一种热界面材料及包含其的电子器件
阅读说明：本技术 一种热界面材料及包含其的电子器件 (Thermal interface material and electronic device comprising same ) 是由 华菲 米娜·雅玛 于 2021-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种热界面材料及包含其的电子器件,所述热界面材料包括相变合金材料,所述热界面材料具有固相线温度和液相线温度,所述液相线温度高于所述固相线温度,所述固相线温度低于电子器件正常工作温度。电子器件正常工作开始时,所述热界面材料向液相转变,使得发热器件与散热器件之间不存在空气间隙,导热性能优异；而且,所述热界面材料的结构简单,使用方便,进一步降低了电子器件的制造成本。(The invention provides a thermal interface material and an electronic device comprising the same, wherein the thermal interface material comprises a phase-change alloy material, the thermal interface material has a solidus temperature and a liquidus temperature, the liquidus temperature is higher than the solidus temperature, and the solidus temperature is lower than the normal working temperature of the electronic device. When the electronic device starts to work normally, the thermal interface material is converted to liquid phase, so that no air gap exists between the heating device and the heat dissipation device, and the heat conduction performance is excellent; moreover, the thermal interface material is simple in structure and convenient to use, and the manufacturing cost of the electronic device is further reduced.)
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种导热材料，尤其涉及一种热界面材料及包含其的电子器件。
背景技术
随着当代电子技术迅速的发展，电子元器件的集成程度和组装密度不断提高，在提供强大的使用功能的同时，也导致了其工作功耗和发热量的急剧增大。高温将会对电子器件的稳定性、可靠性和寿命产生有害的影响。因此，确保发热电子元器件所产生的热量能够及时的排出，已经成为微电子产品系统组装的一个重要方面。因此，热界面材料成为了电子器件散热的重要研究对象。
金属热界面材料为一种常用的热界面材料，包括纯金属热界面材料和铟箔，然而纯金属热界面材料和铟箔存在以下不足：(1)纯金属热界面材料在使用时需将其熔化后再使用，使用过程中会有金属反复凝固熔化而溢出的可能，将导致电子元器件短路等危险；同时，使用过程中的固液相变体积变化会损伤发热元件。(2)铟箔熔点较高，在使用过程中均为固态，导致铟箔不能很好地填充电子元器件之间的空气间隙，导致接触热阻较大，导热效率较低。
CN 104218010A公开了的金属热界面材料在使用时，需要将此种热界面材料放置在热源与散热器之间，温度升高至低熔点金属熔点时，上下两层低熔点金属层熔化，实现热源与散热器之间优异的热接触。低熔点金属熔化后与中间铟箔层熔为一体形成合金，合金的熔点高于低熔点金属。此时，热界面材料紧密固定在传热界面上；而且在后续使用中，热界面材料始终为固体，不会熔化而溢出。但是固体状态的热界面材料在温度波动较大的环境下使用，容易出现应变裂纹等缺陷，从而使热界面材料的导热效果随着使用时间的延长而降低。
CN 101803010A公开了一种热界面材料，包含该热界面材料的电子器件和其制备和使用的方法。所述热界面材料包括热导金属，以及在所述热导金属中的粗聚合物颗粒；其中所述的热导金属具有高于电子器件标准工作温度和低于所述电子器件制造温度的熔点。在设置所述热界面材料时，需要将温度加热到高于所述热导金属的熔点的温度以使热导金属熔化，使用较为繁琐。而且在使用时，所述热界面材料为固态，第一电子部件与第二电子部件之间的热传导稳定性较差，长期使用同样容易出现裂纹等缺陷，从而使热界面材料的导热效果随着使用时间的延长而降低。
对此，需要提供一种便于工业化装配，同时能够长时间稳定导热的热界面材料及包含其的电子器件。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种热界面材料及包含其的电子器件，所述热界面材料不存在固体导热材料长时间使用产生裂纹的缺陷；而且，所述热界面在使用时可直接设置于发热器件与散热器件之间，无需加热熔化后再进行设置，简化了装配工艺，有利于提高工业生产的效率。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种热界面材料，所述热界面材料包括相变合金材料；
所述热界面材料具有固相线温度和液相线温度，所述液相线温度高于所述固相线温度，所述固相线温度低于电子器件正常工作温度。
所述固相线温度是指所述热界面材料冷却时，开始形成固体的温度；所述液相线温度是指所述热界面材料加热时，开始形成液体的温度。
本发明提供的热界面材料中，固相线温度低于电子器件正常工作温度。在电子器件正常工作时，热界面材料至少已有部分呈液态。这些液态的合金与固态合金相比具有更好的导热效率，而且这些液态导热合金能够充分浸润表面，从提高导热面积的角度进一步保证了导热效率；同时，由于在电子器件正常工作时，热界面材料至少已有部分呈液态，能够避免固体导热介质长时间使用时出现裂痕的缺陷。
可以理解的是，不同的电子器件其正常工作温度可能是不同的。在本发明的一些实施方式中，电子器件的正常工作温度为60-90℃，例如可以是60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃或90℃，在本发明的另一些实施方式中，电子器件的正常工作温度为70-130℃，例如可以是70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃或130℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选的，所述热界面材料的液相线温度高于电子器件的正常工作温度。
当热界面材料的液相线温度高于电子器件的正常工作温度时，使得电子器件在正常工作时，热界面材料既存在固相，同时也存在液相，类似于糊状，保证了热界面材料在使用时不溢出，保证了电子器件的运行安全。
优选的，所述热界面材料的固相线温度高于室温。
当热界面材料的固相线温度高于室温，也就是说，热界面材料在室温下呈固态，使得该热界面材料易于运输及储存，并且操作更加方便。
优选的，所述相变合金材料为铟、锡或铋中的至少两种组成的合金，例如可以是铟锡合金、锡铋合金或铟锡铋合金，但不限于上述列举，保护范围内其它未列举的合金同样适用。
优选的，所述相变合金材料为铟锡铋合金。
优选的，以质量百分数计，所述铟锡铋合金中铟的质量百分含量为43-70wt％，锡的质量百分含量为10.33-35wt％，铋的质量百分含量为19.67-32wt％；且不同时满足铟为51.2wt％、锡为16.8wt％且铋为32wt％。
当同时满足铟为51.2wt％、锡为16.8wt％且铋为32wt％时，铟锡铋合金处于共晶态，无法符合本发明中固相线温度和液相线温度的要求。
具体的，以质量百分数计，所述铟锡铋合金中，51.2wt％<In≤70wt％，例如可以是52wt％、55wt％、60wt％、65wt％或70wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；10.33wt％≤Sn<16.8wt％，例如可以是10.33wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％或16wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；19.67wt％≤Bi<32wt％，例如可以是19.67wt％、21wt％、22wt％、23wt％、24wt％、25wt％、27wt％、28wt％、30wt％或31wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
或，43wt％≤In<51.2wt％，例如可以是43wt％、45wt％、48wt％、50wt％或51wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；16.8wt％<Sn≤35wt％，例如可以是17wt％、18wt％、20wt％、24wt％、25wt％、28wt％、30wt％或35wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；22≤Bi<32wt％，例如可以是22wt％、24wt％、25wt％、27wt％、30wt％或31wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
在本发明中，发明人发现铟锡铋合金中当铟、锡、铋的质量百分含量为上述数值范围时，该热界面材料不仅在电子器件正常工作时类似于糊状，不会溢出，而且导热性能优异。
优选的，以质量百分数计，所述热界面材料中包括≤5wt％的掺杂材料，例如可以是1wt％、2wt％、3wt％、4wt％或5wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
热界面材料中添加掺杂材料时，需要使掺杂材料≤5wt％，若掺杂材料的添加量>5wt％，则会使热界面材料的导热性能变差。
优选地，所述掺杂材料包括Ni、Sb、Ce、Zn、Cu、Ge、Ga、Ti、Rb、Ag、Co或Cr中的任意一种或至少两种的组合；典型但非限制性的组合包括Ni与Sb的组合，Sb与Ce的组合，Ce与Zn的组合，Zn与Cu的组合，Cu与Ge的组合，Ge与Ti的组合，Ga与Ti的组合，Ga与Cu的组合，Ti与Rb的组合，Rb与Ag的组合，Ag与Co的组合，Co与Cr的组合，Ni、Sb与Ce的组合，Ce、Zn与Cu的组合，Rb、Ag、Co与Cr的组合，Sb、Ce、Zn、Cu与Ge的组合，Cu、Ge、Ti、Rb、Ag与Cr的组合，或Ni、Sb、Ce、Zn、Cu、Ge、Ga、Ti、Rb、Ag、Co与Cr的组合。
本发明所述掺杂材料的添加不仅能够增加热界面材料的导热性能，还能够增加导热的稳定性。在实际应用过程中，设置于发热器件与散热器件之间的导热材料，会与两侧的电子部件发生界面反应，生成的金属间化合物会降低材料的导热性能，而本发明则发现，通过掺杂材料的添加能够有效抑制界面反应，减少金属间化合物的生成，从而提高热界面材料的稳定性。而且，所述掺杂材料的添加还能够提高热界面材料的抗氧化能力，减缓热界面材料的氧化速度，进而能够提高热界面材料的稳定性。
优选的，以质量百分数计，所述热界面材料中包括≤10wt％的导热填充剂，例如可以是1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％或10wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
热界面材料中添加导热填充剂时，需要使导热填充剂≤10wt％，若导热填充剂的添加量>10wt％，则会使材料的粘度过高，无法均匀涂覆，并影响材料的导热性能。
优选地，所述导热填充剂包括SiC颗粒、AlN颗粒、Al2O3颗粒或BN颗粒中的任意一种或至少两种的组合；典型但非限制性的组合包括SiC颗粒与AlN颗粒的组合，AlN颗粒与Al2O3颗粒的组合，Al2O3颗粒与BN颗粒的组合，SiC颗粒与Al2O3颗粒的组合，AlN颗粒、Al2O3颗粒与BN颗粒的组合，或SiC颗粒、AlN颗粒、Al2O3颗粒与BN颗粒的组合。
所述导热填充剂的添加不仅能够提高导热性能，还能够增加所述热界面材料在电子器件正常工作温度下的粘度，从而防止其在实际使用过程中的溢出。
第二方面，本发明提供了一种电子器件，所述电子器件包括第一电子部件、第二电子部件以及设置于第一电子部件与第二电子部件之间的热界面材料。
所述热界面材料为第一方面所述的热界面材料。
优选地，所述第一电子部件为半导体芯片，所述第二电子部件为均热器。
即本发明第一方面所述的热界面材料可用于TIM1。
优选地，所述第一电子部件为半导体芯片，所述第二电子部件为散热器。
即本发明第一方面所述的热界面材料可用于TIM1.5。
优选地，所述第一电子部件为均热器，所述第二电子部件为散热器。
即本发明第一方面所述的热界面材料可用于TIM2。
应用本发明提供的热界面材料时，可将热界面材料直接设置于第一电子部件与第二电子部件之间，无需先将其熔化，然后再进行设置。本发明所述热界面材料在装配时可直接设置于第一电子部件与第二电子部件之间，可以直接利用发热器件产生的热量至少实现部分熔化，而后以该状态进行热传导，简化了应用工艺，有利于提高工业化生产的效率。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的热界面材料中，固相线温度低于电子器件正常工作温度；在电子器件正常工作时，热界面材料至少已有部分呈液态；这些液态的合金与固态合金相比具有更好的导热效率，而且这些液态导热合金能够充分浸润表面，从提高导热面积的角度进一步保证了导热效率；同时，由于在电子器件正常工作时，热界面材料至少已有部分呈液态，能够避免固体导热介质长时间使用时出现裂痕的缺陷；
(2)本发明使热界面材料的液相线温度高于电子器件的正常工作温度，使得电子器件在正常工作时，热界面材料既存在固相，同时也存在液相，类似于糊状，保证了热界面材料在使用时不溢出，保证了电子器件的运行安全；
(3)本发明使热界面材料的固相线温度高于室温，也就是说，热界面材料在室温下呈固态，使得该热界面材料易于运输及储存，并且操作更加方便；
(4)本发明通过掺杂材料的添加不仅能够增加热界面材料的导热性能，还能够增加导热的稳定性；在实际应用过程中，设置于发热器件与散热器件之间的导热材料，会与两侧的电子部件发生界面反应，生成的金属间化合物会降低材料的导热性能，而本发明则发现，通过掺杂材料的添加能够有效抑制界面反应，减少金属间化合物的生成，从而提高热界面材料的稳定性。而且，所述掺杂材料的添加还能够提高热界面材料的抗氧化能力，减缓热界面材料的氧化速度，进而能够提高热界面材料的稳定性；
(5)本发明通过导热填充剂的添加不仅能够提高导热性能，还能够增加所述导热金属材料在电子器件正常工作温度下的粘度，从而防止其在实际使用过程中的溢出；
(6)本发明所述热界面材料用于电子器件时，将热界面材料在装配时可直接设置于第一电子部件与第二电子部件之间，可以直接利用发热器件产生的热量至少实现部分熔化，而后以该状态进行热传导，简化了应用工艺，有利于提高工业化生产的效率。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。具体实施方式中涉及的测试方法包括抗氧化性能测试、抑制界面反应性能测试以及判断是否存在溢出。
其中抗氧化性能测试的方法为：将所得热界面材料密封在两片玻璃片中间，然后加热至150℃，保温100h、300h、1000h，分别观察颜色变化并测量导热系数。将所得热界面材料密封在两片玻璃片中间，然后在85％R.H的湿度条件下加热至55℃，保温100h、300h、600h，分别观察颜色变化并测量导热系数。
抑制界面反应性能测试的方法为：将所得热界面材料放置于铜线上，加热至300℃、350℃、400℃并在每个温度下分别保温24h、48h，然后分别测量剩余铜线的直径，从而得到铜的溶解量，进而可以得到铜的溶解速率；
判断是否存在溢出的方法：将热界面材料置于两片铜片之间，然后加热至80℃、100℃、130℃，分别测量加热前后热界面材料的厚度，厚度无变化则意味着无溢出发生。
实施例1
本实施例提供了一种热界面材料，所述热界面材料包括相变合金材料。
所述相变合金材料为铟锡铋合金；以质量百分数计，所述铟锡铋合金中铟的质量百分含量为70wt％，锡的质量百分含量为10.33wt％，铋的质量百分含量为19.67wt％。
本实施例所得热界面材料的液相线温度高于电子器件的正常工作温度，固相线温度低于电子器件正常工作温度。
实施例2
本实施例提供了一种热界面材料，所述热界面材料包括相变合金材料。
所述相变合金材料为铟锡铋合金；以质量百分数计，所述铟锡铋合金中铟的质量百分含量为43wt％，锡的质量百分含量为35wt％，铋的质量百分含量为22wt％。
本实施例所得热界面材料的液相线温度高于电子器件的正常工作温度，固相线温度低于电子器件正常工作温度。
实施例3
本实施例提供了一种热界面材料，所述热界面材料包括相变合金材料与掺杂材料。
所述相变合金材料为铟锡铋合金；铟锡铋合金中铟、锡与铋的比例与实施例1相同；以质量百分数计，所述热界面材料中包括3wt％的掺杂材料，如Sb、Zn、Cu、Ge、Ga、Ag等。
本实施例所得热界面材料的液相线温度高于电子器件的正常工作温度，固相线温度低于电子器件正常工作温度。
本实施例与实施例1相比，通过掺杂材料的添加，在抗氧化性能测试实验中无明显色变，且导热系数无明显下降；在抑制界面反应性能测试中，铜的溶解速率较慢，有效抑制了界面反应。
实施例4
本实施例提供了一种热界面材料，所述热界面材料包括相变合金材料与导热填充剂。
所述相变合金材料为铟锡铋合金；铟锡铋合金中铟、锡与铋的比例与实施例1相同；以质量百分数计，所述热界面材料中包括5wt％的导热填充剂，如SiC、AlN、Al2O3、BN等。
本实施例所得热界面材料的液相线温度高于电子器件的正常工作温度，固相线温度低于电子器件正常工作温度。
本实施例通过导热填充剂的添加在溢出测试中加热前后厚度无明显变化，表明本实施例通过导热填充剂的添加不仅能够提高导热性能，还能够增加所述导热金属材料在电子器件正常工作温度下的粘度，从而防止其在实际使用过程中的溢出。
实施例5
本实施例提供了一种热界面材料，所述热界面材料包括相变合金材料、掺杂材料与导热填充剂。
所述相变合金材料为铟锡铋合金，铟锡铋合金中铟、锡与铋的比例与实施例1相同；以质量百分数计，所述热界面材料中包括1wt％的掺杂材料，如Sb、Zn、Cu、Ge、Ga、Ag等；以质量百分数计，所述热界面材料中还包括9wt％的导热填充剂，如SiC、AlN、Al2O3、BN等。
本实施例所得热界面材料的液相线温度高于电子器件的正常工作温度，固相线温度低于电子器件正常工作温度。
本实施例通过掺杂材料的添加，在抗氧化性能测试实验中无明显色变，且导热系数无明显下降；在抑制界面反应性能测试中，铜的溶解速率较慢，有效抑制了界面反应。
本实施例通过导热填充剂的添加在溢出测试中加热前后厚度无明显变化，表明本实施例通过导热填充剂的添加不仅能够提高导热性能，还能够增加所述导热金属材料在电子器件正常工作温度下的粘度，从而防止其在实际使用过程中的溢出。
综上所述：(1)本发明提供的热界面材料中，固相线温度低于电子器件正常工作温度；在电子器件正常工作时，热界面材料至少已有部分呈液态；这些液态的合金与固态合金相比具有更好的导热效率，而且这些液态导热合金能够充分浸润表面，从提高导热面积的角度进一步保证了导热效率；同时，由于在电子器件正常工作时，热界面材料至少已有部分呈液态，能够避免固体导热介质长时间使用时出现裂痕的缺陷；
(2)本发明使热界面材料的液相线温度高于电子器件的正常工作温度，使得电子器件在正常工作时，热界面材料既存在固相，同时也存在液相，类似于糊状，保证了热界面材料在使用时不溢出，保证了电子器件的运行安全；
(3)本发明使热界面材料的固相线温度高于室温，也就是说，热界面材料在室温下呈固态，使得该热界面材料易于运输及储存，并且操作更加方便；
(4)本发明通过掺杂材料的添加不仅能够增加热界面材料的导热性能，还能够增加导热的稳定性；在实际应用过程中，设置于发热器件与散热器件之间的导热材料，会与两侧的电子部件发生界面反应，生成的金属间化合物会降低材料的导热性能，而本发明则发现，通过掺杂材料的添加能够有效抑制界面反应，减少金属间化合物的生成，从而提高热界面材料的稳定性。而且，所述掺杂材料的添加还能够提高热界面材料的抗氧化能力，减缓热界面材料的氧化速度，进而能够提高热界面材料的稳定性；
(5)本发明通过导热填充剂的添加不仅能够提高导热性能，还能够增加所述导热金属材料在电子器件正常工作温度下的粘度，从而防止其在实际使用过程中的溢出；
(6)本发明所述热界面材料用于电子器件时，将热界面材料在装配时可直接设置于第一电子部件与第二电子部件之间，可以直接利用发热器件产生的热量至少实现部分熔化，而后以该状态进行热传导，简化了应用工艺，有利于提高工业化生产的效率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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