CN109763023A - 一种包覆型120-160度散热用锡基液态金属材料 - Google Patents
一种包覆型120-160度散热用锡基液态金属材料 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种包覆型120‑160度散热用锡基液态金属材料。按重量百分比计,该合金组成为:Cr:0.5‑0.8wt.%,Si:0.2‑0.4wt.%,Ga:0.6‑0.8wt.%,Sb:2.0‑3.0wt.%,B:0.2‑0.3wt.%,Zn:20.0‑30.0wt.%,Te:0.4‑0.5wt.%,余量为锡。本专利提供了在使用温度下可以形成固态的基体包裹熔化的液态金属的新型散热材料，可以解决电子工业领域所需的高端散热解决方案。该材料在产业化获得极大经济价值的同时，也会促进相关领域的技术发展。
Description
技术领域
本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种锡合金。
背景技术
电子技术的快速发展使得电子器件体积趋于微型化,同时系统的复杂程度越来越高。由于还要求具备可靠性和容易维修等特点，高热密度散热不可避免。这给电子器件的制造材料，工艺和电子电路带来了新的挑战。在对电子器件的散热设计和选择过程中，要对电子元件中的热量，质量和热耗的密度情况等方面综合考虑。同时，结合电子元器件与整个电子工业环境中的实际需要，将不同类型的散热方式整合到一个模块中来提高散热效率。
在微电子器件表面和散热器之间存在非常细小的凹凸不平，因而当接触的时候便形成了接触孔隙。由于空气的传热系数非常低（0.02W/m·K），接触面的空隙存在大大增加了整个系统的热阻，最终造成了散热效率的低下。热界面材料便是用来填充这些接触面空隙的高导热介质。由于在填充这些间隙的时候在电子器件和散热器之间建立了有效的传热通道，可以大幅度降低接触热阻，使得散热器的效率得到充分的发挥。
传统的热界面材料一般采用硅脂，但是本身属于有机物的特性使得该材料的传热系数不能令人满意（1-2W/m·K）。同时，在大气中长期使用后会发生挥发和老化的现象。因而在高端散热需求的场合，硅脂的使用不能解决高密度散热的难题。理想的热界面采用除了具有极高的传热系数外和使用寿命长的特点外，还应该非常柔韧（便于安装和拆卸）。近年来出现的液态金属热界面材料便是属于这种类型。本质上，液态金属热界面材料是低熔点的合金。由于具有低的熔点以及高的传热系数（>40W/m·K），因而在降低发热体和散热体之间的热阻时具有极其优异的效果。
液态金属在高效散热的时候必须处于液态或者膏状（半固态），因而在合适的工作温度范围内作为热界面材料使用时要面临熔化的合金侧漏而导致的电路板短路事故。设计并产业化新型的液态金属热界面材料，并使得该材料可以有效地抑制侧漏是目前国际范围内的热点。电子领域的散热问题在国民经济领域越来越突出，高效的散热化解决方案也越来越受到重视。各国投入了大量的人力物力进行了艰难的探索，但是目前为止还没有成熟的方案。本专利从材料学的角度出发，提出了一种包覆型的锡基液态金属热界面材料。从结构设计上来说，该材料可以完全防止在使用中发生侧漏的现象，大大增加了系统运行的安全性。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种包覆型120-160度散热用锡基液态金属材料。该材料在120-160度之间用作热界面材料时有优异的填缝能力和导热性能，同时不会发生侧漏引起电子器件短路。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种包覆型120-160度散热用锡基液态金属材料。按重量百分比计,该合金组成为Cr:0.5-0.8wt.%,Si:0.2-0.4wt.%,Ga:0.6-0.8wt.%,Sb:2.0-3.0wt.%,B:0.2-0.3wt.%,Zn:20.0-30.0wt.%,Te:0.4-0.5wt.%,余量为锡。
上述散热材料的制备方法，包括如下的步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用石墨坩埚和氩气保护；在400-500度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，导入石墨模具内进行浇铸；（b）将铸锭进行冷轧，每道次轧制的压下量为15-20%，直到轧到所需的厚度（0.1-0.5mm）。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）本专利提供了一种包裹型的防侧漏液态金属热界面材料，用于电子器件内的高效散热。本专利属于多元合金体系，为了清晰阐述设计原理，以一个三元体系为例进行说明。图1所示的是包含A，B和C三个元素的三元体系相图的恒温截面。其中包括了液相以及由于液相而产生的调幅分解区域。当在黑点部分的合金成分在高温时的单一液相状态冷却到该温度时，便发生了调幅分解而产生两种成分不同的液相，如图1的右上所示。在随后的进一步冷却过程中，这两种液相会单独进行凝固，形成了最终热界面材料中的基体和包覆相。由于两种不同的液相在凝固过程中发生了相分离，因而在制备成热界面材料后的使用升温过程中，基体相和包覆相分别发生熔化。可见，只要包覆相的熔点小于基体相的熔点，便可以在设定的温度下形成固态的基体包覆熔化的液态金属的新型散热材料的模式。通过调节基体相和包覆相的体积分数，便可以得到在工作温度下（120-160度）非常柔软，且基体相可有有效地对熔化的包覆相进行封装防止侧漏的热界面材料。这便是本专利的创新之处，也是目前解决液态金属在使用时会发生侧漏的有效途径之一。
（2）该材料在制备成箔状的热界面材料后，其使用模式如图2所示。该材料基体相的熔点为170-190度，包覆相的熔点为90-110度。因而当热流从发热体传入时，在120-160度的工作温度区间内，该材料的基体相可以维持在固相而不会发生熔化（固相体积分数为20-25%）。同时在该设定的温度下，包覆相已经发生熔化，形成固态的基体相对液态的包覆相的封装作用而获得的非常柔软的热界面材料。此外，该热界面材料还具有非常优异的传热系数（50-60 W/m﹒K）。在用于高效散热的场合时，不仅可以充分填充发热体和散热体之间的细小空隙，也可以从根本上杜绝了目前液态金属在熔化后四处流动，造成间隙增大的现状。
（3）该产品实用性广，加工冶炼方法简单，生产成本低，便于工业化的大规模生产和实际应用。在施和产业化后，不仅可以解决行业难题，同时也能获得极大的市场价值。
附图说明
图1：一个包括A，B和C三元体系相图在恒温下截面示意图。右上角为指定成分发生调幅分解后形成的两种液相。
图2：本专利设计的新型液态金属热界面材料。包括基体相和包覆相两部分。
具体实施方式
实施例1
一种包覆型120-160度散热用锡基液态金属材料。按重量百分比计,该合金组成为:Cr:0.5wt.%,Si:0.2wt.%,Ga:0.6wt.%,Sb:2.0wt.%,B:0.2wt.%,Zn:20.0wt.%,Te:0.4wt.%,余量为锡。
上述散热材料的制备方法，包括如下加工步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用石墨坩埚和氩气保护；在400-500度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，导入石墨模具内进行浇铸；（b）将铸锭进行冷轧，每道次轧制的压下量为15-20%，直到轧到所需的厚度（0.1-0.5mm）。
该材料在制备成箔状的热界面材料后，其使用模式如图2所示。该材料的基体相的熔点为175度，包覆相的熔点为92度。因而当热流从发热体传入时，在120-160度的工作温度区间内，该材料的基体相可以维持在固相而不会发生熔化（固相体积分数为24%）。同时在该设定的温度下，包覆相已经发生熔化，形成固态的基体相对液态的包覆相的封装作用而获得的非常柔软的热界面材料。此外，该热界面材料还具有非常优异的传热系数（50W/m﹒K）。在用于高效散热的场合时，不仅可以充分填充发热体和散热体之间的细小空隙，也可以从根本上杜绝了目前液态金属在熔化后四处流动，造成间隙增大的现状。
实施例2
一种包覆型120-160度散热用锡基液态金属材料。按重量百分比计,该合金组成为:Cr:0.8wt.%,Si:0.4wt.%,Ga:0.8wt.%,Sb:3.0wt.%,B:0.3wt.%,Zn:30.0wt.%,Te:0.5wt.%,余量为锡。
上述散热材料的制备方法，包括如下加工步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用石墨坩埚和氩气保护；在400-500度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，导入石墨模具内进行浇铸；（b）将铸锭进行冷轧，每道次轧制的压下量为15-20%，直到轧到所需的厚度（0.1-0.5mm）。
该材料在制备成箔状的热界面材料后，其使用模式如图2所示。该材料的基体相的熔点为185度，包覆相的熔点为92度。因而当热流从发热体传入时，在120-160度的工作温度区间内，该材料的基体相可以维持在固相而不会发生熔化（固相体积分数为21%）。同时在该设定的温度下，包覆相已经发生熔化，形成固态的基体相对液态的包覆相的封装作用而获得的非常柔软的热界面材料。此外，该热界面材料还具有非常优异的传热系数（58 W/m﹒K）。在用于高效散热的场合时，不仅可以充分填充发热体和散热体之间的细小空隙，也可以从根本上杜绝了目前液态金属在熔化后四处流动，造成间隙增大的现状。
实施例3
一种包覆型120-160度散热用锡基液态金属材料。按重量百分比计,该合金组成为:Cr:0.6wt.%,Si:0.3wt.%,Ga:0.6wt.%,Sb:2.5wt.%,B:0.2wt.%,Zn:25.0wt.%,Te:0.4wt.%,余量为锡。
上述散热材料的制备方法，包括如下加工步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用石墨坩埚和氩气保护；在400-500度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，导入石墨模具内进行浇铸；（b）将铸锭进行冷轧，每道次轧制的压下量为15-20%，直到轧到所需的厚度（0.1-0.5mm）。
该材料在制备成箔状的热界面材料后，其使用模式如图2所示。该材料的基体相的熔点为180度，包覆相的熔点为100度。因而当热流从发热体传入时，在120-160度的工作温度区间内，该材料的基体相可以维持在固相而不会发生熔化（固相体积分数为25%）。同时在该设定的温度下，包覆相已经发生熔化，形成固态的基体相对液态的包覆相的封装作用而获得的非常柔软的热界面材料。此外，该热界面材料还具有非常优异的传热系数（52 W/m﹒K）。在用于高效散热的场合时，不仅可以充分填充发热体和散热体之间的细小空隙，也可以从根本上杜绝了目前液态金属在熔化后四处流动，造成间隙增大的现状。
Claims (2)
1.一种包覆型120-160度散热用锡基液态金属材料；按重量百分比计，该合金组成为：Cr:0.5-0.8wt.%,Si:0.2-0.4wt.%,Ga:0.6-0.8wt.%,Sb:2.0-3.0wt.%,B:0.2-0.3wt.%,Zn:20.0-30.0wt.%,Te:0.4-0.5wt.%,余量为锡。
2.权利要求1所述一种包覆型120-160度散热用锡基液态金属材料，其特征在于包括如下加工步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用石墨坩埚和氩气保护；在400-500度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，导入石墨模具内进行浇铸；（b）将铸锭进行冷轧，每道次轧制的压下量为15-20%，直到轧到所需的厚度（0.1-0.5mm）。
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