一种改善铟导热界面材料的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及导热界面材料技术领域，尤其涉及一种改善铟导热界面材料的方法。
【背景技术】
[0002] 随着电子元器件日趋小型化、微型化，具有超高密度、超大规模的集成电路（芯 片）会是今后集成电路的大势所趋。集成度、功耗密度的上升必然会引起集成电路和电子 器件工作时发热密度的上升，从而提高工作时的温度，因此，电子封装的散热问题对于电子 器件的工作效率与可靠性愈发重要，尤其是那些高功耗器件，如高功率二极管激光器、高亮 度发光二极管和高功率传感器等，这些器件工作时会产生大量的热量。此时，仅仅依靠电子 元件与散热器间固体界面的机械接触，已经不能实现热量快速而有效的传导。这主要是因 为：肉眼观察下非常平滑的固体表面放大后会呈现出带有许多"峰"和"谷"的波浪纹，使得 固体界面实际上是一些不连续的点接触，而非面接触，固体界面的大部分区域是被空气隔 开的。由于空气的导热系数非常小，标准状态下空气的导热系数只有0. 〇24WAm ? K)，使得 固体界面间的界面热阻非常大，导致集成电路（芯片）工作时产生的大量热量不能经由芯 片封装外壳有效地传导出去，反而逐渐地积累起来，最终引起温度的大幅上升。为解决散热 问题，除了可以通过优化系统设计的方法来减少热量产生以外，最直接有效的方法是在接 触界面上采用柔软的弹性体，或者具有一定流动的高导热性、低热阻的导热界面材料，来填 充电子元件与散热器之间的间隙，从而促进热量向外界环境的快速扩散。
[0003] 传统的导热界面材料大致可包括以下几种：导热硅脂（导热膏）、导热凝胶（导热 弹性胶）、相变材料、金属热界面材料等。导热硅脂的导热系数只有3?5WAm ?!()，且易溢 出，污染电子元器件，进而引起短路等故障；而且容易发生相分离，改变其原有特性，尤其是 经过多次冷热循环后会流失、变干，反而增加热阻。另外，清洗过程非常麻烦，在制造或者使 用过程中非常容易污染环境。导热凝胶的导热系数只有3?4WAm ?!()，且其需要增加固化 交联反应步骤。传统的相变热界面材料主要是指那些熔融温度一般在50?80°C的热塑性 树脂，但是这些热塑性树脂自身的热导率非常低。另一类相变热界面材料一一低熔点金属， 但其从液态转变成固态时容易残留热应力。
[0004] 金属通常具有较高的热导率，是一类非常值得关注的导热界面材料。在不同的应 用环境中，对热界面材料还额外会有不同的性能要求，如无毒无害、高柔韧性、易于安装并 具可拆性。热阻计算式为：热阻=散热片的热阻+散热片和热界面材料之间的界面热阻+ 热界面材料的热阻+热界面材料和芯片之间的界面热阻+芯片的热阻。而铟的导热系数约 为82WAm*K)，材料自身热阻较低，且其是一种无毒无害、高导热性、高柔韧性的金属导热 界面材料，如果施加一定的压力，其质软、高柔韧性的特性，可以使其较好的填充电子元件 与散热器界面间的空隙，从而大大降低界面热阻，使得产生的热量可以快速有效的传导，起 到很好的散热效果。
[0005] 一般影响热阻的主要因素有表面几何形貌、接触点的形变特征、材料的物理参数 和力学性能、接触面压力（或载荷）以及固体温度梯度分布等。本发明侧重通过一定的工 艺方法进一步改善铟材料的物理参数，即导热系数，从而进一步降低铟这种导热界面材料 自身的热阻。
[0006] 热量在固体中传输是通过声子振动传播的，晶格结构越对称、越完美，越不消耗能 量，当晶格中出现缺陷时，如固体中残存有离子态氧和裹挟着原子态氧的气泡，就会发生明 显的声子散射，消耗能量，降低其导热系数。
【发明内容】
[0007] 为了进一步改善铟的导热系数，本发明所要解决的技术问题是通过一定的工艺方 法，来降低铟基体中的含氧量，以提高导热系数，从而达到改善铟导热界面材料的目的。
[0008] 本发明采取的技术方案是：
[0009] 本发明所述的改善铟导热界面材料的方法，主要体现在熔炼过程中往纯铟中添加 50?3000ppm的镓，搅拌扒渣以达到除氧的目的，并通过真空熔炼浇铸，以进一步除氧、净 化铟基体，从而获得一种高纯度铟导热界面材料。
[0010] 镓的加入量占该材料含量的50?3000ppm。
[0011] 优选镓的加入量占该材料含量的500?800ppm。
[0012] 更优选镓的加入量占该材料含量的800ppm。
[0013] 本发明所提供的改善铟导热界面材料的方法的具体步骤如下：
[0014] (1)熔炼工序：
[0015] 将事先配好的纯铟置于真空感应熔炼炉中，先在280?320°C、非真空条件下熔 化，并往熔化后的纯铟中添加镓，搅拌2?3分钟并彻底扒渣，而后关闭炉盖，待抽真空至 10Pa以下并保持半小时后在真空条件下浇铸成锭，并车去较粗糙的外皮；
[0016] (2)挤压工序：将车去外皮的料锭在挤压机上挤压成带坯；
[0017] (3)轧制工序：将带坯在轧机上轧制成所需厚度的料带；
[0018] (4)冲切工序：将料带在冲床上冲切成形。
[0019] 本方法最终获得的导热界面材料表面洁净度达到90%以上，含氧量在25ppm以 下。
[0020] 本方法所获得的导热界面材料可以用做焊条、焊丝、焊片、焊球、焊粉、焊膏。
[0021] 本发明所提供的改善铟导热界面材料的方法，是通过将事先配好的纯铟置于真空 感应熔炼炉中，先在280?320°C、非真空条件下熔化，并往熔化后的纯铟中添加镓，搅拌 2?3分钟并彻底扒渣，而后关闭炉盖，待抽真空至10Pa以下并保持半小时后在真空条件下 浇铸成锭，并车去较粗糙的外皮。
[0022] 根据热力学原理，氧化物的标准吉布斯生成自由能的负值越小，表示该金属越亲 氧。由于在同等条件下，Ga 203的标准吉布斯生成自由能远低于ln203的标准吉布斯生成自由 能（如温度为600K时，Ga 203的标准吉布斯生成自由能为-1152. 28kJ/mol，而In 203的标准 吉布斯生成自由能为-1003. 66kJ/mol。），镓较之铟，与氧的亲和力更强。因此，当熔炼时，在 镓中添加微量的镓，伴随着搅拌，镓会优先与原材料铟中的氧发生反应，夺取铟中的离子态 氧和裹挟着原子态氧的气泡，生成的Ga 203的密度（6. 44g/cm3)小于铟的密度（7. 31g/cm3)， 浮于液面而被彻底扒出。但是，若镓添加量过量，除氧后有剩余，则相当于在铟基体中引入 杂质，导致导热系数降低。
[0023] 另外，根据熔体中的溶解度S与其