[发明专利]一种具有反熔特性的液态金属热界面材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有反熔特性的液态金属热界面材料及其制备方法，其特征在于，以重量百分比计包含20‑40wt%的铟、0‑6wt%的铋、0‑2wt%的锑、0‑3wt%的锌、0‑0.6wt%的银、0‑0.3wt%的镍、0‑0.8wt%的铈、0‑0.6wt%的铕、和余量的锡。其在绝缘栅双极型晶体管IGBT工作环境下具有优良的导热性能和化学稳定性，非常适用于大规模工业生产和实际应用中的IGBT器件。

技术领域

本发明涉及一种具有反熔特性的液态金属热界面材料及其制备方法，具体的涉及一种用于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）系统的液态金属热界面材料及其制备方法。

背景技术

众所周知，IGBT器件以其输入阻值高、开关速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等特点，已成为当今功率半导体器件发展的主流器件，广泛应用到各种交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域功率电子电路中。

但是当IGBT器件工作时，产生的热量会使芯片温度迅速上升超过最大允许IGBT结温。由此会使得IGBT的性能将大大降低，而不能稳定工作，导致性能下降或失效。近年来由于IGBT技术的进一步发展，相关的极端环境下的高效散热技术已经成为热管理工程师和科学家都渴望解决的关键技术问题。

完整的IGBT模块包括IGBT器件、散热器、热风扇以及导热介质四部分组成，其中IGBT器件本身和导热介质对散热性能起决定性作用。发热体和散热体之间的接触面有微观上的孔洞，中间充满了空气。因为空气是不良热导体，发热体和散热器之间的热界面电阻非常大，严重阻碍了热传导，最终导致低散热效率。具有高导热系数的热界面材料可以填充这些微观上的空隙，有助于建立有效的热传导通道，从而大大降低热界面电阻。因而一直期待开发具有高传热性能的热界面材料。

专利文献1中公开了纳米银焊膏作为高传热性能的热界面材料，用于解决压接式IGBT模块出现的热阻值大、温升快从而导致模块的电性能不稳定问题。但是必须看到该专利文献中的纳米银焊膏仍然处于正常熔化行为的合金材料。当用于热界面材料填充发热体和散热体之间的空隙时，仍然属于在固态下工作的热界面材料，并不具备使用温度下处于固-液状态且具备反熔特性的液态金属热界面材料。

专利文献2中公开了一种聚多巴胺功能修饰的高导热硅橡胶热界面材料，从而解决LED做成品后热导率偏低，即使使用硅烷偶联剂进行表面处理，也不能保证100%填料表面被包覆的问题。但是必须看到该热界面材料仍然是由有机物制备而成，相对于金属的高导热系数来说，专利文献2提供的只是具备比较低散热系数的热界面材料。在使用温度下并不会发生熔化，更不具备反熔特性来更为有效的填充发热体和散热体之间的空隙。

现有技术文献：专利文献1：CN106373954A号公报，专利文献2：CN106317887A号公报。

发明内容

随着电子技术的快速发展，电子芯片产生的大量热量成为热管理领域一个严重的问题，特别是对于IGBT系统。目前硅脂常被用来填补热源和散热器之间的空隙，但是其热导率很低，通常小于3W／m·K，严重阻碍了在电子散热领域的大规模应用。

作为一种新型的高效散热材料(热导率约40-85w／m·K)，液态金属已经被认为是极端环境下IGBT器件热管理的一个终极有效方案。另人遗憾的是，传统的液态金属在其熔点附近的温度作为热界面材料使用时容易发生侧向泄漏，会导致电子芯片短路。

理想的热界面材料应具备如下的物理和化学特性：（1）高导热系数来保证有效散热；（2）良好的流动性来有效填补热发热体和散热体之间的微小间隙；（3）在低压力安装独特的灵活性。硅脂是传统上用于电子器件的热传导的热界面材料，但是传热系数很低(~1-2W/m·k)。而且，经过长时间的服役后，由于有机成分的蒸发和氧化，硅脂会变脆和老化。相比而言，近年来出现的液态金属除了具有极高的导热性能外，还由于极低的蒸汽压和抗氧化性，在散热领域处于金字塔的顶端，特别适用于高密度大功率电子元器件。