CN107052308B - 一种泡沫铜复合的液态金属热界面材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种泡沫铜复合的液态金属热界面材料，由液态金属热界面材料和泡沫铜制成，所述液态金属热界面材料由如下重量百分数的组分组成：Zn：2.0‑8.0%,Sb:1.0‑4.0%,Sn:5.0‑12.0%,Ag:0.3‑0.8%,Ce:0.1‑0.2%,Ru:0.02‑0.04%,余量为In。由于泡沫铜的多孔状结构使得液态金属侧漏现象得到了有效的控制。通过进一步结合液态金属熔点和泡沫铜的孔洞大小，可以完全彻底的杜绝液态金属侧漏的现象。为液态金属热界面材料大规模的商业应用提供用了一种有效的解决方案。

Description

一种泡沫铜复合的液态金属热界面材料
技术领域
本发明涉及液态金属，具体地说，涉及一种泡沫铜复合的液态金属热界面材料。
背景技术
众所周知，IGBT器件以其输入阻值高、开关速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等特点，已成为当今功率半导体器件发展的主流器件，广泛应 用到各种交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域功率电子电路中。当IGBT器件工作时，产生的热量会使芯片温度迅速上升超过最大允许IGBT结温。因此，IGBT的性能将大大降低，而不能稳定工作，导致性能下降或失效。近年来由于IGBT技术的进一步发展，相关的极端环境下的高效散热技术已经成为热管理工程师和科学家都渴望解决的关键技术问题。
完整的IGBT模块包括 IGBT器件、散热器、热风扇以及导热介质四部分组成，其中IGBT器件本身和导热介质对散热性能起决定性作用。发热体和散热体之间的接触面有微观上的孔洞，中间充满了空气。因为空气是不良热导体，发热体和散热器之间的热界面电阻非常大，严重阻碍了热传导，最终导致低散热效率。具有高导热系数的热界面材料可以填充这些微观上的空隙，有助于建立有效的热传导通道，从而大大降低热界面电阻。因而可以预计具有高传热性能的热界面材料会广泛应用于IGBT产业。
理想的热界面材料应具备如下的物理和化学特性：（1）高导热系数来保证有效散热；（2）良好的流动性来有效填补热发生体和散热体之间的微小间隙；（3）在低压力安装独特的灵活性。硅脂是传统上用于电子器件的热传导的热界面材料，但是传热系数很低(~1-2W/m.k)。而且，经过长时间的服役后，由于有机成分的蒸发和氧化，硅脂会变脆和老化。相比而言，近年来出现的液态金属除了具有极高的导热性能外，还由于极低的蒸汽压和抗氧化性，在散热领域处于金字塔的顶端，特别适用于高密度大功率电子元器件。
液态金属是一种低熔点合金，在其熔点附近具有高的热导率（~20-85W／m.K）。基于使用条件下所处的物态，液态金属可分为三类：（1）纯液状液态金属，熔点可以降低到约2℃左右。这类液态金属可以在电磁泵驱动下用作散热管中的冷却介质来提高散热效率。（2）膏状液态金属，由于熔点高达50℃可以在很宽的温度范围内保持固-液状态。这种类型的液态金属可作为硅胶替代热界面材料。（3）箔状液态金属，用作热界面材料时熔点可在60-180°C。这三种液态金属是无毒的，具有稳定的物理/化学性质，适合在极端条件下的长期应用。特别是，箔状液态金属由于其灵活的安装特性可以预计在生产线上得到最大规模的应用。
液态金属用于热界面材料时，主要存在着两个问题：
（1）液态金属的侧漏问题：
随着温度的升高液相的含量急剧增加。这个特征使得液态金属作为热界面材料的流动性随着温度的增加增幅很大，会在液态金属作为热界面材料使用时发生侧漏的现象，进而由于液态金属的导电性导致电路板的短路。解决液态金属热界面材料侧漏的办法，通常可以通过材料成分的设计来减小液态金属热界面材料随着温度的升高粘度下降的难题。
（2）传热性能可以进一步提高：
目前的液态金属热界面材料，其传热系数主要维持在20-85W／m.K。在散热环境日益苛刻的微电子技术迅速发展的今天，进一步提高液态金属热界面材料的传热系数是液态金属领域一个重要发展方向。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供用于泡沫铜的液态金属热界面材料。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种泡沫铜复合的液态金属热界面材料，由液态金属热界面材料和泡沫铜制成，所述液态金属热界面材料由如下重量百分数的组分组成：Zn：2.0-8.0%, Sb: 1.0-4.0%,Sn: 5.0-12.0%, Ag: 0.3-0.8%, Ce: 0.1-0.2%, Ru: 0.02-0.04%,余量为In。
上述泡沫铜复合的液态金属热界面材料的制备方法，包括如下步骤：(a)将合金按照所需要的成分配置后，放入氩气保护的感应熔炼炉进行熔炼，采用石墨坩埚；在400-450℃保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，倒入泡沫铜内进行重力作用下的渗铸；(b)将得到的渗铸锭进行冷轧，每道次轧制的压下量为20-30%，轧制后总厚度为0.05mm。
上述泡沫铜优选的密实度控制在10-35%。
本发明提供的液态金属热界面材料具备如下两个重要特性：(a) 由于泡沫铜的多孔状结构使得液态金属侧漏现象得到了有效的控制。通过进一步结合液态金属熔点和泡沫铜的孔洞大小，可以完全彻底的杜绝液态金属侧漏的现象。为液态金属热界面材料大规模的商业应用提供用了一种有效的解决方案。(b)由于铜的热导率在380 W／m.K以上。通过调整铜的密实度(控制在10-35%)，可以有效的将液态金属热界面材料的导热率提高到90-120W／m.K。为极端环境下大规模而有效地散热提供处于散热金字塔顶端的散热方案。液态金属熔点和熔化范围，可以根据散热体系的需求和特性进行定制来极大优化液态金属作为热界面材料复合结构的散热性能。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）在保证现有液态金属热界面材料的优异散热性能的基础上，为了完全杜绝液态金属热界面材料发生侧漏的现象，将液态金属热界面材料和泡沫铜进行复合来制备泡沫铜复合的液态金属热界面材料。由于泡沫铜的多孔状结构使得液态金属侧漏现象得到了有效的控制。通过进一步结合液态金属熔点和泡沫铜的孔洞大小，可以完全彻底的杜绝液态金属侧漏的现象。为液态金属热界面材料大规模的商业应用提供用了一种有效的解决方案。
（2）由于铜的热导率在380 W／m.K以上。通过调整铜的密实度(控制在10-35%)，可以有效的将液态金属热界面材料的导热率提高到90-120W／m.K。为极端环境下大规模而有效地散热提供处于散热金字塔顶端的散热方案。
（3）该新型液态金属热界面材料不仅散热性能好，而且加工冶炼方法简单，生产成本低，便于工业化大规模生产和实际应用。
附图说明
图1为泡沫铜的外观图。
图2为渗铸了液态金属之后的泡沫铜的复合结构示意图。其中白色线条部分为铜，黑色部分为液态金属。
具体实施方式
实施例1
一种用于80℃散热且具复合泡沫铜的液态金属热界面材料。按重量百分比计，Zn：2.4%, Sb: 1.6%, Sn: 5.7%, Ag: 0.4%, Ce: 0.1%, Ru: 0.02%,余量为In。取如上成分的合金在420℃在氩气保护的真空感应熔炼炉中石墨坩埚内熔化后，并利用电磁搅拌均匀化10分钟。然后将熔化的液态金属浇铸进泡沫铜内进行重力作用下的渗铸，泡沫铜的密实度控制在22%。将得到的渗铸锭进行冷轧，每道次轧制的压下量为25%。轧制后总厚度为0.05mm。本实施例中，液态金属的熔点为85℃。该热界面材料的导热率为95W/m.K,适于用做80℃条件下散热的热界面材料。
实施例2
一种用于120℃散热且具复合泡沫铜的液态金属热界面材料。按重量百分比计，Zn：6.3%, Sb: 2.4%, Sn: 8.6%, Ag: 0.6%, Ce: 0.1%, Ru: 0.02%,余量为In。取如上成分的合金在420℃在氩气保护的真空感应熔炼炉中石墨坩埚内熔化后，并利用电磁搅拌均匀化10分钟。然后将熔化的液态金属浇铸进泡沫铜内进行重力作用下的渗铸，泡沫铜的密实度控制在26%。将得到的渗铸锭进行冷轧，每道次轧制的压下量为25%。轧制后总厚度为0.05mm。本实施例中，液态金属的熔点为128℃。该热界面材料的导热率为93W/m.K,适于用做120℃条件下散热的热界面材料。
实施例3
一种用于180℃散热且具复合泡沫铜的液态金属热界面材料。按重量百分比计，Zn：7.9%, Sb: 3.8%, Sn: 10.6%, Ag: 0.6%, Ce: 0.2%, Ru: 0.03%,余量为In。取如上成分的合金在420℃在氩气保护的真空感应熔炼炉中石墨坩埚内熔化后，并利用电磁搅拌均匀化10分钟。然后将熔化的液态金属浇铸进泡沫铜内进行重力作用下的渗铸，泡沫铜的密实度控制在28%。将得到的渗铸锭进行冷轧，每道次轧制的压下量为25%。轧制后总厚度为0.05mm。本实施例中，液态金属的熔点为186℃。该热界面材料的导热率为87W/m.K,适于用做180℃条件下散热的热界面材料。

Claims (1)

1.一种泡沫铜复合的液态金属热界面材料，其特征在于由液态金属热界面材料和泡沫铜制成，所述液态金属热界面材料由如下重量百分数的组分组成：Zn：2.0-8.0%, Sb: 1.0-4.0%, Sn: 5.0-12.0%, Ag: 0.3-0.8%, Ce: 0.1-0.2%, Ru: 0.02-0.04%,余量为In；制备方法包括如下步骤：(a)将合金按照所需要的成分配置后，放入氩气保护的感应熔炼炉进行熔炼，采用石墨坩埚；在400-450℃保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，倒入泡沫铜内进行重力作用下的渗铸；(b)将得到的渗铸锭进行冷轧，每道次轧制的压下量为20-30%，轧制后总厚度为0.05mm；所述泡沫铜密实度控制在10-35%。
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