一种低杨氏模量高导热率的热界面材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种低杨氏模量高导热率的热界面材料及其制备方法与应用。其中，上述热界面材料由中间层以及位于中间层两侧表面的骨架结构组成；所述骨架结构为微纳米尺寸的金属或合金骨架结构，并且所述骨架结构内部填充有可固化有机材料和/或可固化无机材料。本发明专利技术还提供了上述材料的制备方法以及采用上述材料对电子器件进行连接的界面连接方法。本发明专利技术提供的热界面材料具有微/纳米金属/合金骨架结构及可固化有机材料/无机材料填充介质。金属/合金骨架结构彼此连通，提供高导热率；可固化有机材料/无机材料填充在金属/合金骨架结构之间，提供弹性和支撑。提供弹性和支撑。提供弹性和支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种低杨氏模量高导热率的热界面材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种低杨氏模量高导热率的热界面材料及其制备方法与应用，属于电子材料制备


技术介绍

[0002]近年来，随着半导体材料及工艺的快速发展，以半导体材料为基础的电子元器件的集成化和小型化程度越来越高，集成模块的体积越来越小，但整体的功率却越来越大，相应地各个元器件的工作温度也大幅度提高。因此，对整体或单个元件的散热需求也在逐年提升，而散热效率不仅与元器件本身有关，与各个界面接触材料的热传导特性也有很大关系。因此热界面材料成为了影响电子产业发展的重要因素之一。
[0003]热界面材料(Thermal interface material)是一种主要应用于增强电子封装和元器件散热的界面材料，主要用于填补两种材料由于接合或接触时产生的微孔隙及表面凹凸不平的孔洞，从而增加整体的导热率。传统的热界面材料主要通过在一些如硅胶、树脂等高分子材料的柔性基体中添加一些具有较好的导热性能的金属材料或陶瓷材料，如氮化硼、碳化硅、铝粉、银粉、石墨粉、金刚石粉末等来形成复合导热材料。该复合材料利用高分子材料的柔软性和润湿性来填补两种材料界面之间的孔隙，利用高导热率的材料来增强整体的导热率。
[0004]随着电子领域的发展，电子元器件的发热量越来越高，传统的热界面材料如导热膏、导热凝胶、焊料等，由于其内部的导热性较高的材料相互之间并不连续，故其导热率(一般＜10W/m
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K)难以满足日益增长的散热需求。因此需要制造一种新的适用于IC等电子封装的具有较高导热率的热界面材料。作为热界面材料还应具有以下性能：对环境及人体无毒性、具有可压缩性、好的连接性、与不同器件表面均有优秀的浸润性、工艺方便、耐高温、冷热循环的稳定性好等。
[0005]目前在电子封装中可实现高导热率的界面连接的方式主要包括：过渡液相扩散技术和纳米颗粒烧结技术等。这些技术可以形成强度比较高，导电导热性能比较好的界面连接层，但其整体接近固态金属，因此杨氏模量较高。而在电子器件的工作过程中会产生较为剧烈的冷热交替变化，由于各部分材料的热膨胀系数(CTE)有较大差异，在界面位置会形成较大的热变形，如果界面材料的杨氏模量较高，就会产生很大的热应力，导致界面发生断裂。因此，为了适应元器件在工作过程中由于高温而产生的热变形应力，该热界面材料应具有较低的杨氏模量。
[0006]导热胶是目前应用最广泛的热界面材料，其主要组成是树脂基体、导热填料、稀释性溶剂、固化剂和添加剂等。其中树脂基体与固化剂发生固化反应，用来填充两种界面由于接合或接触时产生的微孔隙及表面凹凸不平的孔洞。由于树脂基体的热导率较低，为了提高导热胶的热导率通常加入导热填料。常用的导热填料有金属、高导热陶瓷颗粒等。如银、铜、AlN、BN、SiC、Si3N4、金刚石粉末等。近年来随着纳米材料的兴起，碳纳米管以及复合填料导热胶逐渐受到人们的关注，由于尺寸的减小，在不提高导热胶粘度的前提下可以增加填
料含量。目前商用的导热胶热导率一般低于10W/m
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K，文献报道中，通过在环氧树脂中加入质量分数为50％的Al2O3，热导率提高至0.4W/m
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K。通过添加30wt％的BN界面热阻可以降低至1.6K/W。通过添加30vol％Ni热导率可达2.0W/m
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K。通过添加74vol％AlN，热导率做到了8.2W/m
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K。
[0007]添加导热填料的导热胶由于主要成分是有机树脂，因此普遍导热率较低，一般低于10W/m
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K，随着电子电子器件集成密度和功率密度不断增加，导热胶难以满足日益发展的导热率需求，且导热胶的导热率无法进行调控，难以适应不同的需求。
[0008]近几年来，纳米银焊膏低温烧结连接技术最为一种新型技术被应用于功率电子器件封装中，从高可靠性、高导电率和良好的热传导性能等诸多方面体现出了强大的优势。文献报道的在环氧树脂中加入97wt％银，热导率可以达到60W/m
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K。但这种纳米银热界面材料的弹性模量普遍较高，在使用过程中易损伤器件。同时，低杨氏模量的材料更容易压缩，以适应各种芯片高度和粗糙表面。
[0009]具有较高导热率的热界面材料技术具有较高的杨氏模量，无法满足大尺寸界面冷热循环的需求，同时难以适应各种芯片高度和粗糙表面。
[0010]综上所述，目前亟需一种具有较高导热率和较低杨氏模量的可用于IC等电子封装的热界面材料。

技术实现思路

[0011]为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种适用于IC等电子元器件的具有低杨氏模量和较高导热率的热界面材料及其制备方法，用以提高整体封装的散热效率，增加整体使用寿命。
[0012]为达到上述目的，本专利技术提供了一种低杨氏模量高导热率的热界面材料，其中，该热界面材料由中间层以及位于中间层两侧表面的骨架结构组成；
[0013]所述骨架结构为微纳米尺寸的金属或合金骨架结构(可称为：微/纳米金属/合金骨架结构)，并且所述骨架结构内部填充有可固化有机材料和/或可固化无机材料。
[0014]本专利技术提供的热界面材料具有微/纳米金属/合金骨架结构及可固化有机材料/无机材料填充介质。其中，金属/合金骨架结构彼此连通，提供高导热率；可固化有机材料/无机材料填充在金属/合金骨架结构之间，提供弹性和支撑。
[0015]在上述热界面材料中，所采用的中间层是具有较高导热率的材料制成的，优选地，所述中间层的导热率为50-500W/(M
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K)。
[0016]在上述热界面材料中，优选地，所述中间层为金属带、合金带、金属箔、合金箔、PET(聚对苯二甲酸乙二酯)薄膜和PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜中的一种或两种以上的组合；更优选地，所述金属包括铂、铼、钯、铱、铑、锆、铜、铝、钛、镍、银、金、锡和铟中的一种，所述合金包括铂、铼、钯、铱、铑、锆、铜、铝、钛、镍、银、金、锡和铟中的两种以上的金属组成的合金。
[0017]在上述热界面材料中，优选地，所述骨架结构是由微米和/或纳米尺寸的颗粒相互接触或轻度熔融结合而构成的；其中，所述轻度熔融是指初步形成烧结颈。微米和/或纳米尺寸的金属颗粒或合金颗粒彼此相互连接，有初步的烧结特征，形成有骨架的颗粒堆叠结构，如图1的电镜照片所示。更优选地，所述骨架结构整体呈现为疏松的泡沫状结构、棉絮状结构或积雪状结构。
[0018]在上述热界面材料中，优选地，所述骨架结构的材料包括铂、铼、钯、铱、铑、锆、铜、铝、钛、镍、银、金、锡和铟中的一种或者两种以上的金属组成的合金。
[0019]在上述热界面材料中，优选地，所述骨架结构是通过脉冲激光沉积、磁控溅射、离子镀、真空蒸镀、化学气相沉积、电镀、化学湿法或模板法形成的。
[0020]在上述热界面材料中，优选地，所述骨架结构是通过脉冲激光沉积的方式形成的；更优选地，所述脉冲激光沉积的工艺参数包括：靶基距为10mm-20本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低杨氏模量高导热率的热界面材料，其中，该热界面材料由中间层以及位于中间层两侧表面的骨架结构组成；所述骨架结构为微纳米尺寸的金属或合金骨架结构，并且所述骨架结构内部填充有可固化有机材料和/或可固化无机材料。2.根据权利要求1所述的热界面材料，其中，所述中间层的导热率为50-500W/(M
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K)。3.根据权利要求1或2所述的热界面材料，其中，所述中间层的厚度为1-200微米。4.根据权利要求1-3任一项所述的热界面材料，其中，所述中间层为金属带、合金带、金属箔、合金箔、PET薄膜和PDMS薄膜中的一种或两种以上的组合；优选地，所述金属包括铂、铼、钯、铱、铑、锆、铜、铝、钛、镍、银、金、锡和铟中的一种，所述合金包括铂、铼、钯、铱、铑、锆、铜、铝、钛、镍、银、金、锡和铟中的两种以上的金属组成的合金。5.根据权利要求1所述的热界面材料，其中，所述骨架结构是由微米和/或纳米尺寸的颗粒相互接触或轻度熔融结合而构成的；优选地，所述骨架结构整体呈现为疏松的泡沫状结构、棉絮状结构或积雪状结构。6.根据权利要求1或5所述的热界面材料，其中，所述骨架结构的材料包括铂、铼、钯、铱、铑、锆、铜、铝、钛、镍、银、金、锡和铟中的一种或者两种以上的金属组成的合金。7.根据权利要求1、5或6所述的热界面材料，其中，所述骨架结构是通过脉冲激光沉积、磁控溅射、离子镀、真空蒸镀、化学气相沉积、电镀、化学湿法或模板法形成的。8.根据权利要求7所述的热界面材料，其中，所述骨架结构是通过脉冲激光沉积的方式形成的；优选地，所述脉冲激光沉积的工艺参数包括：靶基距为10mm-200mm，优选为25mm-100mm；激光平均功率为0.2W-10kW，优选为20W-1000W；沉积气压为10-3
Pa至10kPa，优选为0.5Pa-2000Pa。9.根据权利要求1所述的热界面材料，其中，所述可固化有机材料的固化方式包括热固化、室温大气条件固化、紫外线固化和压力固化中的一种或两种以上的组合；优选地，所述热固化的温度为20℃-300℃；优选地，所述紫外线固化的波长为200nm-400nm。10.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘磊，任辉，江阳，王文淦，邹贵生，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：