一種具有反熔特性的液態金屬熱界面材料及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種具有反熔特性的液態金屬熱界面材料及其制備方法，其特征在于，以重量百分比計包含20?40wt%的銦、0?6wt%的鉍、0?2wt%的銻、0?3wt%的鋅、0?0.6wt%的銀、0?0.3wt%的鎳、0?0.8wt%的鈰、0?0.6wt%的銪、和余量的錫。其在絕緣柵雙極型晶體管IGBT工作環境下具有優良的導熱性能和化學穩定性，非常適用于大規模工業生產和實際應用中的IGBT器件。

Liquid metal thermal interface material with reverse melting property and preparation method thereof

The invention discloses an anti melting character of liquid metal thermal interface material and a preparation method thereof, which is characterized in that the weight percentage contains 20 40wt% 0 6wt% indium, bismuth, antimony, 0 2wt% 0 3wt% 0 0.6wt% zinc, silver, 0 0.3wt% 0 Ni, 0.8wt%, 0.6wt% 0 cerium europium, and residual tin. The utility model has excellent thermal conductivity and chemical stability under the working environment of an insulated gate bipolar transistor IGBT, and is very suitable for large-scale industrial production and IGBT devices in practical applications.

【技術實現步驟摘要】
一種具有反熔特性的液態金屬熱界面材料及其制備方法
本專利技術涉及一種具有反熔特性的液態金屬熱界面材料及其制備方法，具體的涉及一種用于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）系統的液態金屬熱界面材料及其制備方法。
技術介紹
眾所周知，IGBT器件以其輸入阻值高、開關速度快、通態電壓低、阻斷電壓高、承受電流大等特點，已成為當今功率半導體器件發展的主流器件，廣泛應用到各種交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域功率電子電路中。但是當IGBT器件工作時，產生的熱量會使芯片溫度迅速上升超過最大允許IGBT結溫。由此會使得IGBT的性能將大大降低，而不能穩定工作，導致性能下降或失效。近年來由于IGBT技術的進一步發展，相關的極端環境下的高效散熱技術已經成為熱管理工程師和科學家都渴望解決的關鍵技術問題。完整的IGBT模塊包括IGBT器件、散熱器、熱風扇以及導熱介質四部分組成，其中IGBT器件本身和導熱介質對散熱性能起決定性作用。發熱體和散熱體之間的接觸面有微觀上的孔洞，中間充滿了空氣。因為空氣是不良熱導體，發熱體和散熱器之間的熱界面電阻非常大，嚴重阻礙了熱傳導，最終導致低散熱效率。具有高導熱系數的熱界面材料可以填充這些微觀上的空隙，有助于建立有效的熱傳導通道，從而大大降低熱界面電阻。因而一直期待開發具有高傳熱性能的熱界面材料。專利文獻1中公開了納米銀焊膏作為高傳熱性能的熱界面材料，用于解決壓接式IGBT模塊出現的熱阻值大、溫升快從而導致模塊的電性能不穩定問題。但是必須看到該專利文獻中的納米銀焊膏仍然處于正常熔化行為的合金材料。當用于熱界面材料填充發熱體和散熱體之間的空隙時，仍然屬于在固態下工作的熱界面材料，并不具備使用溫度下處于固-液狀態且具備反熔特性的液態金屬熱界面材料。專利文獻2中公開了一種聚多巴胺功能修飾的高導熱硅橡膠熱界面材料，從而解決LED做成品后熱導率偏低，即使使用硅烷偶聯劑進行表面處理，也不能保證100%填料表面被包覆的問題。但是必須看到該熱界面材料仍然是由有機物制備而成，相對于金屬的高導熱系數來說，專利文獻2提供的只是具備比較低散熱系數的熱界面材料。在使用溫度下并不會發生熔化，更不具備反熔特性來更為有效的填充發熱體和散熱體之間的空隙?，F有技術文獻：專利文獻1：CN106373954A號公報，專利文獻2：CN106317887A號公報。
技術實現思路
隨著電子技術的快速發展，電子芯片產生的大量熱量成為熱管理領域一個嚴重的問題，特別是對于IGBT系統。目前硅脂常被用來填補熱源和散熱器之間的空隙，但是其熱導率很低，通常小于3W／m·K，嚴重阻礙了在電子散熱領域的大規模應用。作為一種新型的高效散熱材料(熱導率約40-85w／m·K)，液態金屬已經被認為是極端環境下IGBT器件熱管理的一個終極有效方案。另人遺憾的是，傳統的液態金屬在其熔點附近的溫度作為熱界面材料使用時容易發生側向泄漏，會導致電子芯片短路。理想的熱界面材料應具備如下的物理和化學特性：（1）高導熱系數來保證有效散熱；（2）良好的流動性來有效填補熱發熱體和散熱體之間的微小間隙；（3）在低壓力安裝獨特的靈活性。硅脂是傳統上用于電子器件的熱傳導的熱界面材料，但是傳熱系數很低(~1-2W/m·k)。而且，經過長時間的服役后，由于有機成分的蒸發和氧化，硅脂會變脆和老化。相比而言，近年來出現的液態金屬除了具有極高的導熱性能外，還由于極低的蒸汽壓和抗氧化性，在散熱領域處于金字塔的頂端，特別適用于高密度大功率電子元器件。液態金屬是一種低熔點合金，在其熔點附近具有高的熱導率（~20-85W／m·K）?；谑褂脳l件下所處的物態，液態金屬可分為三類：（1）純液狀液態金屬，熔點可以降低到約2℃左右。這類液態金屬可以在電磁泵驅動下用作散熱管中的冷卻介質來提高散熱效率。（2）膏狀液態金屬，由于熔點高達50℃可以在很寬的溫度范圍內保持固-液狀態。這種類型的液態金屬可作為硅膠替代熱界面材料。（3）箔狀液態金屬，用作熱界面材料時熔點可在60-180°C。這三種液態金屬是無毒的，具有穩定的物理/化學性質，適合在極端條件下的長期應用。特別是，箔狀液態金屬由于其靈活的安裝特性可以預計在生產線上得到最大規模的應用。眾所周知，箔狀液態金屬在其熔點附近表現出固-液狀態。在這種狀態下，箔狀液態金屬表現出獨特而有效的間隙填充能力。對于正常的箔狀液態金屬而言，處于固-液兩相態的液相分數隨溫度的增加而增加。圖1是一個常見的箔狀液態金屬在加熱時液相和固相隨著溫度變化的示意圖。合金的熔化溫度范圍是：T1溫度時合金開始融化和T2溫度時合金熔化結束。因此ΔT=T2-T1的溫度范圍內該合金保持在固-液混合狀態，表明該合金正在熔化。T*是溫度最高的液體相可以被允許作為熱界面材料的溫度。因此，在圖1中標記的陰影區域（ΔT=T*-T1），這種材料可以作為熱界面材料。當溫度進一步增大，液相迅速增加，側漏的液態金屬熱界面材料會導致電路板短路。其根本原因是增加的液相分數大大提高了固-液混合物的流動性。圖1箔狀液態金屬正常熔化狀態下的相分數隨著溫度的變化示意圖(該體系只包括液相和α相)。本專利技術人通過長期研究，發現了一種克服液態金屬在熔化過程中由于液相含量增加而引起的側漏的有效方法，從而設計一種新型的液態金屬，該材料具有反熔化特性。為了便于說明該材料的反熔特性，以圖2中的示意圖為例子來闡述。該體系中包括三相，即液態、α和β相。該圖中合金在T1和T'之間的熔化行為和圖1中的一致。但是，當溫度升高繼續熔化后，液相的分數隨著溫度的升高下降的很劇烈，同時伴隨著α和β相分數的升高。一般地，反熔行為定義為如同圖2中T'和T*溫度區間的熔化行為，即液相隨著溫度的升高急劇降低。一旦溫度超過圖2中的T*，液相的分數隨著溫度的升高急劇上升，直到合金完全熔化。除此之外，在T'和T*溫度之間降低的液相也能減小液態金屬的流動性，這個特點對于作為熱界面材料尤其重要。圖2中陰影區域是該材料適合作為熱界面材料的溫度區間。明顯地，具有反熔特性的箔狀液態金屬熱界面材料相對于普通的箔狀液態金屬可以具有更大的工作溫度區間。圖2，箔狀液態金屬反常熔化狀態下的相分數隨著溫度的變化示意圖(該體系包括液相，α相和β相)。合金的熔化和相含量同合金的熱力學性能密切相關。因此，理論上可以結合相圖來設計具有反熔行為的箔狀液態金屬。一般來說，c元體系的相圖是c維，由單相區，兩相區，三相區，…,c相區構成。通過新穎的料設計技術，可以找到合適的合金成分，使得作為液態金屬使用時具有反熔行為，如圖2所示。也就是說，在固-液狀態下的箔狀液體金屬的流動性，可以定制來防止液態金屬側漏，并可以最大限度地提高熱傳導率。此外，這種設計方法可以為IGBT系統提供使用溫度范圍為60-180℃的具有反熔特性的箔狀液態金屬?；谝陨系男路f的材料設計技術，本專利技術提出了用于IGBT散熱的具有反熔特性的液態金屬熱界面材料。適合使用的IGBT散熱體系的工作溫度從60到180℃。具有反熔特性的液態金屬熱界面材料由合金熔煉，鑄造，熱處理和冷軋工藝組成。即，本專利技術包含以下專利技術。（1）一種具有反熔特性的液態金屬熱界面材料，其特征在于，以重量百分比計包含20-40wt%的銦、0-6wt%的鉍、0-2wt%的銻、0-3w本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種具有反熔特性的液態金屬熱界面材料，其特征在于，以重量百分比計包含20?40wt%的銦、0?6wt%的鉍、0?2wt%的銻、0?3wt%的鋅、0?0.6wt%的銀、0?0.3wt%的鎳、0?0.8wt%的鈰、0?0.6wt%的銪、和余量的錫。

【技術特征摘要】
1.一種具有反熔特性的液態金屬熱界面材料，其特征在于，以重量百分比計包含20-40wt%的銦、0-6wt%的鉍、0-2wt%的銻、0-3wt%的鋅、0-0.6wt%的銀、0-0.3wt%的鎳、0-0.8wt%的鈰、0-0.6wt%的銪、和余量的錫。2.根據權利要求1所述的液態金屬熱界面材料，其特征在于以重量百分比計包含22wt%的銦、1.4wt%的鉍、0.3wt%的銻、1.6wt%的鋅、0.05wt%的銀、0.02wt%的鎳、0.02wt%的鈰、0.01wt%的銪、和余量的錫。3.根據權利要求1所述的液態金屬熱界面材料，其特征在于以重量百分比計包含28wt%的銦、1.9wt%的鉍、0.4wt%的銻、1.8wt%的鋅、0.03wt%的銀、0.01wt%的鎳、0.01wt%的鈰、0.02wt%的銪、和余量的錫。4.根據權利要求1所述的液態金屬熱界面材料，其特征在于以...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉亞軍，曹賀全，曹帥，郭強，吳智鑫，
申請(專利權)人：寧波新瑞清科金屬材料有限公司，
類型：發明
國別省市：浙江,33