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一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱墊片的制作方法

文檔序號(hào):8267944閱讀:468來源:國(guó)知局
一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱墊片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子組裝技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱墊片。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體和電子技術(shù)的發(fā)展,元器件的功率急劇增大,隨之伴生的熱效應(yīng),是器件失效的重要原因。目前常用的組裝方式,包括合金焊料焊接,導(dǎo)熱硅脂,導(dǎo)熱銀膠,銦墊片等。合金焊料焊接導(dǎo)熱效果好,但是不可拆卸,維修極為不方便;導(dǎo)熱硅脂和導(dǎo)熱銀膠不僅導(dǎo)熱系數(shù)低,無法應(yīng)對(duì)大功率器件的需求,而且會(huì)發(fā)生老化,不能保證長(zhǎng)期穩(wěn)定性。銦質(zhì)地柔軟,導(dǎo)熱性好,因此常用作導(dǎo)熱墊片。
[0003]當(dāng)純銦用作導(dǎo)熱墊片時(shí),整體組裝熱阻包括材料熱阻和界面接觸熱阻兩部分,其中后者占80%以上。對(duì)于其他金屬或非金屬導(dǎo)熱墊,由于并不具備純銦的柔軟特性,接觸熱阻更會(huì)大幅增加。因此,降低整體熱阻的主要方向是降低界面接觸熱阻,同時(shí)兼顧保證導(dǎo)熱墊本身的導(dǎo)熱性能不惡化。為了達(dá)到這一目的,一是需要增強(qiáng)器件與導(dǎo)熱墊片的接觸效果,減少兩者之間的空隙,降低接觸熱阻;二是要保證導(dǎo)熱墊自身的導(dǎo)熱性能,最好為純金屬。合金化會(huì)大幅降低其導(dǎo)熱系數(shù),例如純銅的導(dǎo)熱系數(shù)為401W/m*K,而合金化之后的黃銅僅為70-183W/m*K,導(dǎo)熱性能降低非常顯著。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述問題,本發(fā)明提供了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱墊片,本發(fā)明通過在導(dǎo)熱墊片表面制備復(fù)合結(jié)構(gòu),在降低界面熱阻的同時(shí),保證了導(dǎo)熱墊自身的導(dǎo)熱能力不受大的影響,從而降低功率器件組裝時(shí)的整體熱阻。
[0005]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱墊片的基體表面復(fù)合有低溫金屬,初次使用時(shí),隨著升溫至工作溫度,兩個(gè)過程同時(shí)進(jìn)行,一是低溫金屬熔化,填充器件與導(dǎo)熱墊的間隙,減少兩者接觸熱阻;二是液態(tài)的低溫金屬與導(dǎo)熱墊基體發(fā)生融合,液相消失,這一過程是不可逆的,只在第一次工作時(shí)在基體表面進(jìn)行,不影響基體自身的導(dǎo)熱性能。
[0007]所述的導(dǎo)熱墊片基體成分為純金屬、金屬合金或非金屬,具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性且熔點(diǎn)高于工作溫度。
[0008]所述的導(dǎo)熱墊片基體為In,Ag,Cu,In_3Ag,Sn或石墨片。
[0009]所述的低溫金屬成分為純金屬或合金,其固相點(diǎn)低于工作溫度。
[0010]所述的低溫金屬為In (熔點(diǎn) 156°C )、In_50Sn (熔程 120_123°C )、Sn (熔點(diǎn) 233°C )或 In-20Bi (熔程 72-115°C )。
[0011]低溫金屬層的厚度h與器件的表面粗糙度Ra相關(guān),h = (2?5) Ra,占導(dǎo)熱墊片總厚度的0.1%?8%,優(yōu)選為1%?5%。
[0012]所述的低溫金屬在基體表面是雙面、單面或局部。
[0013]所述的低溫金屬在基體表面分布是均勻、離散或特定形狀。
[0014]低溫金屬和基體復(fù)合方式是復(fù)合軋制,噴涂,電鍍或浸鍍。
[0015]工作時(shí)過程中當(dāng)界面溫度升高到低溫金屬固相點(diǎn)時(shí)低溫金屬開始熔化,直至液相點(diǎn)結(jié)束。由于液態(tài)金屬具有遠(yuǎn)高于固體金屬的充型能力,可以迅速有效地填充導(dǎo)熱墊片與器件的間隙,減少接觸熱阻。這一過程同時(shí)伴隨著低溫金屬與基體近表面處發(fā)生相互擴(kuò)散,使液相逐步消失,近表面處變?yōu)閮烧呋旌铣煞?。雖然這一過程是不可逆的,但導(dǎo)熱墊與器件之間空隙被填充的形貌得到保留,依然能起到減少界面熱阻的作用。這一過程中,低熔點(diǎn)相對(duì)基體的表面影響深度△可以用以下表達(dá)式估算。
[0016]Δ ^ h* (γ / γ 2-1)
[0017]其中h為低熔點(diǎn)層厚度,與器件表面粗糙度Ra相關(guān),為有效填充器件表面凹凸處,取h = (1-5) Ra ; γ 低熔點(diǎn)金屬特有組分A的含量;γ 2為工作溫度下液相消失時(shí)融合層中A含量??梢钥吹剑诘腿埸c(diǎn)金屬厚度h在微米級(jí)時(shí),只要控制好γι/γ2的取值,影響區(qū)也很小。因此可以認(rèn)為低溫金屬只與基體近表面處發(fā)生擴(kuò)散融合,而對(duì)基體自身的導(dǎo)熱性不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。
[0018]本發(fā)明的有益效果如下:
[0019]本發(fā)明通過液態(tài)金屬輔助潤(rùn)濕和填充空隙,有效降低功率器件組裝時(shí)的界面接觸熱阻和整體熱阻;低溫金屬僅與基體近表面處發(fā)生固溶,對(duì)基體自身的導(dǎo)熱性能影響可以忽略;液相量少,可以在壓力下使用,工作時(shí)液相不會(huì)因受壓而被擠出,使用方便;長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性好,可靠性高;由于導(dǎo)熱墊與器件僅發(fā)生物理接觸而未發(fā)生界面反應(yīng),因而拆卸維護(hù)極為方便。本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱墊片能夠提高功率器件散熱能力。
【附圖說明】
[0020]圖1是典型功率器件微波射頻管的組裝示意圖;
[0021]I微波射頻管、2導(dǎo)熱墊片、3基板。
[0022]圖2是固體界面接觸示意圖;
[0023]4固體、5接觸空隙。
[0024]圖3是本發(fā)明所述導(dǎo)熱墊片的典型結(jié)構(gòu);
[0025]7導(dǎo)熱墊片的基體、6和8表面低熔點(diǎn)金屬層。
[0026]圖4是導(dǎo)熱墊片使用時(shí)低溫金屬與基體近表面處成分?jǐn)U散示意圖;
[0027]6表面低熔點(diǎn)金屬層、7導(dǎo)熱墊片的基體。
[0028]圖5是導(dǎo)熱墊片近表面處成分變化趨勢(shì)圖;
[0029]9基體元素的含量百分比、10低熔點(diǎn)金屬元素的含量百分比。
[0030]圖6是導(dǎo)熱墊片DSC測(cè)試圖;
[0031]11為100°C循環(huán)、12為120°C循環(huán)、13為140°C循環(huán)、14吸熱峰。
[0032]圖7是導(dǎo)熱墊片形狀示意圖一;
[0033]15是導(dǎo)熱墊基體,16是規(guī)則分布的低溫金屬。
[0034]圖8是導(dǎo)熱墊片形狀示意圖二。
[0035]17是規(guī)則分布的低溫金屬,18是導(dǎo)熱墊基體。
[0036]圖9是導(dǎo)熱墊片工作中的轉(zhuǎn)變示意圖
[0037]20是基體,19,21是表面融合層。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面的實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0039]實(shí)施例1
[0040]器件表面粗糙度Ra = 0.8,工作溫度160°C。所用導(dǎo)熱片基體為純Sn,熔點(diǎn)223°C,厚度H = 0.2mm,表面低熔點(diǎn)金屬為雙面In_50Sn (γ1= 50% )合金,熔程為120_123°C,厚度h = 3Ra = 2.4 μ m,占總厚度的2.3%。制作方法為按InSn-Sn-1nSn的順序疊放,厚度分別為0.024mm, 2.0mm, 0.024mm。然后復(fù)合軋制至總厚度為0.205mm,裁切得到導(dǎo)熱墊片。工作時(shí),升溫至120°C時(shí)In-50Sn開始出現(xiàn)液相,至123°C完全熔化。在此過程中伴隨著液態(tài)金屬填充空隙和液態(tài)金屬與固態(tài)基體Sn的相互擴(kuò)散。擴(kuò)散的進(jìn)行使融合區(qū)的In含量不斷降低,相應(yīng)的固相線不斷升高至工作溫度(由InSn相圖160°C時(shí)Y2= 16% ),液相消失。
[0041]Δ ^ h* ( γ / γ 2-1) =5.1μηι0
[0042]融合區(qū)占導(dǎo)熱墊的總厚度a ^ (2 Δ +2h) / (2h+H) = 7.3%。對(duì)基體的導(dǎo)熱性不會(huì)造成大的影響。
[0043]整體熱阻實(shí)測(cè)為0.1080C *cm2/W,對(duì)照樣0.2mm厚的Sn片為0.867°C *cm2/W,降低了 88%。
[0044]實(shí)施例2
[0045]器件表面粗超度Ra = 1.2,工作溫度120°C。所用導(dǎo)熱片基體為純In,熔點(diǎn)156°C,厚度H = 0.25mm,表面低熔點(diǎn)金屬為雙面In_20Bi (γι=20%)合金,熔程為72_115°C,厚度h = 2.5Ra = 3 ym,占總厚度的2.3%。制作方法為按InB1-1n-1nBi的順序疊放,厚度分別為0.03mm, 2.5mm, 0.03mm。進(jìn)行復(fù)合乳制至總厚度為0.256mm,然后裁切得到導(dǎo)熱墊片。工作時(shí),升溫到72°C時(shí)In-20Bi開始出現(xiàn)液相,至115°C完全熔化。在此過程中伴隨著液態(tài)金屬填充空隙和液態(tài)金屬與固態(tài)基體In的相互擴(kuò)散。擴(kuò)散的進(jìn)行使液相中Bi的含量不斷降低,相應(yīng)的固相線不斷升高,液相減少,直至固相線升高至工作溫度(由InBi相圖120°C時(shí)γ2= 4% ),液相完全消失。
[0046]Δ ^ h* ( γ / γ 2-1) = 12 μ m0
[0047]融合區(qū)占導(dǎo)熱墊的總厚度a ^ ( Δ +h) / (h+H) =9.7%
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