本發(fā)明涉及液態(tài)金屬領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及具有自熔特性的液態(tài)金屬熱界面材料。

背景技術(shù)：

眾所周知，igbt器件以其輸入阻值高、開(kāi)關(guān)速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大等特點(diǎn)，已成為當(dāng)今功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的主流器件，廣泛應(yīng)用到各種交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域功率電子電路中。當(dāng)igbt器件工作時(shí)，產(chǎn)生的熱量會(huì)使芯片溫度迅速上升超過(guò)最大允許igbt結(jié)溫。因此，igbt的性能將大大降低，而不能穩(wěn)定工作，導(dǎo)致性能下降或失效。近年來(lái)由于igbt技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相關(guān)的極端環(huán)境下的高效散熱技術(shù)已經(jīng)成為熱管理工程師和科學(xué)家都渴望解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

完整的igbt模塊包括igbt器件、散熱器、熱風(fēng)扇以及導(dǎo)熱介質(zhì)四部分組成，其中igbt器件本身和導(dǎo)熱介質(zhì)對(duì)散熱性能起決定性作用。發(fā)熱體和散熱體之間的接觸面有微觀上的孔洞，中間充滿了空氣。因?yàn)榭諝馐遣涣紵釋?dǎo)體，發(fā)熱體和散熱器之間的熱界面電阻非常大，嚴(yán)重阻礙了熱傳導(dǎo)，最終導(dǎo)致低散熱效率。具有高導(dǎo)熱系數(shù)的熱界面材料可以填充這些微觀上的空隙，有助于建立有效的熱傳導(dǎo)通道，從而大大降低熱界面電阻。因而可以預(yù)計(jì)具有高傳熱性能的熱界面材料會(huì)廣泛應(yīng)用于igbt產(chǎn)業(yè)。

理想的熱界面材料應(yīng)具備如下的物理和化學(xué)特性：（1）高導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)保證有效散熱；（2）良好的流動(dòng)性來(lái)有效填補(bǔ)熱發(fā)生體和散熱體之間的微小間隙；（3）在低壓力安裝獨(dú)特的靈活性。硅脂是傳統(tǒng)上用于電子器件的熱傳導(dǎo)的熱界面材料，但是傳熱系數(shù)很低(~1-2w/m.k)。而且，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的服役后，由于有機(jī)成分的蒸發(fā)和氧化，硅脂會(huì)變脆和老化。相比而言，近年來(lái)出現(xiàn)的液態(tài)金屬除了具有極高的導(dǎo)熱性能外，還由于極低的蒸汽壓和抗氧化性，在散熱領(lǐng)域處于金字塔的頂端，特別適用于高密度大功率電子元器件。

液態(tài)金屬是一種低熔點(diǎn)合金，在其熔點(diǎn)附近具有高的熱導(dǎo)率（~20-85w／m.k）?；谑褂脳l件下所處的物態(tài)，液態(tài)金屬可分為三類：（1）純液狀液態(tài)金屬，熔點(diǎn)可以降低到約2℃左右。這類液態(tài)金屬可以在電磁泵驅(qū)動(dòng)下用作散熱管中的冷卻介質(zhì)來(lái)提高散熱效率。（2）膏狀液態(tài)金屬，由于熔點(diǎn)高達(dá)50℃可以在很寬的溫度范圍內(nèi)保持固-液狀態(tài)。這種類型的液態(tài)金屬可作為硅膠替代熱界面材料。（3）箔狀液態(tài)金屬，用作熱界面材料時(shí)熔點(diǎn)可在60-180°c。這三種液態(tài)金屬是無(wú)毒的，具有穩(wěn)定的物理/化學(xué)性質(zhì)，適合在極端條件下的長(zhǎng)期應(yīng)用。特別是，箔狀液態(tài)金屬由于其靈活的安裝特性可以預(yù)計(jì)在生產(chǎn)線上得到最大規(guī)模的應(yīng)用。

液態(tài)金屬用于熱界面材料時(shí)，靠的是室溫下呈現(xiàn)固態(tài)的合金在設(shè)定的使用溫度下變成具有一定流動(dòng)性的液態(tài)或者固液混合物來(lái)填充發(fā)熱體和散熱體之間的間隙。目前而言，液態(tài)金屬用于熱界面材料一個(gè)亟待解決的問(wèn)題是，隨著溫度的升高液相的含量急劇增加。這個(gè)特征使得液態(tài)金屬作為熱界面材料的流動(dòng)性隨著溫度的增加增幅很大，會(huì)在液態(tài)金屬作為熱界面材料使用時(shí)發(fā)生側(cè)漏的現(xiàn)象，進(jìn)而由于液態(tài)金屬的導(dǎo)電性導(dǎo)致電路板的短路。解決液態(tài)金屬熱界面材料側(cè)漏的辦法，可以通過(guò)合金材料成分的設(shè)計(jì)來(lái)減小液態(tài)金屬熱界面材料隨著溫度的升高粘度下降的難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種具有自熔特性的液態(tài)金屬熱界面材料，本發(fā)明通過(guò)液態(tài)金屬熱界面材料表面組成新穎設(shè)計(jì)的辦法來(lái)利用熱流升溫進(jìn)行表面附近的液態(tài)金屬局部熔化。由于表面熔化層的厚度極小，表面張力會(huì)有效的阻止液態(tài)金屬的側(cè)面流動(dòng)。同時(shí)，液態(tài)金屬熱界面中心部分仍然保持固體的狀態(tài)。這種設(shè)計(jì)方法可以有效增加液態(tài)金屬熱界面材料抗側(cè)漏的能力，以期達(dá)到液態(tài)金屬熱界面材料在散熱領(lǐng)域大規(guī)模的使用。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種具有自熔特性的液態(tài)金屬熱界面材料，為三層的液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)，中間層為熱熔大的液體金屬，由如下重量百分?jǐn)?shù)的組分組成：zn：6.0-10.0%,sb:1.0-2.0%,sn:5.0-6.0%,mo:0.3-0.8%,v:0.2-0.4%,余量為in；上下層為熱熔小的液態(tài)金屬，均由如下重量百分?jǐn)?shù)的組分組成：zn：1.0-4.0%,sb:2.0-6.0%,sn:10.0-20.0%,w:0.1-0.2%,v:0.1-0.2%,余量為in。

在上述的液態(tài)金屬熱界面材料中，上下層的厚度分別是占總厚度的5%。

上述液態(tài)金屬熱界面材料的制備方法，包括如下步驟：(a)將合金按照所需要的成分配置后，放入氬氣保護(hù)的感應(yīng)熔煉爐進(jìn)行熔煉，采用石墨坩堝；在400-450℃保溫10分鐘利用電磁攪拌充分將合金熔體攪拌均勻后，倒入石墨模具內(nèi)進(jìn)行澆鑄；(b)將液態(tài)金屬錠子進(jìn)行冷軋，每道次軋制的壓下量為20-30%，對(duì)于中間層和上下層分別冷軋到1mm和0.06mm；(c)將上下層和中間層進(jìn)行復(fù)合軋制，軋制前厚度為1+0.06*2=1.12mm，軋制后總厚度為0.1mm；中間層和上下層的合金都采用同樣的方法進(jìn)行制備和軋制。

上中下三層液態(tài)金屬的熔點(diǎn)設(shè)計(jì)在散熱器件工作狀態(tài)的溫度之上，因而在該溫度下，液態(tài)金屬熱界面材料并不能發(fā)生熔化。但是，由于上下層的熱熔比較小，當(dāng)單位熱流流經(jīng)上下層時(shí)，造成上下層的溫度比中間層的液態(tài)金屬熱界面材料溫度高，從而可以導(dǎo)致表面附近液態(tài)金屬的局部軟化，甚至局部液態(tài)。而中間部分的液態(tài)金屬還維持在固體的狀態(tài)。不同層的液態(tài)金屬熔點(diǎn)和熔化范圍，可以根據(jù)散熱體系的需求和特性進(jìn)行定制來(lái)極大優(yōu)化液態(tài)金屬作為熱界面材料復(fù)合結(jié)構(gòu)的散熱性能。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

（1）在保證現(xiàn)有液態(tài)金屬熱界面材料的優(yōu)異散熱性能的基礎(chǔ)上，通過(guò)將具有優(yōu)良導(dǎo)熱系數(shù)，熱熔低的上下層復(fù)合到中間層而得到具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬熱界面材料。這個(gè)設(shè)計(jì)方案可以使得由于化合物顆粒的熱熔比較小，當(dāng)單位熱流流經(jīng)化合物顆粒時(shí)，造成化合物顆粒的溫度比周圍液態(tài)金屬的溫度高，從而可以導(dǎo)致表面附近液態(tài)金屬的局部軟化，甚至局部液態(tài)。而中間部分的液態(tài)金屬還維持在固體的狀態(tài)。

（2）將箔狀液態(tài)金屬熱界面材料按照熱容將熱界面材料劃分為三層來(lái)制備液態(tài)金屬熱界面材料是液態(tài)金屬領(lǐng)域一大創(chuàng)新。所得產(chǎn)品在維持液態(tài)金屬熱界面材料高導(dǎo)熱率(20-85w／m.k)的同時(shí)，可以在熱界面材料正常的工作狀態(tài)下維持固態(tài)，但是界面附近由于溫度升高在上下層附近發(fā)生熔化，進(jìn)而有效地填充發(fā)熱體和散熱體表面的微米孔隙。在保證液態(tài)金屬工作于固態(tài)的情況下，從根本上杜絕了側(cè)漏顯現(xiàn)的發(fā)生。

（3）該新型液態(tài)金屬熱界面材料不僅散熱性能好，而且加工冶煉方法簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，便于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

一種用于80℃散熱且具有液態(tài)金屬?gòu)?fù)合熱界面材料結(jié)構(gòu)。按重量百分比計(jì)，中間層的合金成分為：zn：6.4%,sb:1.2%,sn:5.8%,mo:0.2%,v:0.3%,余量為in。上下層的合金成分為：zn：2.1%,sb:3.2%,sn:15.0%,w:0.1%,v:0.1%,余量為in。取如上成分的合金在420℃在氬氣保護(hù)的真空感應(yīng)熔煉爐中石墨坩堝內(nèi)熔化后，并利用電磁攪拌均勻化10分鐘。然后將熔化的液態(tài)金屬澆鑄進(jìn)石墨模具。將液態(tài)金屬錠子進(jìn)行冷軋，每道次軋制的壓下量為25%。對(duì)于中間層和上下層分別軋制到1mm和0.06mm厚度。將上下層和中間層進(jìn)行復(fù)合軋制，軋制前厚度為1+0.06*2=1.12mm。軋制后總厚度為0.1mm。本實(shí)施例中，中間層的熔點(diǎn)為85℃，上下層的熔點(diǎn)為82℃。該熱界面材料的導(dǎo)熱率為47w/m.k,適于用做80℃條件下散熱的熱界面材料。

實(shí)施例2：

一種用于120℃散熱且具有液態(tài)金屬?gòu)?fù)合熱界面材料結(jié)構(gòu)。按重量百分比計(jì)，中間層的合金成分為：zn：7.9%,sb:1.7%,sn:5.9%,mo:0.4%,v:0.2%,余量為in。上下層液態(tài)金屬成分為zn：3.5%,sb:5.2%,sn:16.7%,w:0.1%,v:0.1%,余量為in。取如上成分的合金在420℃在氬氣保護(hù)的真空感應(yīng)熔煉爐中石墨坩堝內(nèi)熔化后，并利用電磁攪拌均勻化10分鐘。然后將熔化的液態(tài)金屬澆鑄進(jìn)石墨模具。將液態(tài)金屬錠子進(jìn)行冷軋，每道次軋制的壓下量為25%。對(duì)于中間層和上下層分別軋制到1mm和0.06mm厚度。將上下層和中間層進(jìn)行復(fù)合軋制，軋制前厚度為1+0.06*2=1.12mm。軋制后總厚度為0.1mm。本實(shí)施例中，中間層的熔點(diǎn)為127℃，上下層的熔點(diǎn)為123℃。該熱界面材料的導(dǎo)熱率為51w/m.k,適于用做120℃條件下散熱的熱界面材料。

實(shí)施例3：

一種用于160℃散熱且具有液態(tài)金屬?gòu)?fù)合熱界面材料結(jié)構(gòu)。按重量百分比計(jì)，中間層的合金成分為：zn：9.5%,sb:1.7%,sn:5.4%,mo:0.6%,v:0.3%,余量為in。上下層液態(tài)金屬成分為zn：3.4%,sb:2.9%,sn:12.4%,w:0.1%,v:0.1%,余量為in。取如上成分的合金在420℃在氬氣保護(hù)的真空感應(yīng)熔煉爐中石墨坩堝內(nèi)熔化后，并利用電磁攪拌均勻化10分鐘。然后將熔化的液態(tài)金屬澆鑄進(jìn)石墨模具。將液態(tài)金屬錠子進(jìn)行冷軋，每道次軋制的壓下量為25%。對(duì)于中間層和上下層分別軋制到1mm和0.06mm厚度。將上下層和中間層進(jìn)行復(fù)合軋制，軋制前厚度為1+0.06*2=1.12mm。軋制后總厚度為0.1mm。本實(shí)施例中，中間層的熔點(diǎn)為172℃，上下層的熔點(diǎn)為163℃。該熱界面材料的導(dǎo)熱率為56w/m.k,適于用做160℃條件下散熱的熱界面材料。