[发明专利]一种复合结构的导热垫片

说明书

技术领域

本发明涉及电子组装技术领域，尤其涉及一种复合结构的导热垫片。

背景技术

随着半导体和电子技术的发展，元器件的功率急剧增大，随之伴生的热效应，是器件失效的重要原因。目前常用的组装方式，包括合金焊料焊接，导热硅脂，导热银胶，铟垫片等。合金焊料焊接导热效果好，但是不可拆卸，维修极为不方便；导热硅脂和导热银胶不仅导热系数低，无法应对大功率器件的需求，而且会发生老化，不能保证长期稳定性。铟质地柔软，导热性好，因此常用作导热垫片。

当纯铟用作导热垫片时，整体组装热阻包括材料热阻和界面接触热阻两部分，其中后者占80％以上。对于其他金属或非金属导热垫，由于并不具备纯铟的柔软特性，接触热阻更会大幅增加。因此，降低整体热阻的主要方向是降低界面接触热阻，同时兼顾保证导热垫本身的导热性能不恶化。为了达到这一目的，一是需要增强器件与导热垫片的接触效果，减少两者之间的空隙，降低接触热阻；二是要保证导热垫自身的导热性能，最好为纯金属。合金化会大幅降低其导热系数，例如纯铜的导热系数为401W/m*K，而合金化之后的黄铜仅为70-183W/m*K，导热性能降低非常显著。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种复合结构的导热垫片，本发明通过在导热垫片表面制备复合结构，在降低界面热阻的同时，保证了导热垫自身的导热能力不受大的影响，从而降低功率器件组装时的整体热阻。

本发明采用如下技术方案：

本发明的复合结构的导热垫片的基体表面复合有低温金属，初次使用时，随着升温至工作温度，两个过程同时进行，一是低温金属熔化，填充器件与导热垫的间隙，减少两者接触热阻；二是液态的低温金属与导热垫基体发生融合，液相消失，这一过程是不可逆的，只在第一次工作时在基体表面进行，不影响基体自身的导热性能。

所述的导热垫片基体成分为纯金属、金属合金或非金属，具有优良的导热性且熔点高于工作温度。

所述的导热垫片基体为In，Ag，Cu，In-3Ag，Sn或石墨片。

所述的低温金属成分为纯金属或合金，其固相点低于工作温度。

所述的低温金属为In(熔点156℃)、In-50Sn(熔程120-123℃)、Sn(熔点233℃)或In-20Bi(熔程72-115℃)。

低温金属层的厚度h与器件的表面粗糙度Ra相关，h＝(2～5)Ra，占导热垫片总厚度的0.1％～8％，优选为1％～5％。

所述的低温金属在基体表面是双面、单面或局部。

所述的低温金属在基体表面分布是均匀、离散或特定形状。

低温金属和基体复合方式是复合轧制，喷涂，电镀或浸镀。

工作时过程中当界面温度升高到低温金属固相点时低温金属开始熔化，直至液相点结束。由于液态金属具有远高于固体金属的充型能力，可以迅速有效地填充导热垫片与器件的间隙，减少接触热阻。这一过程同时伴随着低温金属与基体近表面处发生相互扩散，使液相逐步消失，近表面处变为两者混合成分。虽然这一过程是不可逆的，但导热垫与器件之间空隙被填充的形貌得到保留，依然能起到减少界面热阻的作用。这一过程中，低熔点相对基体的表面影响深度Δ可以用以下表达式估算。

Δ≈h*(γ₁/γ₂-1)

其中h为低熔点层厚度，与器件表面粗糙度Ra相关，为有效填充器件表面凹凸处，取h＝(1-5)Ra；γ₁为低熔点金属特有组分A的含量；γ₂为工作温度下液相消失时融合层中A含量。可以看到，在低熔点金属厚度h在微米级时，只要控制好γ₁/γ₂的取值，影响区也很小。因此可以认为低温金属只与基体近表面处发生扩散融合，而对基体自身的导热性不会产生严重的影响。

本发明的有益效果如下：

本发明通过液态金属辅助润湿和填充空隙，有效降低功率器件组装时的界面接触热阻和整体热阻；低温金属仅与基体近表面处发生固溶，对基体自身的导热性能影响可以忽略；液相量少，可以在压力下使用，工作时液相不会因受压而被挤出，使用方便；长期工作的稳定性好，可靠性高；由于导热垫与器件仅发生物理接触而未发生界面反应，因而拆卸维护极为方便。本发明的复合结构的导热垫片能够提高功率器件散热能力。

附图说明

图1是典型功率器件微波射频管的组装示意图；

1微波射频管、2导热垫片、3基板。

图2是固体界面接触示意图；

4固体、5接触空隙。