用于IGBT散熱的復合式液態金屬熱界面材料的制作方法

本發明涉及液態金屬技術領域，具體地說，涉及一種用于igbt散熱的復合式液態金屬熱界面材料。

背景技術：

眾所周知，igbt器件以其輸入阻值高、開關速度快、通態電壓低、阻斷電壓高、承受電流大等特點，已成為當今功率半導體器件發展的主流器件，廣泛應用到各種交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域功率電子電路中。當igbt器件工作時，產生的熱量會使芯片溫度迅速上升超過最大允許igbt結溫。因此，igbt的性能將大大降低，而不能穩定工作，導致性能下降或失效。近年來由于igbt技術的進一步發展，相關的極端環境下的高效散熱技術已經成為熱管理工程師和科學家都渴望解決的關鍵技術問題。

完整的igbt模塊包括igbt器件、散熱器、熱風扇以及導熱介質四部分組成，其中igbt器件本身和導熱介質對散熱性能起決定性作用。發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。因為空氣是不良熱導體，發熱體和散熱器之間的熱界面電阻非常大，嚴重阻礙了熱傳導，最終導致低散熱效率。具有高導熱系數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通道，從而大大降低熱界面電阻。因而可以預計具有高傳熱性能的熱界面材料會廣泛應用于igbt產業。

理想的熱界面材料應具備如下的物理和化學特性：（1）高導熱系數來保證有效散熱；（2）良好的流動性來有效填補熱發生體和散熱體之間的微小間隙；（3）在低壓力安裝獨特的靈活性。硅脂是傳統上用于電子器件的熱傳導的熱界面材料，但是傳熱系數很低(~1-2w/m.k)。而且，經過長時間的服役后，由于有機成分的蒸發和氧化，硅脂會變脆和老化。相比而言，近年來出現的液態金屬除了具有極高的導熱性能外，還由于極低的蒸汽壓和抗氧化性，在散熱領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。

液態金屬是一種低熔點合金，在其熔點附近具有高的熱導率（~20-85w／m.k）。基于使用條件下所處的物態，液態金屬可分為三類：（1）純液狀液態金屬，熔點可以降低到約2℃左右。這類液態金屬可以在電磁泵驅動下用作散熱管中的冷卻介質來提高散熱效率。（2）膏狀液態金屬，由于熔點高達50℃可以在很寬的溫度范圍內保持固-液狀態。這種類型的液態金屬可作為硅膠替代熱界面材料。（3）箔狀液態金屬，用作熱界面材料時熔點可在60-180°c。這三種液態金屬是無毒的，具有穩定的物理/化學性質，適合在極端條件下的長期應用。特別是，箔狀液態金屬由于其靈活的安裝特性可以預計在生產線上得到最大規模的應用。

液態金屬用于熱界面材料時，靠的是室溫下呈現固態的合金在設定的使用溫度下變成具有一定流動性的液態或者固液混合物來填充發熱體和散熱體之間的間隙。目前而言，液態金屬用于工業界的一個需要繼續提高的特性是其導熱性能。一般而言，液態金屬的導熱系數在20-85w/m.k之間變化。鑒于目前電子領域嚴重的散熱問題，進一步提高液態金屬的導熱性能是液態金屬用于熱界面材料的一個實際而又重要的工業難題。采用合金化的手段，通過添加合金元素來提高傳熱系數是解決這類問題的一種手段。利用現有的材料通過與液態金屬復合形成復合式熱界面材料，也是提高液態金屬熱界面材料的有效途徑。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種用于igbt散熱的復合式液態金屬熱界面材料。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

高純鋁的熱導率237w/m.k，由于屈服強度低，延伸率大而使得高純鋁具有很好的變形性能。當用直徑小于0.01mm的高純鋁絲編織成三維網絡結構后，該材料具有很大的變形承受能力，以及壓縮性能。是制備復合式液態金屬熱界面材料的理想選擇。而且，高純鋁三維編織物的密實程度，纖維編織取向等因素完全可以根據需要來進行設計，極大優化高純鋁三維編織物作為散熱材料復合結構的熱學性能。

液態金屬合金熔點的設計和多元合金成分密切相關。因而可以通過選擇合適的合金成分使得該合金在設定的溫度下具有高流動性的固液狀態，而且合金的成分中與鋁合金具有足夠的化學相容性，使得該液態金屬和鋁接觸時不會因生成金屬間化合物而使得液態合金的成分發生改變。

根據如上思路，設計一種用于igbt散熱的液態金屬熱界面材料，由如下重量百分數的組分組成：sb：1.0-14.0%,bi:2.0-8.0%,sn:2.0-15.0%,cu:0.3-0.8%,hf:0.1-0.2%,余量為in。

用于igbt散熱的復合式液態金屬熱界面材料，由如下方法制成：

（1）制備具有正交結構的鋁絲三維編織物，孔隙率維持在40-70%，鋁絲的直徑在20-40微米；

（2）取上述的液態金屬熱界面材料在420℃在真空感應熔煉爐中石墨坩堝內熔化后，并利用電磁攪拌均勻化，待溫度達到300℃時，將液態金屬澆鑄進鋁絲三維編織物，利用重力進行填充并冷卻凝固，得到復合式鋁液態金屬熱界面材料坯料；

（3）將復合式液態金屬熱界面材料坯料進行冷軋操作來制備產品，產品厚度在0.01mm，每道次的軋下量為20-30%。

與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

1.在保證現有用于120℃的液態金屬熱界面材料的優異散熱性能的基礎上，通過將高純鋁三維編織物與液態金屬復合制作復合式液態金屬熱界面材料來進一步提高熱界面材料的散熱性能，使得熱導率從20-85w/m.k提高到120-190w/m.k，大大優化了現有igbt散熱系統的散熱效率

2.將鋁合金三維織物引入到液態金屬熱界面材料的復合構造設計中，是液態金屬應用領域的一大創新。三維編織物不僅纖維取向，纖維直徑，編織密實程度可以根據需要定制，由于高純鋁的導熱率為237w/m.k，所得復合液態金屬熱界面材料不僅熱導率大大提升，而且由于鋁的密度低，整個熱界面材料的重量可以降低一半以上，有利于散熱系統整體輕量化的實現。

3.該新型液態金屬熱界面材料不僅散熱性能好，而且加工冶煉方法簡單，生產成本低，便于工業化大規模生產和實際應用。

附圖說明

圖1為高純鋁絲三維編織物正交結構圖，其中直線狀物為鋁絲。

圖2為填充液態金屬的高純鋁絲三維編織物示意圖，其中直線狀物為鋁絲，陰影狀填充物為液態金屬。

圖3為經過軋制的液態金屬復合熱界面材料結構示意圖，其中直線狀物為鋁絲，陰影狀填充物為液態金屬。

具體實施方式

實施例1：

一種用于igbt散熱的液態金屬熱界面材料，按重量百分比計，該合金的成分為：sb：2.3%,bi:6.4%,sn:12.4%,cu:0.5%,hf:0.1%,余量為in。取如上成分的合金在420℃在真空感應熔煉爐中石墨坩堝內熔化后，并利用電磁攪拌均勻化10分鐘。然后將熔化的液態金屬澆鑄進鋁絲三維編織物中，鋁絲的直徑為25微米，孔隙率為45%。利用重力進行填充并冷卻凝固，得到液態金屬復合熱界面材料坯料。將液態金屬復合熱界面材料坯料進行冷軋操作來制備所需要厚度的熱界面材料，最終產品厚度在0.01mm左右。每道次的軋下量為24%。該熱界面材料的導熱率為124w/m.k,液態金屬的熔點在120℃左右，適于用做120℃條件下igbt散熱的熱界面材料。

實施例2

一種用于igbt散熱的液態金屬熱界面材料，按重量百分比計，該合金的成分為：sb：4.8%,bi:7.2%,sn:13.5%,cu:0.4%,hf:0.1%。取如上成分的合金在420℃在真空感應熔煉爐中石墨坩堝內熔化后，并利用電磁攪拌均勻化10分鐘。然后將熔化的液態金屬澆鑄進鋁絲三維編織物中，鋁絲的直徑為20微米，孔隙率為50%。利用重力進行填充并冷卻凝固，得到液態金屬復合熱界面材料坯料。將液態金屬復合熱界面材料坯料進行冷軋操作來制備所需要厚度的熱界面材料，最終產品厚度在0.01mm左右。每道次的軋下量為24%。該熱界面材料的導熱率為145w/m.k,液態金屬的熔點在120℃左右，適于用做120℃條件下igbt散熱的熱界面材料。

實施例3

一種用于igbt散熱的液態金屬熱界面材料，按重量百分比計，該合金的成分為：sb：5.4%,bi:7.1%,sn:8.9%,cu:0.6%,hf:0.1%。取如上成分的合金在420℃在真空感應熔煉爐中石墨坩堝內熔化后，并利用電磁攪拌均勻化10分鐘。然后將熔化的液態金屬澆鑄進鋁絲三維編織物中，鋁絲的直徑為30微米，孔隙率為48%。利用重力進行填充并冷卻凝固，得到液態金屬復合熱界面材料坯料。將液態金屬復合熱界面材料坯料進行冷軋操作來制備所需要厚度的熱界面材料，最終產品厚度在0.01mm左右。每道次的軋下量為24%。該熱界面材料的導熱率為156w/m.k,液態金屬的熔點在120℃左右，適于用做120℃條件下igbt散熱的熱界面材料。