一種改善銦導(dǎo)熱界面材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及導(dǎo)熱界面材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種改善銦導(dǎo)熱界面材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電子元器件日趨小型化、微型化，具有超高密度、超大規(guī)模的集成電路（芯 片）會(huì)是今后集成電路的大勢(shì)所趨。集成度、功耗密度的上升必然會(huì)引起集成電路和電子 器件工作時(shí)發(fā)熱密度的上升，從而提高工作時(shí)的溫度，因此，電子封裝的散熱問題對(duì)于電子 器件的工作效率與可靠性愈發(fā)重要，尤其是那些高功耗器件，如高功率二極管激光器、高亮 度發(fā)光二極管和高功率傳感器等，這些器件工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。此時(shí)，僅僅依靠電子 元件與散熱器間固體界面的機(jī)械接觸，已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)熱量快速而有效的傳導(dǎo)。這主要是因 為：肉眼觀察下非常平滑的固體表面放大后會(huì)呈現(xiàn)出帶有許多"峰"和"谷"的波浪紋，使得 固體界面實(shí)際上是一些不連續(xù)的點(diǎn)接觸，而非面接觸，固體界面的大部分區(qū)域是被空氣隔 開的。由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)非常小，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的導(dǎo)熱系數(shù)只有0. 〇24WAm ? K)，使得 固體界面間的界面熱阻非常大，導(dǎo)致集成電路（芯片）工作時(shí)產(chǎn)生的大量熱量不能經(jīng)由芯 片封裝外殼有效地傳導(dǎo)出去，反而逐漸地積累起來，最終引起溫度的大幅上升。為解決散熱 問題，除了可以通過優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法來減少熱量產(chǎn)生以外，最直接有效的方法是在接 觸界面上采用柔軟的彈性體，或者具有一定流動(dòng)的高導(dǎo)熱性、低熱阻的導(dǎo)熱界面材料，來填 充電子元件與散熱器之間的間隙，從而促進(jìn)熱量向外界環(huán)境的快速擴(kuò)散。
[0003] 傳統(tǒng)的導(dǎo)熱界面材料大致可包括以下幾種：導(dǎo)熱硅脂（導(dǎo)熱膏）、導(dǎo)熱凝膠（導(dǎo)熱 彈性膠）、相變材料、金屬熱界面材料等。導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)只有3?5WAm ?!()，且易溢 出，污染電子元器件，進(jìn)而引起短路等故障；而且容易發(fā)生相分離，改變其原有特性，尤其是 經(jīng)過多次冷熱循環(huán)后會(huì)流失、變干，反而增加熱阻。另外，清洗過程非常麻煩，在制造或者使 用過程中非常容易污染環(huán)境。導(dǎo)熱凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)只有3?4WAm ?!()，且其需要增加固化 交聯(lián)反應(yīng)步驟。傳統(tǒng)的相變熱界面材料主要是指那些熔融溫度一般在50?80°C的熱塑性 樹脂，但是這些熱塑性樹脂自身的熱導(dǎo)率非常低。另一類相變熱界面材料一一低熔點(diǎn)金屬， 但其從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)時(shí)容易殘留熱應(yīng)力。
[0004] 金屬通常具有較高的熱導(dǎo)率，是一類非常值得關(guān)注的導(dǎo)熱界面材料。在不同的應(yīng) 用環(huán)境中，對(duì)熱界面材料還額外會(huì)有不同的性能要求，如無毒無害、高柔韌性、易于安裝并 具可拆性。熱阻計(jì)算式為：熱阻=散熱片的熱阻+散熱片和熱界面材料之間的界面熱阻+ 熱界面材料的熱阻+熱界面材料和芯片之間的界面熱阻+芯片的熱阻。而銦的導(dǎo)熱系數(shù)約 為82WAm*K)，材料自身熱阻較低，且其是一種無毒無害、高導(dǎo)熱性、高柔韌性的金屬導(dǎo)熱 界面材料，如果施加一定的壓力，其質(zhì)軟、高柔韌性的特性，可以使其較好的填充電子元件 與散熱器界面間的空隙，從而大大降低界面熱阻，使得產(chǎn)生的熱量可以快速有效的傳導(dǎo)，起 到很好的散熱效果。
[0005] 一般影響熱阻的主要因素有表面幾何形貌、接觸點(diǎn)的形變特征、材料的物理參數(shù) 和力學(xué)性能、接觸面壓力（或載荷）以及固體溫度梯度分布等。本發(fā)明側(cè)重通過一定的工 藝方法進(jìn)一步改善銦材料的物理參數(shù)，即導(dǎo)熱系數(shù)，從而進(jìn)一步降低銦這種導(dǎo)熱界面材料 自身的熱阻。
[0006] 熱量在固體中傳輸是通過聲子振動(dòng)傳播的，晶格結(jié)構(gòu)越對(duì)稱、越完美，越不消耗能 量，當(dāng)晶格中出現(xiàn)缺陷時(shí)，如固體中殘存有離子態(tài)氧和裹挾著原子態(tài)氧的氣泡，就會(huì)發(fā)生明 顯的聲子散射，消耗能量，降低其導(dǎo)熱系數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了進(jìn)一步改善銦的導(dǎo)熱系數(shù)，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過一定的工藝方 法，來降低銦基體中的含氧量，以提高導(dǎo)熱系數(shù)，從而達(dá)到改善銦導(dǎo)熱界面材料的目的。
[0008] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：
[0009] 本發(fā)明所述的改善銦導(dǎo)熱界面材料的方法，主要體現(xiàn)在熔煉過程中往純銦中添加 50?3000ppm的鎵，攪拌扒渣以達(dá)到除氧的目的，并通過真空熔煉澆鑄，以進(jìn)一步除氧、凈 化銦基體，從而獲得一種高純度銦導(dǎo)熱界面材料。
[0010] 鎵的加入量占該材料含量的50?3000ppm。
[0011] 優(yōu)選鎵的加入量占該材料含量的500?800ppm。
[0012] 更優(yōu)選鎵的加入量占該材料含量的800ppm。
[0013] 本發(fā)明所提供的改善銦導(dǎo)熱界面材料的方法的具體步驟如下：
[0014] (1)熔煉工序：
[0015] 將事先配好的純銦置于真空感應(yīng)熔煉爐中，先在280?320°C、非真空條件下熔 化，并往熔化后的純銦中添加鎵，攪拌2?3分鐘并徹底扒渣，而后關(guān)閉爐蓋，待抽真空至 10Pa以下并保持半小時(shí)后在真空條件下澆鑄成錠，并車去較粗糙的外皮；
[0016] (2)擠壓工序：將車去外皮的料錠在擠壓機(jī)上擠壓成帶坯；
[0017] (3)軋制工序：將帶坯在軋機(jī)上軋制成所需厚度的料帶；
[0018] (4)沖切工序：將料帶在沖床上沖切成形。
[0019] 本方法最終獲得的導(dǎo)熱界面材料表面潔凈度達(dá)到90%以上，含氧量在25ppm以 下。
[0020] 本方法所獲得的導(dǎo)熱界面材料可以用做焊條、焊絲、焊片、焊球、焊粉、焊膏。
[0021] 本發(fā)明所提供的改善銦導(dǎo)熱界面材料的方法，是通過將事先配好的純銦置于真空 感應(yīng)熔煉爐中，先在280?320°C、非真空條件下熔化，并往熔化后的純銦中添加鎵，攪拌 2?3分鐘并徹底扒渣，而后關(guān)閉爐蓋，待抽真空至10Pa以下并保持半小時(shí)后在真空條件下 澆鑄成錠，并車去較粗糙的外皮。
[0022] 根據(jù)熱力學(xué)原理，氧化物的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯生成自由能的負(fù)值越小，表示該金屬越親 氧。由于在同等條件下，Ga 203的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯生成自由能遠(yuǎn)低于ln203的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯生成自由 能（如溫度為600K時(shí)，Ga 203的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯生成自由能為-1152. 28kJ/mol，而In 203的標(biāo)準(zhǔn) 吉布斯生成自由能為-1003. 66kJ/mol。），鎵較之銦，與氧的親和力更強(qiáng)。因此，當(dāng)熔煉時(shí)，在 鎵中添加微量的鎵，伴隨著攪拌，鎵會(huì)優(yōu)先與原材料銦中的氧發(fā)生反應(yīng)，奪取銦中的離子態(tài) 氧和裹挾著原子態(tài)氧的氣泡，生成的Ga 203的密度（6. 44g/cm3)小于銦的密度（7. 31g/cm3)， 浮于液面而被徹底扒出。但是，若鎵添加量過量，除氧后有剩余，則相當(dāng)于在銦基體中引入 雜質(zhì)，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)降低。
[0023] 另外，根據(jù)熔體中的溶解度S與其