一种复合结构的导热垫片制造技术

本发明专利技术公开了一种复合结构的导热垫片，属于电子组装领域。所述导热垫片的基体表面复合有微量低温金属。所述的导热垫片基体成分为纯金属、金属合金或非金属，具有优良的导热性且熔点高于工作温度。所述的低温金属成分为纯金属或合金，其固相点低于导热垫片的工作温度，含量与界面粗糙度相关。本发明专利技术通过在导热垫片基体表面复合少量低熔点金属，使其在使用温度下发生熔化，利用液态金属的流动性填充空隙，减少导热垫片与器件的接触热阻，同时由于液相量较少，不会对导热垫自身的导热性能造成大的影响。本发明专利技术能降低功率器件的组装热阻，从而提升散热能力。

【技术实现步骤摘要】
一种复合结构的导热垫片
本专利技术涉及电子组装
，尤其涉及一种复合结构的导热垫片。
技术介绍
随着半导体和电子技术的发展，元器件的功率急剧增大，随之伴生的热效应，是器件失效的重要原因。目前常用的组装方式，包括合金焊料焊接，导热硅脂，导热银胶，铟垫片等。合金焊料焊接导热效果好，但是不可拆卸，维修极为不方便；导热硅脂和导热银胶不仅导热系数低，无法应对大功率器件的需求，而且会发生老化，不能保证长期稳定性。铟质地柔软，导热性好，因此常用作导热垫片。当纯铟用作导热垫片时，整体组装热阻包括材料热阻和界面接触热阻两部分，其中后者占80％以上。对于其他金属或非金属导热垫，由于并不具备纯铟的柔软特性，接触热阻更会大幅增加。因此，降低整体热阻的主要方向是降低界面接触热阻，同时兼顾保证导热垫本身的导热性能不恶化。为了达到这一目的，一是需要增强器件与导热垫片的接触效果，减少两者之间的空隙，降低接触热阻；二是要保证导热垫自身的导热性能，最好为纯金属。合金化会大幅降低其导热系数，例如纯铜的导热系数为401W/m*K，而合金化之后的黄铜仅为70-183W/m*K，导热性能降低非常显著。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供了一种复合结构的导热垫片，本专利技术通过在导热垫片表面制备复合结构，在降低界面热阻的同时，保证了导热垫自身的导热能力不受大的影响，从而降低功率器件组装时的整体热阻。本专利技术采用如下技术方案：本专利技术的复合结构的导热垫片的基体表面复合有低温金属，初次使用时，随着升温至工作温度，两个过程同时进行，一是低温金属熔化，填充器件与导热垫的间隙，减少两者接触热阻；二是液态的低温金属与导热垫基体发生融合，液相消失，这一过程是不可逆的，只在第一次工作时在基体表面进行，不影响基体自身的导热性能。所述的导热垫片基体成分为纯金属、金属合金或非金属，具有优良的导热性且熔点高于工作温度。所述的导热垫片基体为In，Ag，Cu，In-3Ag，Sn或石墨片。所述的低温金属成分为纯金属或合金，其固相点低于工作温度。所述的低温金属为In(熔点156℃)、In-50Sn(熔程120-123℃)、Sn(熔点233℃)或In-20Bi(熔程72-115℃)。低温金属层的厚度h与器件的表面粗糙度Ra相关，h＝(2～5)Ra，占导热垫片总厚度的0.1％～8％，优选为1％～5％。所述的低温金属在基体表面是双面、单面或局部。所述的低温金属在基体表面分布是均匀、离散或特定形状。低温金属和基体复合方式是复合轧制，喷涂，电镀或浸镀。工作时过程中当界面温度升高到低温金属固相点时低温金属开始熔化，直至液相点结束。由于液态金属具有远高于固体金属的充型能力，可以迅速有效地填充导热垫片与器件的间隙，减少接触热阻。这一过程同时伴随着低温金属与基体近表面处发生相互扩散，使液相逐步消失，近表面处变为两者混合成分。虽然这一过程是不可逆的，但导热垫与器件之间空隙被填充的形貌得到保留，依然能起到减少界面热阻的作用。这一过程中，低熔点相对基体的表面影响深度Δ可以用以下表达式估算。Δ≈h*(γ1/γ2-1)其中h为低熔点层厚度，与器件表面粗糙度Ra相关，为有效填充器件表面凹凸处，取h＝(1-5)Ra；γ1为低熔点金属特有组分A的含量；γ2为工作温度下液相消失时融合层中A含量。可以看到，在低熔点金属厚度h在微米级时，只要控制好γ1/γ2的取值，影响区也很小。因此可以认为低温金属只与基体近表面处发生扩散融合，而对基体自身的导热性不会产生严重的影响。本专利技术的有益效果如下：本专利技术通过液态金属辅助润湿和填充空隙，有效降低功率器件组装时的界面接触热阻和整体热阻；低温金属仅与基体近表面处发生固溶，对基体自身的导热性能影响可以忽略；液相量少，可以在压力下使用，工作时液相不会因受压而被挤出，使用方便；长期工作的稳定性好，可靠性高；由于导热垫与器件仅发生物理接触而未发生界面反应，因而拆卸维护极为方便。本专利技术的复合结构的导热垫片能够提高功率器件散热能力。附图说明图1是典型功率器件微波射频管的组装示意图；1微波射频管、2导热垫片、3基板。图2是固体界面接触示意图；4固体、5接触空隙。图3是本专利技术所述导热垫片的典型结构；7导热垫片的基体、6和8表面低熔点金属层。图4是导热垫片使用时低温金属与基体近表面处成分扩散示意图；6表面低熔点金属层、7导热垫片的基体。图5是导热垫片近表面处成分变化趋势图；9基体元素的含量百分比、10低熔点金属元素的含量百分比。图6是导热垫片DSC测试图；11为100℃循环、12为120℃循环、13为140℃循环、14吸热峰。图7是导热垫片形状示意图一；15是导热垫基体，16是规则分布的低温金属。图8是导热垫片形状示意图二。17是规则分布的低温金属，18是导热垫基体。图9是导热垫片工作中的转变示意图20是基体，19、21是表面融合层。具体实施方式下面的实施例是对本专利技术的进一步详细描述。实施例1器件表面粗糙度Ra＝0.8，工作温度160℃。所用导热片基体为纯Sn，熔点223℃，厚度H＝0.2mm，表面低熔点金属为双面In-50Sn(γ1＝50％)合金，熔程为120-123℃，厚度h＝3Ra＝2.4μm，占总厚度的2.3％。制作方法为按InSn-Sn-InSn的顺序叠放，厚度分别为0.024mm,2.0mm，0.024mm。然后复合轧制至总厚度为0.205mm，裁切得到导热垫片。工作时，升温至120℃时In-50Sn开始出现液相，至123℃完全熔化。在此过程中伴随着液态金属填充空隙和液态金属与固态基体Sn的相互扩散。扩散的进行使融合区的In含量不断降低，相应的固相线不断升高至工作温度(由InSn相图160℃时γ2＝16％)，液相消失。Δ≈h*(γ1/γ2-1)＝5.1μm。融合区占导热垫的总厚度α≈(2Δ+2h)/(2h+H)＝7.3％。对基体的导热性不会造成大的影响。整体热阻实测为0.108℃*cm2/W，对照样0.2mm厚的Sn片为0.867℃*cm2/W，降低了88％。实施例2器件表面粗超度Ra＝1.2，工作温度120℃。所用导热片基体为纯In，熔点156℃，厚度H＝0.25mm,表面低熔点金属为双面In-20Bi(γ1＝20％)合金，熔程为72-115℃，厚度h＝2.5Ra＝3μm，占总厚度的2.3％。制作方法为按InBi-In-InBi的顺序叠放，厚度分别为0.03mm，2.5mm，0.03mm。进行复合轧制至总厚度为0.256mm，然后裁切得到导热垫片。工作时，升温到72℃时In-20Bi开始出现液相，至115℃完全熔化。在此过程中伴随着液态金属填充空隙和液态金属与固态基体In的相互扩散。扩散的进行使液相中Bi的含量不断降低，相应的固相线不断升高，液相减少，直至固相线升高至工作温度(由InBi相图120℃时γ2＝4％)，液相完全消失。Δ≈h*(γ1/γ2-1)＝12μm。融合区占导热垫的总厚度α≈(Δ+h)/(h+H)＝9.7％。对基体的导热性不会造成大的影响。整体热阻实测为0.098℃*cm2/W，对照样0.15mm厚的In片为0.367℃*cm2/W，降低了73％。实施例3器件表面粗糙度为Ra＝1.0，工作温度200℃，导热片基体为纯Ag，熔点962℃，厚度H＝0.2mm，表面低熔本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合结构的导热垫片，其特征在于：所述导热垫片的基体表面复合有低温金属，初次使用时，随着升温至工作温度，两个过程同时进行，一是低温金属熔化，填充器件与导热垫的间隙，减少两者接触热阻；二是液态的低温金属与导热垫基体发生融合，液相消失，这一过程是不可逆的，只在第一次工作时在基体表面进行，不影响基体自身的导热性能。

【技术特征摘要】
1.一种复合结构的导热垫片，其特征在于：所述导热垫片的基体表面复合有低温金属，初次使用时，随着升温至工作温度，两个过程同时进行，一是低温金属熔化，填充器件与导热垫的间隙，减少两者接触热阻；二是液态的低温金属与导热垫基体发生融合，液相消失，这一过程是不可逆的，只在第一次工作时在基体表面进行，不影响基体自身的导热性能；低温金属层的厚度h在微米级，低温金属层的厚度h与器件的表面粗糙度Ra相关，h＝(2～5)Ra，占导热垫片总厚度的0.1％～8％。2.如权利要求1所述的复合结构的导热垫片，其特征在于：所述的导热垫片基体成分为纯金属、金属合金或非金属，具有优良的导热性且熔点高于工作温度。3.如权利要求1所述的复合结构的导热垫片，其特征在于：所述的导热垫片基体...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡鸿，蔡航伟，杜昆，蔡烈松，陈明汉，
申请(专利权)人：广州汉源新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44