專利名稱：：低熔點合金熱界面材料及其應(yīng)用的散熱模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明是關(guān)于一種低熔點合金箔片，以及一種利用此低熔點合金箔片作為熱界面材料的散熱模塊。
背景技術(shù)：
：構(gòu)裝微電子元件，例如高亮度發(fā)光二極管和中央處理器等，因為發(fā)展朝向高功率、高速化和/或小型化等趨勢，微電子元件產(chǎn)生的高熱流量必須移除，使其接面溫度維持低于其安全操作溫度。微電子元件的接面溫度一旦超過安全操作溫度時，將劣化微電子元件的性能，或者損壞微電子元件，嚴(yán)重的影響電子元件的使用壽命及可靠度。伴隨著微電子及電子元件的散熱需求，刺激了散熱元件、材料等電子散熱產(chǎn)品的多樣化與技術(shù)創(chuàng)新。電子散熱產(chǎn)品主要有散熱裝置，例如冷板、散熱器及風(fēng)扇等，以及熱界面材料(ThermalInterfaceMaterials,TIM)兩種類別。由前述散熱裝置及熱界面材料組合而成的散熱模塊示意圖如圖1A所示，此散熱模塊10包括一散熱器11及一熱界面材料14。圖1A中更顯示了一散熱系統(tǒng)，此散熱系統(tǒng)包括上述的散熱模塊10、一構(gòu)裝微電子元件12及一電路板13。其中，構(gòu)裝微電子元件12設(shè)置于電路板13上，散熱器11設(shè)置于構(gòu)裝微電子元件12上方，熱界面材料14設(shè)置于構(gòu)裝微電子元件12與散熱器11之間。詳細(xì)地說，熱界面材料14的兩側(cè)面分別接觸于散熱器11的下表面以及構(gòu)裝微電子元件12的上表面。熱界面材料14是使用于構(gòu)裝微電子結(jié)構(gòu)外部與散熱器的第二階界面，其利用自身可流動或預(yù)熱熔融的特性填補前述元件間界面的微孔隙，借此減少微電子熱量傳遞至散熱元件或至散熱器的熱阻，以提高微電子散熱性能。熱界面材料的性能指標(biāo)主要有熱傳導(dǎo)率與熱阻抗，熱傳導(dǎo)率指熱量在材料內(nèi)部熱傳導(dǎo)的能力，熱阻抗指跨越不同材料界面的熱傳導(dǎo)的效益。一般來說，熱界面材料的熱傳導(dǎo)率愈高、界面接合厚度(bondlinethickness)越小，則熱界面材料的熱阻抗愈低。構(gòu)裝微電子與散熱器的第二階熱界面材料包含散熱膏(thermalgrease)和相變化材料(phasechangematerial)等高分子化合物，以及低熔點合金(lowmeltingalloy)。其中在室溫為固態(tài)、界面上受熱可以熔融的低熔點合金，借由熔解潛熱以吸收大量熱能的特性，已被證實具有較高分子化合物更好的散熱性能，而可以更有效地將構(gòu)裝微電子的熱傳導(dǎo)至微電子外部環(huán)境。利用低熔點合金作為熱界面材料的想法首見于美國專利第4，384，610，"SimpleThermalJoint"，1983，后續(xù)的低熔點合金應(yīng)用于熱界面材料的相關(guān)專利，如美國專利第6,2S1，573B1號和第6,343，647B2號所揭露。然而，熔融的低熔點合金熱界面材料的液相如自熱界面溢出，可能使得構(gòu)裝微電子元件及其電路板短路，因此實際應(yīng)用上不如高分子熱界面材料普遍。目前對應(yīng)熔融液相自界面溢漏的方法，主要在低熔點合金界面材料的外圍安裝一環(huán)形墊片，亦或是所謂預(yù)燒的方式。其中，環(huán)形體受到許多因素導(dǎo)致環(huán)形體的阻漏作用失效，例如熔融的液相盛滿環(huán)形體內(nèi)的有限空間后溢出，或環(huán)形體的箝壓力量不均，使得環(huán)形體未緊貼接合界面，而造成溢出。針對前述問題，應(yīng)用于構(gòu)裝微電子第二階的金屬熱界面材料在散熱器扣具的壓力下熔解時，壓擠作用使得熔融液相往自由空間流動，通常是金屬熱界面材料的外圍，并使所述的低熔點金屬的界面接合厚度減??；熔融液相除了填滿界面間的孔隙之外，其他的多余液相自然往流動阻力較低的金屬熱界面材料外圍區(qū)域流動。低熔點合金熱界面材料的原始厚度越厚，則往外圍區(qū)域流動的多余液相越多，形成的珠狀液滴越大，重力促使珠狀液滴自界面溢漏的可能性越高。此外，熱熔液滴與周邊材料的表面吸附力也會影響液相的流動，例如低熔點合金液相與銅和鋁的不同介面反應(yīng)，使得液相較不容易于銅界面上溢漏。又不同的使用環(huán)境，可能使得重力的影響更加顯著，例如圖1B所示，有些散熱模塊的設(shè)置位置為立放，也就是轉(zhuǎn)90度后置放(如計算機主機的CPU散熱模塊)，此時如熱熔液滴的重力大于金屬液滴與周邊材料的吸附力時，熱熔液滴便會向下泄漏。為了適應(yīng)微電子元件的日趨嚴(yán)苛散熱需求，以及有效解決低熔點合金熱界面材料的液相溢漏問題，一種兼具高散熱與高阻漏特性的低熔點合金箔片的熱界面材料以及使用所述的低熔點合金箔片的散熱模塊被開發(fā)出來。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一目的在于防止低熔點合金熱界面材料受熱液化后的液滴泄漏。本發(fā)明的另一目的在于利用厚度不大于0.04mm的低熔點合金箔片作為散熱模塊的熱界面材料，使得散熱模塊具有極佳的散熱效果，以及防止熔融低熔點合金熱界面材料的液相溢漏出熱界面。本發(fā)明提供一種兼具有低熱阻抗特性以及抑制熱熔金屬液相溢漏的低熔點合金熱界面材料，由必要的銦(In)以及鉍(Bi)、錫(Sn)、和鋅(Zn)等元素的部份或全部組合而成。此低熔點合金熱界面材料熔解溫度介于55。C至85°C之間，且其厚度不大于0.04mm。其中，所述的低熔點合金熱界面材料的較佳厚度范圍介于0.015mm至0.03mm之間。本發(fā)明提供一種電子元件的散熱模塊，包括一散熱器、一低熔點合金箔片及一環(huán)形體。其中，電子元件設(shè)置于一電路板上，且彼此電路相連接，散熱器設(shè)置于電子元件上方。低熔點合金箔片設(shè)置于電子元件與散熱器之間，且作為電子元件與散熱器間的熱界面材料。環(huán)形體設(shè)置于電子元件與散熱器之間，且環(huán)繞于低熔點合金箔片的周緣。環(huán)形體的功能主要有維持界面接合厚度、延緩低熔點合金箔片熔融后的氧化速率，以及可強化低熔點合金熱熔液滴自電子元件與散熱器之間的阻漏。本發(fā)明另提供一種電子元件的散熱模塊，包括一散熱器和一低熔點合金箔片。借由低熔點合金箔片的厚度不大于0.04mm，使低熔點合金箔片熔融后的液相適量化，前述的液相除填補界面微孔隙之外，其余的液相質(zhì)量極少化,以抑制其流動性，使不容易產(chǎn)生泄漏情形。關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點與精神，以及更詳細(xì)的實施方式可以借由以下的實施方式以及附圖得到進(jìn)一步的了解。圖1A為現(xiàn)有散熱模塊的示意圖1B為現(xiàn)有散熱模塊設(shè)置型態(tài)的示意圖2A為本發(fā)明散熱模塊的一實施例的示意圖2B為本發(fā)明一實施例的低熔點合金箔片示意圖3為重量組成In-Bi32.5-Sn16.5合金箔片的熱阻抗與其厚度的關(guān)系曲線；圖4A至圖7B為不同厚度的箔片在Al/Ni界面、7(TC持溫的溢流圖；圖8為厚度0.03mm箔片在Cu/Ni界面、70。C持溫100小時的外觀圖；圖9為本發(fā)明散熱模塊的另一實施例的剖面示意圖；圖10A為本發(fā)明低熔點合金箔片與環(huán)形體的設(shè)置型態(tài)的一實施例的示意圖；以及圖10B為本發(fā)明低熔點合金箔片與環(huán)形體的設(shè)置型態(tài)的另一實施例的示意圖。附圖標(biāo)號10、20、30:散熱模塊11、21、31:散熱器12:構(gòu)裝微電子元件22、32:電子元件13、23、33:電路板14:熱界面材料24、34:低熔點合金箔片35:環(huán)形體36:逃氣孔具體實施例方式關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點與精神，以及更詳細(xì)的實施方式可以借由以下的實施方式以及附圖得到進(jìn)一步的了解。請參照圖2A，該圖為本發(fā)明散熱模塊的一實施例的示意圖。本發(fā)明的散熱模塊20，可使一電子元件22運作時所產(chǎn)生的熱能快速傳導(dǎo)至外界環(huán)境，散熱模塊20包括一散熱器21及一低熔點合金箔片24。如圖所示，散熱器21設(shè)置于電子元件22上方，低熔點合金箔片24設(shè)置于電子元件22與散熱器21之間，且作為電子元件22與散熱器21間的熱界面材料。另外，電子元件22設(shè)置于一電路板23上，且彼此電路相連接。詳細(xì)地說，低熔點合金箔片24的兩側(cè)面分別接觸于散熱器21的下表面以及電子元件22的上表面。請參照圖2B，該圖為本發(fā)明一實施例的低熔點合金箔片示意圖。在另一實施例中，為了更加有效地防止低熔點合金箔片24的熱熔液流動而泄漏至電路板23上，除了使用厚度較小的低熔點合金箔片24之外，更可以使用面積較小的低熔點合金箔片24至本發(fā)明的散熱模塊，也是個可防止泄漏的方法。為厘清不同厚度的低熔點合金箔片熔融后的厚度變化，以及熱阻抗數(shù)值的影響。制作熔點6(TC、重量組成In-Bi32.5-Sn16.5的合金箔片，箔片長、寬均為31mm，厚度分別為0.1mm、0.075mm、0.05mm、0.03mm和0,015mm。前述不等厚度的In-Bi32.5-Sn16.5合金箔片于一改良自ASTMD5470規(guī)范的熱阻抗測試設(shè)備進(jìn)行熱阻抗量測，測試條件分別為48瓦與3.1kg/cm2的壓力。測試后發(fā)現(xiàn)除了厚度0.03mm和0.015mm的箔片邊緣未熔出珠狀液滴外，其余厚度的箔片均溢出珠狀液滴，而且珠狀液滴的尺寸與數(shù)量隨原箔片的厚度增加而增加。圖3是不同厚度In-Bi32.5-Sn16.5合金箔片的熱阻抗數(shù)值曲線，不同厚度的合金箔片的熱阻抗數(shù)值隨著厚度的遞減而降低，直到厚度0.015mm的箔片測試數(shù)值出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，其中厚度0.015mm箔片的熱阻抗數(shù)值略高于厚度0.03mm箔片的數(shù)值。前述熱阻抗數(shù)值的轉(zhuǎn)折原因似乎與厚度0.015mm箔片的熔解液相不足以填補界面微孔隙有關(guān)。不同厚度箔片測試前、后的厚度變化呈現(xiàn)一明顯趨勢，測試前合金箔片的厚度越大，測試后的厚度變化量越大；此外，除了0.015mm箔片測試前、后的厚度幾乎無明顯變化，測試前其他不同厚度的箔片，包含0.03mm厚度的箔片，于測試后的厚度均介于0.02mm至0.03mm之間。前述In-Bi32.5-Sn16.5合金、厚度0.07mm、0.05mm、0.04mm以及0.03mm的箔片分別置放于鋁塊材(A1)、鍍鎳塊材(Ni)之間，以及銅塊材(Cu)、銅塊材之間(Cu)，立式放置并加熱至7(TC維持100小時，然后降溫至室溫，拆解前述的塊材，檢視前述合金箔片熱融液相的流動情形。圖4A至圖7B分別是厚度0.07、0.05、0.04和0.03mm厚度的箔片在Al/Ni界面70"C持溫的溢流圖片。比較各圖后顯示，厚度0.03mm的箔片維持原來矩形外觀，其余厚度的箔片均因液相流動而改變其形狀。而前述不等厚度的合金箔片在Cu/Cu界面的流動結(jié)果，厚度0.03、0.04mm的箔片維持原來矩形外觀，其余厚度的箔片均因液相流動而改變其形狀。圖8是厚度0.03mm箔片在Cu/Ni界面、7(TC持溫100小時的外觀，同樣無溢漏，其中熱熔液相與Cu塊形成界面反應(yīng)，在拆解Cu塊時撕裂箔片。此夕卜，In-Bi32.5-Sn16.5合金、厚度0.02mm至0.13mm不等的箔片分別置放于熱阻測試基臺上，箝壓箔片的散熱器底板為鋁合金，提供一固定加熱功率使測試載臺升溫至70°C，促使箔片熔解，然后降溫并檢查箔片的厚度與重量變化，表一是測試前、后的相關(guān)數(shù)據(jù)。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表一不同厚度的箔片在Cu/Al載臺加熱70'C后的厚度變化由以上測試結(jié)果得知，低熔點合金箔片的厚度愈薄，則箔片的熱熔液相流動愈不易發(fā)生；此外，周邊材料的組成會影響熔解液相的流動。并且，無論測試的載臺的設(shè)置位置為平放或立放(轉(zhuǎn)90度設(shè)置)，在低熔點合金箔片的厚度低于一臨界厚度時，熱熔液相的流動不易發(fā)生。以上結(jié)果顯示熱熔液相與周邊材料的吸附力會大于其促使其流動的力量來源，例如重力或箝壓力量。經(jīng)由前述實驗結(jié)果，前述低熔點合金箔片的臨界厚度應(yīng)不大于0.04mm?；谇笆龅臏y試結(jié)果，當(dāng)本發(fā)明的低熔點合金箔片24的厚度接近臨界厚度時，低熔點合金箔片24的熱熔液相便相當(dāng)不易流動，進(jìn)而不易產(chǎn)生泄漏的情形。因此，在本實施例的散熱模塊20中，低熔點合金箔片24的厚度t不大于0.04mm，且在較佳實施例中厚度介于0.015mm至0.03mm之間。值得注意的是，本發(fā)明的低熔點合金箔片24為一種合金，其主要組成元素可為In-Bi-Sn、In-Bi-Sn-Zn或In-B。此外，前述主要組成合金更可包括至少一種非毒害環(huán)境元素，例如銀、銅、鈦、鍺、鋁、鈰、鑭或硅等元素。并且，低熔點合金箔片24可依上述組成元素的不同而有55匸至85'C不等熔點變化。請參照表二，該表為不同組成合金及其熔點，主要是用來說明本發(fā)明的實施方式，而不是用來限制其中的組成含量。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表二不同組成合金及其熔點在電子元件22運作的過程中，電子元件22有時會產(chǎn)生較高的熱而使得低熔點合金箔片24受熱熔融。一般來說，低熔點合金箔片24的熔點約在電子元件22的工作溫度附近。也就是說，使用上是依照不同電子元件22的工作溫度來選用不同熔點的低熔點合金箔片24。借此，當(dāng)電子元件22產(chǎn)生較高的工作溫度時，低熔點合金箔片24便會受熱而熔融。請參照圖9，該圖為本發(fā)明散熱模塊的另一實施例的剖面示意圖。如圖所示，本實施例的散熱模塊30，亦可使一電子元件32運作時所產(chǎn)生的熱能快速傳導(dǎo)至外界環(huán)境，散熱模塊30包括一散熱器31、一低熔點合金箔片34及一環(huán)形體35。其中，環(huán)形體35的作用主要有維持界面接合厚度、延緩低熔點合金箔片34熱熔氧化的速率，使低熔點合金箔片34的散熱效能不致因過度氧化而劣化，此外，也可用來強化低熔點合金箔片34熱熔液相的阻漏。電子元件32設(shè)置于一電路板33上，散熱器31設(shè)置于電子元件32上方。低熔點合金箔片34設(shè)置于電子元件32與散熱器31之間，且作為電子元件32與散熱器31間的熱界面材料。詳細(xì)地說，低熔點合金箔片34的兩側(cè)面分別接觸于散熱器31的下表面以及電子元件32的上表面。本發(fā)明低熔點合金箔片34與環(huán)形體35的設(shè)置型態(tài)如圖10A所示。環(huán)形體35設(shè)置于電子元件32與散熱器31之間，且環(huán)繞于低熔點合金箔片34的周緣。其中，環(huán)形體35可與低熔點合金箔片34的周緣接觸，或者亦可與低熔點合金箔片34的周緣具有些微空隙。借由環(huán)形體35的設(shè)計可使低熔點合金箔片34受熱熔融液化時，熱熔液相更不易自電子元件32與散熱器31之間泄漏出去。本實施例亦可結(jié)合上一實施例，也就是將低熔點合金箔片34的厚度降至0.04mm以下，而達(dá)到更佳的阻漏效果。值得注意的是，由于低熔點合金箔片34的兩側(cè)面必須分別接觸于散熱器31的下表面以及電子元件32的上表面，才能有效散熱。所以，在本實施例中，散熱器31壓合至低熔點合金箔片34上表面時，亦同時接觸到環(huán)形體35的上表面，也就是說，此時熔點合金箔片34與環(huán)形體35具有相同的厚度。另外，環(huán)形體35的厚度略小于低熔點合金箔片34的厚度時，環(huán)形體35亦具有不錯的阻漏效果。在環(huán)形體35選用方面，環(huán)形體35可為粘彈性墊片、散熱膏(thermalgrease)或相變化散熱貼片(phasechangethermalpad)等兼具散熱性質(zhì)且可受力而變形的材料所構(gòu)成。另外，如圖10B所示，在一較佳實施例中，環(huán)形體35具有復(fù)數(shù)個逃氣孔36，借此，低熔點合金箔片34熔融液化后所形成的氣泡可借由逃氣孔36逸出。值得注意的是，本發(fā)明的技術(shù)特征應(yīng)用于電子元件的散熱模塊，除了可應(yīng)用于諸如計算機、游戲機等中央處理器和繪圖處理器等微電子元件的散熱模塊外，更可以應(yīng)用到任何具有發(fā)熱元件的散熱模塊。也就是說，上述各實施例中的電子元件可以是構(gòu)裝微電子元件，或者任何一種發(fā)熱元件，例如用來設(shè)置LED燈的金屬芯基板(MetalCorePCB，MCPCB)。綜上所述，本發(fā)明的散熱模塊具有下列優(yōu)點一、環(huán)形體的功能主要有維持接面接合厚度、延緩熔融的低熔點合金箔片氧化，另外兼具有強化熱溶液滴的阻漏效果。二、厚度不大于0.04mm的低熔點合金箔片應(yīng)用至散熱模塊時，可抑制低熔點合金箔片受熱熔融的流動性，而減少液滴泄漏的問題。三、厚度不大于0.04mm的低熔點合金箔片具有極小的熱阻抗(R)，因此應(yīng)用至散熱模塊時，可發(fā)揮極佳的散熱效果。本發(fā)明雖以較佳實例闡明如上，然其并非用以限定本發(fā)明精神與發(fā)明實體。對熟悉此項技術(shù)者，可輕易了解并利用其它元件或方式來產(chǎn)生相同的功效。因此，在不脫離本發(fā)明的精神與范圍內(nèi)所作的修改，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求范圍內(nèi)。權(quán)利要求1.一種兼具有低熱阻抗特性以及抑制熱熔金屬液相溢漏的低熔點合金熱界面材料，其特征在于，所述的低熔點合金熱界面材料由必要的銦以及鉍、錫、和鋅等元素的部份或全部組合而成，且熔解溫度介于55℃至85℃之間，所述的低熔點合金熱界面材料的改良在于厚度不大于0.04mm。2.如權(quán)利要求1所述的低熔點合金熱界面材料，其中所述的低熔點合金熱界面材料的較佳厚度范圍介于0.015mm至0.03mm之間。3.—種散熱模塊，可使一電子元件運作時所產(chǎn)生的熱能快速傳導(dǎo)至外界環(huán)境，其特征在于，所述的散熱模塊包括-一散熱器，設(shè)置于所述的電子元件上方；以及一厚度不大于0.04mm的低熔點合金箔片，設(shè)置于所述的電子元件與所述的散熱器之間，且作為所述的電子元件與所述的散熱器間的熱界面材料。4.如權(quán)利要求3所述的散熱模塊，其中所述的低熔點合金箔片的較佳厚度范圍介于0.015mm至0.03mm之間。5.如權(quán)利要求3所述的散熱模塊，其中所述的低熔點合金箔片的組成由必要的銦以及鉍、錫、和鋅等元素的部份或全部組合而成。6.如權(quán)利要求5所述的散熱模塊，其中所述的低熔點合金箔片為一In-Bi-Sn合金或In-Bi-Sn-Zn合金或In-Bi合金。7.如權(quán)利要求6所述的散熱模塊，其中所述的低熔點合金箔片的組成更可包括至少一種非毒害環(huán)境元素，例如銀、銅、鈦、鍺、鋁、鈰、鑭或硅等元素。8.如權(quán)利要求3所述的散熱模塊，其中所述的低熔點合金箔片的熔點介于55'C至85"C之間。9.如權(quán)利要求3所述的散熱模塊，所述的散熱模塊可再包括一環(huán)形體，其中所述的環(huán)形體設(shè)置于所述的電子元件與所述的散熱器之間，且環(huán)繞于所述的低熔點合金箔片的周緣。10.如權(quán)利要求9所述的散熱模塊，其中所述的環(huán)形體為散熱膏所構(gòu)成。11.如權(quán)利要求9所述的散熱模塊，其中所述的環(huán)形體為相變化散熱貼片所構(gòu)成。12.如權(quán)利要求9所述的散熱模塊，其中所述的環(huán)形體為一粘彈性墊片。13.—種散熱模塊，可使一發(fā)熱元件所產(chǎn)生的熱能快速傳導(dǎo)至外界環(huán)境，其特征在于，所述的散熱模塊包括一散熱器，設(shè)置于所述的發(fā)熱元件上方；一厚度不大于0.04mm的低熔點合金箔片，設(shè)置于所述的發(fā)熱元件與所述的散熱器之間，且作為所述的發(fā)熱元件與所述的散熱器間的熱界面材料；以及一環(huán)形體，設(shè)置于所述的發(fā)熱元件與所述的散熱器之間，且環(huán)繞于所述的低熔點合金箔片的周緣。14.一種散熱模塊，可使一發(fā)熱元件運作時所產(chǎn)生的熱能快速傳導(dǎo)至外界環(huán)境，其特征在于，所述的散熱模塊包括一散熱器，設(shè)置于所述的發(fā)熱元件上方；以及一厚度不大于0.04mm的低熔點合金箔片，設(shè)置于所述的發(fā)熱元件與所述的散熱器之間，且作為所述的發(fā)熱元件與所述的散熱器間的熱界面材料。全文摘要本發(fā)明涉及一種兼具有低熱阻抗特性以及抑制熔解液相溢漏的低熔點合金熱界面材料，所述的合金熱界面材料由必要的銦元素以及、鉍、錫、和鋅等元素的部份或全部組合而成，且其熔解溫度介于55℃至85℃之間，且所述的低熔點合金熱界面材料的厚度不大于0.04mm。一使用前述低熔點合金熱界面材料的散熱模塊包括一散熱器、一低熔點合金箔片及一環(huán)形體。散熱模塊可應(yīng)用于一電子元件，散熱器設(shè)置于電子元件上方，低熔點合金箔片設(shè)置于電子元件與散熱器的接合面間，作為電子元件與散熱器間的熱界面材料，環(huán)形體設(shè)置于電子元件與散熱器之間，且環(huán)繞于低熔點合金箔片的周緣。文檔編號C22C18/00GK101420835SQ20071016753公開日2009年4月29日申請日期2007年10月26日優(yōu)先權(quán)日2007年10月26日發(fā)明者林成全,翁震灼,蘇健忠,范元昌,蕭復(fù)元,陳俊沐,黃振東申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院;元瑞科技股份有限公司