一種復合結構的導熱墊片的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電子組裝技術領域，尤其涉及一種復合結構的導熱墊片。
【背景技術】
[0002]隨著半導體和電子技術的發(fā)展，元器件的功率急劇增大，隨之伴生的熱效應，是器件失效的重要原因。目前常用的組裝方式，包括合金焊料焊接，導熱硅脂，導熱銀膠，銦墊片等。合金焊料焊接導熱效果好，但是不可拆卸，維修極為不方便；導熱硅脂和導熱銀膠不僅導熱系數低，無法應對大功率器件的需求，而且會發(fā)生老化，不能保證長期穩(wěn)定性。銦質地柔軟，導熱性好，因此常用作導熱墊片。
[0003]當純銦用作導熱墊片時，整體組裝熱阻包括材料熱阻和界面接觸熱阻兩部分，其中后者占80%以上。對于其他金屬或非金屬導熱墊，由于并不具備純銦的柔軟特性，接觸熱阻更會大幅增加。因此，降低整體熱阻的主要方向是降低界面接觸熱阻，同時兼顧保證導熱墊本身的導熱性能不惡化。為了達到這一目的，一是需要增強器件與導熱墊片的接觸效果，減少兩者之間的空隙，降低接觸熱阻；二是要保證導熱墊自身的導熱性能，最好為純金屬。合金化會大幅降低其導熱系數，例如純銅的導熱系數為401W/m*K，而合金化之后的黃銅僅為70-183W/m*K，導熱性能降低非常顯著。

【發(fā)明內容】

[0004]針對上述問題，本發(fā)明提供了一種復合結構的導熱墊片，本發(fā)明通過在導熱墊片表面制備復合結構，在降低界面熱阻的同時，保證了導熱墊自身的導熱能力不受大的影響，從而降低功率器件組裝時的整體熱阻。
[0005]本發(fā)明采用如下技術方案:
[0006]本發(fā)明的復合結構的導熱墊片的基體表面復合有低溫金屬，初次使用時，隨著升溫至工作溫度，兩個過程同時進行，一是低溫金屬熔化，填充器件與導熱墊的間隙，減少兩者接觸熱阻；二是液態(tài)的低溫金屬與導熱墊基體發(fā)生融合，液相消失，這一過程是不可逆的，只在第一次工作時在基體表面進行，不影響基體自身的導熱性能。
[0007]所述的導熱墊片基體成分為純金屬、金屬合金或非金屬，具有優(yōu)良的導熱性且熔點高于工作溫度。
[0008]所述的導熱墊片基體為In，Ag，Cu，In_3Ag，Sn或石墨片。
[0009]所述的低溫金屬成分為純金屬或合金，其固相點低于工作溫度。
[0010]所述的低溫金屬為In (熔點 156°C )、In_50Sn (熔程 120_123°C )、Sn (熔點 233°C )或 In-20Bi (熔程 72-115°C )。
[0011]低溫金屬層的厚度h與器件的表面粗糙度Ra相關，h = (2?5) Ra，占導熱墊片總厚度的0.1%?8%，優(yōu)選為1%?5%。
[0012]所述的低溫金屬在基體表面是雙面、單面或局部。
[0013]所述的低溫金屬在基體表面分布是均勻、離散或特定形狀。
[0014]低溫金屬和基體復合方式是復合軋制，噴涂，電鍍或浸鍍。
[0015]工作時過程中當界面溫度升高到低溫金屬固相點時低溫金屬開始熔化，直至液相點結束。由于液態(tài)金屬具有遠高于固體金屬的充型能力，可以迅速有效地填充導熱墊片與器件的間隙，減少接觸熱阻。這一過程同時伴隨著低溫金屬與基體近表面處發(fā)生相互擴散，使液相逐步消失，近表面處變?yōu)閮烧呋旌铣煞?。雖然這一過程是不可逆的，但導熱墊與器件之間空隙被填充的形貌得到保留，依然能起到減少界面熱阻的作用。這一過程中，低熔點相對基體的表面影響深度△可以用以下表達式估算。
[0016]Δ ^ h* (γ / γ 2-1)
[0017]其中h為低熔點層厚度，與器件表面粗糙度Ra相關，為有效填充器件表面凹凸處，取h = (1-5) Ra ； γ 低熔點金屬特有組分A的含量；γ 2為工作溫度下液相消失時融合層中A含量?？梢钥吹?，在低熔點金屬厚度h在微米級時，只要控制好γι/γ2的取值，影響區(qū)也很小。因此可以認為低溫金屬只與基體近表面處發(fā)生擴散融合，而對基體自身的導熱性不會產生嚴重的影響。
[0018]本發(fā)明的有益效果如下:
[0019]本發(fā)明通過液態(tài)金屬輔助潤濕和填充空隙，有效降低功率器件組裝時的界面接觸熱阻和整體熱阻；低溫金屬僅與基體近表面處發(fā)生固溶，對基體自身的導熱性能影響可以忽略；液相量少，可以在壓力下使用，工作時液相不會因受壓而被擠出，使用方便；長期工作的穩(wěn)定性好，可靠性高；由于導熱墊與器件僅發(fā)生物理接觸而未發(fā)生界面反應，因而拆卸維護極為方便。本發(fā)明的復合結構的導熱墊片能夠提高功率器件散熱能力。
【附圖說明】
[0020]圖1是典型功率器件微波射頻管的組裝示意圖；
[0021]I微波射頻管、2導熱墊片、3基板。
[0022]圖2是固體界面接觸示意圖；
[0023]4固體、5接觸空隙。
[0024]圖3是本發(fā)明所述導熱墊片的典型結構；
[0025]7導熱墊片的基體、6和8表面低熔點金屬層。
[0026]圖4是導熱墊片使用時低溫金屬與基體近表面處成分擴散示意圖；
[0027]6表面低熔點金屬層、7導熱墊片的基體。
[0028]圖5是導熱墊片近表面處成分變化趨勢圖；
[0029]9基體元素的含量百分比、10低熔點金屬元素的含量百分比。
[0030]圖6是導熱墊片DSC測試圖；
[0031]11為100°C循環(huán)、12為120°C循環(huán)、13為140°C循環(huán)、14吸熱峰。
[0032]圖7是導熱墊片形狀示意圖一；
[0033]15是導熱墊基體，16是規(guī)則分布的低溫金屬。
[0034]圖8是導熱墊片形狀示意圖二。
[0035]17是規(guī)則分布的低溫金屬，18是導熱墊基體。
[0036]圖9是導熱墊片工作中的轉變示意圖
[0037]20是基體，19,21是表面融合層。
【具體實施方式】
[0038]下面的實施例是對本發(fā)明的進一步詳細描述。
[0039]實施例1
[0040]器件表面粗糙度Ra = 0.8，工作溫度160°C。所用導熱片基體為純Sn，熔點223°C，厚度H = 0.2mm，表面低熔點金屬為雙面In_50Sn (γ1= 50% )合金，熔程為120_123°C，厚度h = 3Ra = 2.4 μ m，占總厚度的2.3%。制作方法為按InSn-Sn-1nSn的順序疊放，厚度分別為0.024mm, 2.0mm, 0.024mm。然后復合軋制至總厚度為0.205mm，裁切得到導熱墊片。工作時，升溫至120°C時In-50Sn開始出現液相，至123°C完全熔化。在此過程中伴隨著液態(tài)金屬填充空隙和液態(tài)金屬與固態(tài)基體Sn的相互擴散。擴散的進行使融合區(qū)的In含量不斷降低，相應的固相線不斷升高至工作溫度(由InSn相圖160°C時Y2= 16% )，液相消失。
[0041]Δ ^ h* ( γ / γ 2-1) =5.1μηι0
[0042]融合區(qū)占導熱墊的總厚度a ^ (2 Δ +2h) / (2h+H) = 7.3%。對基體的導熱性不會造成大的影響。
[0043]整體熱阻實測為0.1080C *cm2/W，對照樣0.2mm厚的Sn片為0.867°C *cm2/W，降低了 88%。
[0044]實施例2
[0045]器件表面粗超度Ra = 1.2，工作溫度120°C。所用導熱片基體為純In，熔點156°C，厚度H = 0.25mm,表面低熔點金屬為雙面In_20Bi (γι=20%)合金，熔程為72_115°C，厚度h = 2.5Ra = 3 ym，占總厚度的2.3%。制作方法為按InB1-1n-1nBi的順序疊放，厚度分別為0.03mm, 2.5mm, 0.03mm。進行復合乳制至總厚度為0.256mm，然后裁切得到導熱墊片。工作時，升溫到72°C時In-20Bi開始出現液相，至115°C完全熔化。在此過程中伴隨著液態(tài)金屬填充空隙和液態(tài)金屬與固態(tài)基體In的相互擴散。擴散的進行使液相中Bi的含量不斷降低，相應的固相線不斷升高，液相減少，直至固相線升高至工作溫度(由InBi相圖120°C時γ2= 4% )，液相完全消失。
[0046]Δ ^ h* ( γ / γ 2-1) = 12 μ m0
[0047]融合區(qū)占導熱墊的總厚度a ^ ( Δ +h) / (h+H) =9.7%