爾分?jǐn)?shù))，按照該配方配制的合金經(jīng)過真空感應(yīng)爐熔煉后制備成三層箔狀結(jié)構(gòu)，上下層的厚度為0.01mm，中間層的厚度為0.03mm。然后將三層箔狀合金材料合并為具有三明治結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬熱界面材料，最高熔點(diǎn)在90°C左右。如圖1所示，分別是具有較低熔點(diǎn)的上下層(a)以及具有較高熔點(diǎn)的中間層(b)。
[0011]本發(fā)明從元素周期表上選擇具有和發(fā)熱體與散熱體材料具有足夠化學(xué)相容性的元素。并參照二元和多元相圖選擇兩個(gè)具有合適熔點(diǎn)的合金成分。其中一個(gè)熔點(diǎn)較低(T1)，另外一個(gè)熔點(diǎn)較高(Th)。T1的溫度根據(jù)需要可以選擇在50-80°C，Th的選擇要依據(jù)電子器件的最高工作溫度(Tm)來定。圖2是從三元相圖設(shè)計(jì)具有雙熔點(diǎn)特征的液態(tài)金屬熱界面材料示意圖。其中a和b點(diǎn)成分分別對(duì)應(yīng)著圖2中的上下層和中間層，c點(diǎn)對(duì)應(yīng)的成分是整個(gè)材料的平均成分。低熔點(diǎn)的箔狀材料和高熔點(diǎn)的箔狀材料組成的三明治結(jié)構(gòu)的平均成分所對(duì)應(yīng)的熔點(diǎn)要控制在Tm左右。
[0012]將所得具有雙熔點(diǎn)特征的液態(tài)金屬熱界面材料應(yīng)用于發(fā)熱體和散熱體之間，如圖
3所示。當(dāng)發(fā)熱體溫度升高到T1時(shí)，最外圍的液態(tài)金屬材料率先熔化，流動(dòng)并填充周圍凹凸不平的間隙，提高傳熱效率。當(dāng)上層和下層合金熔化時(shí)，與中間層固態(tài)合金材料發(fā)生擴(kuò)散而改變成分，成分的變動(dòng)使得上下層合金凝固。當(dāng)器件溫度變得更高時(shí)，已經(jīng)固化的上下層和中間層可以再次發(fā)生熔化，從而在更高的溫度下進(jìn)行高效導(dǎo)熱。三明治結(jié)構(gòu)箔狀液態(tài)金屬材料最終熔點(diǎn)可以控制在比電子器件最高工 作溫度高5°C左右。
【權(quán)利要求】
1.一種三元液態(tài)金屬熱界面材料，其特征是三層箔狀結(jié)構(gòu)，上下兩層的材料由銦、鉍和錫組成，其摩爾百分?jǐn)?shù)分別是銦56%、鉍20%和錫24% ；中間層的材料由銦、鉍和錫組成，其摩爾百分?jǐn)?shù)分別是銦40%、鉍48%和錫12%。
2.如權(quán)利要求1所述的三元液態(tài)金屬熱界面材料，其特征在于，所述上下兩層是一樣的厚度。
3.如權(quán)利要求所述的三元液態(tài)金屬熱界面材料，其特征在于，所述上下兩層材料的厚度為0.01mm,中間 層材料的厚度為0.03mm。
【文檔編號(hào)】H01L23/373GK103725261SQ201310640632
【公開日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】曹帥, 劉亞軍, 曹賀全 申請(qǐng)人:曹帥