专利名称：低熔点合金箔片的制造方法
技术领域：
本发明是关于一种金属薄片的薄化方法，特别是关于一种低熔点合金箔片 的薄化方法。
背景技术：
随着电子科技的进步，信息处理芯片朝向晶体管高密度化、传输高速化、 整合多功能化以及体积小型化发展。上述功能的提升衍生出发热密度愈来愈高， 其累积的热量将使电子元件的工作温度增加，而造成热负荷愈来愈高。热负荷 的增加将会严重的影响芯片等电子元件的使用寿命及可靠度。若电子散热的问 题无法适当解决，将阻碍芯片与电子产品的推出及产业发展。因此，如何提升 高性能热管理材料，己是电子产业一个刻不容缓的课题。
伴随着芯片及电子元件的散热需求，刺激了散热元件、材料等电子散热产 品的多样化与技术创新。电子散热产品主要有散热装置(如热管、散热器及
风扇..等)与热界面材料(Thermal Interface Materials, TIM)两种类别。
请参照图l，其为公知散热系统示意图。如图所示，此散热系统10至少包 括一电子元件12及一散热器11。其中，电子元件12设置于一电路基板13上， 散热器11设置于电子元件12上方。热界面材料14设置于电子元件12与散热 器11之间。详细地说，热界面材料14的两侧面分别接触于散热器11的下表面 以及电子元件12的上表面。
热界面材料14是一种使用于芯片构装、电子元件与散热器之间的导热介 质，其是利用自身可流动或预热熔融的特性填补前述元件间介面的微孔隙，通 过减少芯片热量传递至基板或至散热装置的热阻抗，以提高芯片散热性能。
热界面材料的性能指针主要有热传导率(Q)与热阻抗(R)，热传导率是 指热量在材料内部热传导的能力，热阻抗是指跨越不同材料介面的热传导的效益。 一般来说，热界面材料的热传导率(Q)愈高、界面接合厚度欲小，则热 界面材料的热阻抗(R)愈低。消费性电子产品所使用的热界面材料主要以散热膏(thermal grease)和相 变化散热贴片(phase change thermal pad)为主。但是目前上述两种热界面材料 的散热效能仍为有限，热传导率(Q)最多达到7W/mk，热阻抗(R)约为 0.25~0.4cm2K/W。另外，散热膏等热界面材料在热循环(temperature cycling) 条件下，散热效能有明显衰退的情形。因此，在芯片效能不断增强，热负荷也 随之增加的趋势下，上述热界面材料的可靠性显然不敷未来产业的应用。为了因应日后更加严苛的热管理需求， 一种称为低熔点合金箔片(Low melting alloy, LMA)的热界面材料被开发出来。低熔点合金箔片具有低熔点、 高热导、热熔相变化填补介面微孔隙的特性，其主要是由必要的铟(In)以及 铋(Bi)、锡(Sn)、和锌(Zn)等元素的部份或全部组合而成，组成元素可为 Sn-In、 In-Bi-Sn或In-Bi-Sn-Zn。此外，前述主要组成合金更可包括至少一种非 毒害环境元素，例如银、铜、钛、锗、铝、铈、镧或硅等元素。低熔点合金箔 片24可依上述组成元素的不同而有55'C至85'C不等的熔点变化。在现阶段的实验数据中，低熔点合金箔片的变态温度约为60'C，热传导率 (Q)可达可达20W/mk以上，热阻抗(R)小于0.1cm2K/W。因此，低熔点合 金箔片具有极高的散热效能。承上所述，散热系统中热阻抗(R)愈低时，散热效果愈好，所以低熔点 合金箔片厚度愈小时，则可具有更佳的散热效果。请参照图2，其为公知低熔 点合金箔片的薄化制作方法。如图所示，薄化方式是通过一辊压装置22在特定 条件下对低熔点合金箔片24进行反复地辊轮轧延(Rolling)动作。传统的辊轮轧延制程主要是用来将铜(Cu)、铝(A1)、金(Cii)等具有极 佳延展性及材料强度的金属板片，进行薄化的方式。辊轮轧延的过程中，所使 用的初始材料必须是厚度均匀的金属板片，且厚度约为l~2mm。一般来说，厚度2mm的金属板片，在辊轮压下率20%的状况下，必须要经过13道轧延作业，方能薄化至0.1mm的薄箔片。然而，在同样的环境条件 下，厚度2mm的金属板片欲薄化至0.04mm的薄箔片，则需要高达17道的轧 延作业。因此，利用辊轮轧延制程来薄化金属板片，可以说是相当耗时费工。而且， 辊压装置也必须非常的精密，否则即使金属材料的延展性与材料强度俱佳，也 相当容易产生轧延过程中破损失败的情形。在实验过程中发现，若利用辊轮轧延制程来薄化低熔点合金箔片(Low melting alloy， LMA)，会有下列的问题产生。一、 低熔点合金箔片的材料强度并不佳，而辊轮轧延制程必须经过反复地 激烈加工，这将使合金箔片的材料结构产生变化，而导致加工硬化，使后续轧 延作业益形困难。二、 利用辊轮轧延制程所薄化而得的低熔点合金箔片，在室温下若经过2 3 个月的存放后，会发生脆化的现象，亦即所谓的「时效脆化」。如图3A所示，经过反复地激烈加工的低熔点合金箔片其材料微结构产生 变化，而含有大量的大角度(或锐角)的金属相。因此，经过一段时间后，在 加工残留应力的作用下，低熔点合金箔片的龟裂就会由这些尖锐角处产生，而 造成脆化及破裂，如图3B所示。因此，公知辊轮轧延制程最多仅能将低熔点合金箔片24的厚度薄化至 0.05mm，且很容易出现合金箔片24结构脆化，甚至破裂的失效情形。另外，除了辊轮轧延制程之外，亦有一个快速凝固制造工艺(Rapid Solidification Process ， RSP)可用来制作合金箔片。此制造工艺是将高温熔解 的合金溶液设置于一具有细缝的溶液槽中。通过加压装置将熔融合金溶液由细 缝挤出，而形成一 「水瀑」，接着急速冷却且贴附在一高速旋转且具冷却装置的 铜轮上，进而形成一连续的合金箔片。但是，低熔点合金箔片(Low melting alloy, LMA)的材料熔点较一般合 金材料低许多，使得在制作过程中无法具有足够的温差，亦即冷却速率。因此，使用此快速成型制程所制作出来的低熔点合金箔片会有不连续、易脆、具孔洞 及厚度不均等问题发生。因此，如何有效薄化低熔点合金箔片的厚度，且保有其应有的材料结构及 特性，为当前技术所必需。发明内容本发明要解决的技术问题是提供一种低熔点合金箔片的制造方法，能使制 造出来的低熔点合金箔片，可达到极薄的厚度，且不会发生结构脆化或破裂的 问题。本发明要解决的另一技术问题是提供一种低熔点合金箔片的制造方法，应 用本发明所制造出来的极薄低熔点合金箔片，可以有效降低散热系统中热阻抗(R)，并提升散热系统的散热效果。本发明要解决的另一技术问题是提供一种低熔点合金箔片的制造方法，应 用本发明所制造出来的极薄低熔点合金箔片，可以有效避免低熔点合金箔片受 热熔融时，泄漏至散热系统外的情形。本发明提供一种低熔点合金箔片的制造方法，制造过程是通过一模具组来 执行。此模具组具有一上模仁与一下模仁，上模仁具有一平坦的下表面，下模仁具有一平坦的上表面且面向上模仁的下表面，此制造方法包括下列步骤放置一低熔点合金材料于下模仁的上表面上方；加热模具组，使低熔点合金材料 熔融；通过上模仁或下模仁的移动，縮减上模仁的下表面与下模仁的上表面的 间距，使低熔点合金材料被压合于上模仁与下模仁之间；最后，冷却模具组， 使熔融的低熔点合金材料形成低熔点合金箔片。本发明提供一种低熔点合金箔片的制造方法，其通过具有一上模仁与一下 模仁的一模具组来执行。上模仁具有一平坦的下表面，下模仁具有一平坦的上 表面且面向上模仁的下表面，此制造方法包括下列步骤设置一熔融的低熔点 合金材料于下模仁的上表面上；縮减上模仁的下表面与下模仁的上表面的间距，使低熔点合金材料被压合于上模仁与下模仁之间。最后，冷却模具组，使熔融 的低熔点合金材料形成低熔点合金箔片。本发明提供一种低熔点合金箔片的制造方法，其通过具有一上模仁与一下 模仁的一模具组来执行。上模仁具有一平坦的下表面，下模仁具有一平坦的上 表面且面向上模仁的下表面，此制造方法包括下列步骤将模具组置放于一具 有熔融的低熔点合金材料的槽内，以使上模仁与下模仁之间充满低熔点合金材 料；縮减上模仁的下表面与下模仁的上表面的间距，使低熔点合金材料被压合 于上模仁与下模仁之间；将模具组移至槽外，并冷却模具组，使熔融的低熔点合金材料形成低熔点合金箔片。
图1为公知散热系统的示意图；图2为公知低熔点合金箔片的薄化方法示意图；图3A及图3B为通过传统的辊轮轧延制程所制成的低熔点合金箔片的材料 分析图；图4A为本发明低熔点合金箔片的薄化方法示意图；以及 图4B为本发明低熔点合金箔片的薄化方法示意图。 附图标记说明10:散热系统11:散热器12:电子元件13:电路基板14:热界面材料24、 34:低熔点合金箔片(材料)22:辊压装置30:模具组31:上模仁31a:下表面32:下模仁32a:上表面33:平板结构35:垫片具体实施方式
请参照图4A与图4B，其为本发明低熔点合金箔片的制造方法示意图。 如图4A所示，低熔点合金箔片34的制造过程是通过一模具组30来执行。 此模具组30至少具有一上模仁31与一下模仁32，上模仁31具有一平坦的下 表面31a，下模仁32具有一平坦的上表面32a，且其面向上模仁31的下表面 31a。制造方法至少包括下列步骤放置低熔点合金材料34于下模仁32的上表面32a上方，此步骤中的低熔 点合金材料34为一起始材料，可以是固态或液态，而形状可以是块状、板片状、 粒状、球状或滴状。接着，加热模具组30，使低熔点合金材料34熔融。其中，在较佳实施例 中，加热的温度范围约介于低熔点合金材料34的熔点与上述熔点再加10~20'C 之间。低熔点合金材料34受热熔融后，通过上模仁31下移或下模仁32上移的动 作，来縮减上模仁31的下表面31a与下模仁32的上表面32a的间距。因此， 低熔点合金材料34被压合于上模仁31与下模仁32间的间隙，如图4B所示。 由于低熔点合金材料34的上下空间被挤压而縮减，故低熔点合金材料34遂向 四周扩散，有部分甚至流出间隙外。上述縮减上模仁31的下表面与下模仁32的上表面的间距的步骤为所谓的 合模过程，此过程的合模静持压力约为2-10kg/cm2，合模速度为5-20cm/min。经过合模过程后，冷却模具组30与低熔点合金材料34，使低熔点合金材 料34固化成所需的低熔点合金箔片34。其中，由于上述低熔点合金材料34的 上下空间被压挤而縮减，所以固化后的低熔点合金箔片34便具有更薄的厚度。 最后，移开上模仁31与下模仁32，以取出所需的低熔点合金箔片34。上述的低熔点合金箔片34具有低熔点、高热导、热熔相变化填补介面微孔 隙的特性，其主要是由必要的铟(In)以及铋(Bi)、锡(Sn)、和锌(Zn)等 元素的部份或全部组合而成，组成元素可为Sn-In、 In-Bi-Sn或In-Bi-Sn-Zn。此外，前述主要组成合金更可包括至少一种非毒害环境元素，例如银、铜、钛、锗、铝、铈、镧或硅等元素。低熔点合金箔片34可依上述组成元素的不同而有 55'C至85t:不等的熔点变化。另外，值得注意的是，可通过上模仁31的下表面31a与下模仁32的上表 面32a的间距的大小来调整所需的低熔点合金箔片34的厚度。在较佳实施例中， 上述间距可縮减至0.04mm以下，使低熔点合金箔片34的厚度可薄至0.04mm 以下，且低熔点合金箔片34仍保有良好的结构特性，也没有产生破裂的情形。本实施例中，在放置低熔点合金材料34于下模仁32的上表面32a的步骤 前，若低熔点合金材料34为一低熔点合金板片时，可先行利用公知技术的辊压 装置22对低熔点合金板片进行轧延动作，以初步降低低熔点合金板片的厚度。 在一实施例中，以不破坏到合金箔片结构为前提，可初步将低熔点合金板片的 厚度辊压至O.lmm。上述的初步辊压薄化动作，可加速后续的加热融化低熔点 合金板片的时间。另外，由于熔融的低熔点合金材料34可能具有沾黏性，所以模具组30的 上模仁31与下模仁32可为抗合金箔片热熔沾黏的材质所制成，以防止低熔点 合金材料34沾黏至上、下模仁31、 32的表面。或者，亦可选择性地先于上模 仁31的下表面31a与下模仁32的上表面32a各设置一抗合金箔片热熔沾黏的 平板结构33后，再进行后续制造工艺。在另一实施例中，为了有效地固定合金箔片34成形厚度以及保持厚度的均 匀性，在縮减上模仁31的下表面31a与下模仁32的上表面32a的间距的步骤 前，可设置至少一垫片35于下模仁32的上表面32a上，以限制上述间距。也 就是说，垫片35的设置可防止上述间距过度的縮减，而将间距的大小控制为垫 片35的厚度。当然，垫片35设置于上模仁31的下表面31a上亦可得到相同的 功效。在上述实施例中，先放置低熔点合金材料34于下模仁32的上表面32a， 并加热模具组30，使低熔点合金材料34熔融后，再进行后续的制造步骤。然而，在另一实施例中，可先行将低熔点合金材料34融化，然后直接设置 到下模仁32的上表面32a，或者上模仁31的下表面31a与下模仁32的上表面 32a之间。同时模具组30持续被加热，且模具组30的温度超过低熔点合金材 料34的熔点，使低熔点合金材料34保持液态。接着，与上述步骤相似，通过上模仁31或下模仁32的移动，缩减上模仁 31的下表面31a与下模仁32的上表面32a的间距，使低熔点合金材料34被压 合于上模仁31与下模仁32之间。最后，冷却模具组30与低熔点合金材料34 后，使低熔点合金材料34固化成所需的低熔点合金箔片34。上述实施例皆为将低熔点合金材料先置放于上模仁与下模仁之间，再进行 合模压合等程序。在另一实施例中，亦可直接将模具组置放于一具有熔融的低 熔点合金材料的槽内，使上模仁与下模仁之间充满低熔点合金材料。接着，縮 减上模仁的下表面与下模仁的上表面的间距，使低熔点合金材料被压合于上模 仁与下模仁之间。最后，将模具组移至槽外，并冷却模具组，使上模仁与下模仁之间的熔融 的低熔点合金材料形成低熔点合金箔片。综上所述，本发明的低熔点合金箔片的制造方法具有下列优点一、 本发明的低熔点合金箔片的制造方法可谓一种「液态压模薄化制程 (Liquid Die-pressing)」，为直接由液态的低熔点合金材料作一次性的薄化加工，即可制造出超薄的低熔点合金箔片，而不须经过多次的制造作业。二、 与辊轮轧延制造工艺相比较，本发明的低熔点合金箔片的制造方法可 大幅縮短作业时间、可达到更薄的厚度(小于0.04mm)、不易破裂及不会有时 效脆化的问题。三、 与快速凝固制造工艺(Rapid Solidification Process ， RSP)相比较， 本发明的制造方法操作更为简单，且可克服低熔点合金箔片不连续、厚度不均 匀、易脆化、具孔洞等缺点。四、 本发明的制造方法简单有效，只要精确地控制合模静持压力、合模速度、模仁间距及冷却温度梯度等，即可快速地生产出厚度不大于0.04mm，且厚 度均匀而完整的低熔点合金箔片。五、 本发明的制造方法可有效制造出极薄的低熔点合金箔片，以有效降低 散热系统中热阻抗(R)，并提升散热系统的散热效果。六、 在散热系统中，当电子元件在作用而发热时，若低熔点合金箔片愈薄， 则箔片受热熔融的熔液愈不易过度流动。因此，通过本发明的制造方法，可有 效薄化低熔点合金箔片的厚度，以避免低熔点合金箔片受热熔融时，泄漏至散 热系统外的情形。本发明虽以较佳实例阐明如上，然其并非用以限定本发明精神与发明实体 仅止于上述实施例尔。对熟悉此项技术者，当可轻易了解并利用其它元件或方 式来产生相同的功效。因此，在不脱离本发明的精神与范围内所作的修改，均 应包含在权利要求书内。
权利要求
1.一种低熔点合金箔片的制造方法，该制造方法是通过具有一上模仁与一下模仁的一模具组来执行，该上模仁具有一平坦的下表面，该下模仁具有一平坦的上表面且面向该上模仁的下表面，该制造方法包括下列步骤放置一低熔点合金材料于该下模仁的上表面上；加热该模具组，使该低熔点合金材料熔融；缩减该上模仁的下表面与该下模仁的上表面的间距，使该低熔点合金材料被压合于该上模仁与该下模仁之间；以及冷却该模具组，使熔融的该低熔点合金材料形成该低熔点合金箔片。
2. 如权利要求1所述的制造方法，其特征是，縮减该上模仁的下表面与该 下模仁的上表面的间距的步骤中，该间距可缩减至0.04mm以下，使该低熔点 合金箔片的厚度可薄至0，04mm以下。
3. 如权利要求1所述的制造方法，其特征是，.放置该低熔点合金材料于该 下模仁上表面的步骤前，当该低熔点合金材料为一低熔点合金板片时，该制造 方法更包含先轧延该低熔点合金板片，以初步降低该低熔点合金板片的厚度的 步骤。
4. 如权利要求1所述的制造方法，其特征是，縮减该上模仁的下表面与该 下模仁的上表面的间距的步骤前，该制造方法更包括设置至少一垫片于该下模 仁的上表面的步骤，以限制上述的间距。
5. 如权利要求1所述的制造方法，其特征是，该低熔点合金箔片的组成由 必要的铟以及铋、锡、和锌元素的部份或全部组合而成。
6. —种低熔点合金箔片的制造方法，该制造方法是通过具有一上模仁与一 下模仁的一模具组来执行，该上模仁具有一平坦的下表面，该下模仁具有一平 坦的上表面且面向该上模仁的下表面，该制造方法包括下列步骤-设置一熔融的低熔点合金材料于该下模仁的上表面上； 縮减该上模仁的下表面与该下模仁的上表面的间距，使该低熔点合金材料被压合于该上模仁与该下模仁之间；以及冷却该模具组，使熔融的该低熔点合金材料形成该低熔点合金箔片。
7. 如权利要求6所述的制造方法，其特征是，縮减该上模仁的下表面与该 下模仁的上表面的间距的步骤中，该间距可縮减至0.04mm以下，使该低熔点 合金箔片的厚度可薄至0.04mm以下。
8. 如权利要求6所述的制造方法，其特征是，縮减该上模仁的下表面与该 下模仁的上表面的间距的步骤前，该制造方法更包括加热该模具组，使该模具 组的温度超过该低熔点合金材料的熔点的步骤。
9. 如权利要求6所述的制造方法，其特征是，縮减该上模仁的下表面与该 下模仁的上表面的间距的步骤前，该制造方法更包括设置至少一垫片于该下模 仁的上表面的步骤，以限制上述的间距。
10. 如权利要求6所述的制造方法，其特征是，该低熔点合金箔片的组成 由必要的铟以及铋、锡、和锌元素的部份或全部组合而成。
11. 一种低熔点合金箔片的制造方法，该制造方法是通过具有一上模仁与一 下模仁的一模具组来执行，该上模仁具有一平坦的下表面，该下模仁具有一平 坦的上表面且面向该上模仁的下表面，该制造方法包括下列步骤将该模具组置放于一具有熔融的低熔点合金材料的槽内，使该上模仁与该 下模仁之间充满该低熔点合金材料；縮减该上模仁的下表面与该下模仁的上表面的间距，使该低熔点合金材料 被压合于该上模仁与该下模仁之间；以及冷却该模具组，使熔融的该低熔点合金材料形成该低熔点合金箔片。
12. 如权利要求ll所述的制造方法，其特征是，冷却该模具组的步骤前， 该制造方法更包括将该模具组移出具有熔融的该低熔点合金材料的槽内的步 骤。
13. 如权利要求ll所述的制造方法，其特征是，縮减该上模仁的下表面与 该下模仁的上表面的间距的步骤中，该间距可縮减至0.04mm以下，使该低熔 点合金箔片的厚度可薄至0.04mm以下。
全文摘要
本发明公开了一种低熔点合金超薄箔片的制造方法，制造过程是通过一模具组来执行。此模具组具有一上模仁与一下模仁，上模仁具有一平坦的下表面，下模仁具有一平坦的上表面且面向上模仁的下表面，此制造方法包括下列步骤放置一低熔点合金材料于下模仁的上表面上方；加热模具组，使低熔点合金材料熔融；通过上模仁或下模仁的移动，缩减上模仁的下表面与下模仁的上表面的间距，使低熔点合金材料被压合于上模仁与下模仁之间；最后，冷却模具组，使熔融的低熔点合金材料形成低熔点合金箔片。
文档编号B22D23/06GK101406951SQ20071016274
公开日2009年4月15日 申请日期2007年10月8日 优先权日2007年10月8日
发明者林成全, 萧复元 申请人:元瑞科技股份有限公司;萧复元