低熔点合金热界面材料及其应用的散热模块
阅读：252发布：2020-05-26
专利汇可以提供低熔点合金热界面材料及其应用的散热模块专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种具有低 热阻抗 特性的低熔铟点 合金 箔片热界面材料，所述的低熔点铟合金箔片热界面材料铟，以及铋、 锡 、和锌的其中一种或任意几种组合而成，且熔解 温度 介于55℃至85℃之间，所述的低熔点铟合金箔片热界面材料的厚度不大于0.04mm。，下面是低熔点合金热界面材料及其应用的散热模块专利的具体信息内容。
1.一种具有低热阻抗特性的低熔点铟合金箔片热界面材料，其特征在于，所述的低熔点铟合金箔片热界面材料铟，以及铋、锡、和锌的其中一种或任意几种组合而成，且熔解温度介于55℃至85℃之间，所述的低熔点铟合金箔片热界面材料的厚度不大于0.04mm。
2.如权利要求1所述的低熔点铟合金箔片热界面材料，其中所述的低熔点铟合金箔片热界面材料的厚度范围介于0.015mm至0.03mm之间。
3.如权利要求1所述的低熔点铟合金箔片热界面材料，其中所述的低熔点铟合金箔片热界面材料为一In-Bi-Sn合金或In-Bi-Sn-Zn合金或In-Bi合金。
4.如权利要求1所述的低熔点铟合金箔片热界面材料，其中所述的低熔点铟合金箔片热界面材料的组成更可包括至少一种非毒害环境元素，所述的非毒害环境元素包括：银、铜、钛、锗、铝、铈、镧或硅。
低熔点合金热界面材料及其应用的散热模块
技术领域
[0001] 本发明是关于一种低熔点合金箔片，以及一种利用此低熔点合金箔片作为热界面材料的散热模块。
背景技术
[0002] 构装微电子元件，例如高亮度发光二极管和中央处理器等，因为发展朝向高功率、高速化和/或小型化等趋势，微电子元件产生的高热流量必须移除，使其接面温度维持低于其安全操作温度。微电子元件的接面温度一旦超过安全操作温度时，将劣化微电子元件的性能，或者损坏微电子元件，严重的影响电子元件的使用寿命及可靠度。
[0003] 伴随着微电子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，例如冷板、散热器及风扇等，以及热界面材料(Thermal Interface Materials，TIM)两种类别。
[0004] 由前述散热装置及热界面材料组合而成的散热模块示意图如图1A所示，此散热模块10包括一散热器11及一热界面材料14。图1A中更显示了一散热系统，此散热系统包括上述的散热模块10、一构装微电子元件12及一电路板13。其中，构装微电子元件12设置于电路板13上，散热器11设置于构装微电子元件12上方，热界面材料14设置于构装微电子元件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的下表面以及构装微电子元件12的上表面。
[0005] 热界面材料14是使用于构装微电子结构外部与散热器的第二阶界面，其利用自身可流动或预热熔融的特性填补前述元件间界面的微孔隙，借此减少微电子热量传递至散热元件或至散热器的热阻，以提高微电子散热性能。
[0006] 热界面材料的性能指标主要有热传导率与热阻抗，热传导率指热量在材料内部热传导的能力，热阻抗指跨越不同材料界面的热传导的效益。一般来说，热界面材料的热传导率愈高、界面接合厚度(bond line thickness)越小，则热界面材料的热阻抗愈低。
[0007] 构装微电子与散热器的第二阶热界面材料包含散热膏(thermal grease)和相变化材料(phase change material)等高分子化合物，以及低熔点合金(lowmelting alloy)。其中在室温为固态、界面上受热可以熔融的低熔点合金，借由熔解潜热以吸收大量热能的特性，已被证实具有较高分子化合物更好的散热性能，而可以更有效地将构装微电子的热传导至微电子外部环境。
[0008] 利用低熔点合金作为热界面材料的想法首见于美国专利第4,384,610，“Simple Thermal Joint”，1983，后续的低熔点合金应用于热界面材料的相关专利，如美国专利第6,281,573B1号和第6,343,647B2号所揭露。然而，熔融的低熔点合金热界面材料的液相如自热界面溢出，可能使得构装微电子元件及其电路板短路，因此实际应用上不如高分子热界面材料普遍。
[0009] 目前对应熔融液相自界面溢漏的方法，主要在低熔点合金界面材料的外围安装一环形垫片，亦或是所谓预烧的方式。其中，环形体受到许多因素导致环形体的阻漏作用失效，例如熔融的液相盛满环形体内的有限空间后溢出，或环形体的箝压力量不均，使得环形体未紧贴接合界面，而造成溢出。
[0010] 针对前述问题，应用于构装微电子第二阶的金属热界面材料在散热器扣具的压力下熔解时，压挤作用使得熔融液相往自由空间流动，通常是金属热界面材料的外围，并使所述的低熔点金属的界面接合厚度减薄；熔融液相除了填满界面间的孔隙之外，其他的多余液相自然往流动阻力较低的金属热界面材料外围区域流动。低熔点合金热界面材料的原始厚度越厚，则往外围区域流动的多余液相越多，形成的珠状液滴越大，重力促使珠状液滴自界面溢漏的可能性越高。
[0011] 此外，热熔液滴与周边材料的表面吸附力也会影响液相的流动，例如低熔点合金液相与铜和铝的不同介面反应，使得液相较不容易于铜界面上溢漏。又不同的使用环境，可能使得重力的影响更加显著，例如图1B所示，有些散热模块的设置位置为立放，也就是转90度后置放(如：计算机主机的CPU散热模块)，此时如热熔液滴的重力大于金属液滴与周边材料的吸附力时，热熔液滴便会向下泄漏。
[0012] 为了适应微电子元件的日趋严苛散热需求，以及有效解决低熔点合金热界面材料的液相溢漏问题，一种兼具高散热与高阻漏特性的低熔点合金箔片的热界面材料以及使用所述的低熔点合金箔片的散热模块被开发出来。
发明内容
[0013] 本发明的一目的在于防止低熔点合金热界面材料受热液化后的液滴泄漏。
[0014] 本发明的另一目的在于利用厚度不大于0.04mm的低熔点合金箔片作为散热模块的热界面材料，使得散热模块具有极佳的散热效果，以及防止熔融低熔点合金热界面材料的液相溢漏出热界面。
[0015] 本发明提供一种兼具有低热阻抗特性以及抑制热熔金属液相溢漏的低熔点合金热界面材料，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。此低熔点合金热界面材料熔解温度介于55℃至85℃之间，且其厚度不大于0.04mm。其中，所述的低熔点合金热界面材料的较佳厚度范围介于0.015mm至0.03mm之间。
[0016] 本发明提供一种电子元件的散热模块，包括一散热器、一低熔点合金箔片及一环形体。其中，电子元件设置于一电路板上，且彼此电路相连接，散热器设置于电子元件上方。低熔点合金箔片设置于电子元件与散热器之间，且作为电子元件与散热器间的热界面材料。环形体设置于电子元件与散热器之间，且环绕于低熔点合金箔片的周缘。
[0018] 本发明另提供一种电子元件的散热模块，包括一散热器和一低熔点合金箔片。借由低熔点合金箔片的厚度不大于0.04mm，使低熔点合金箔片熔融后的液相适量化，前述的液相除填补界面微孔隙之外，其余的液相质量极少化，以抑制其流动性，使不容易产生泄漏情形。关于本发明的优点与精神，以及更详细的实施方式可以借由以下的实施方式以及附图得到进一步的了解。
附图说明
[0019] 图1A为现有散热模块的示意图；
[0020] 图1B为现有散热模块设置型态的示意图；
[0021] 图2A为本发明散热模块的一实施例的示意图；
[0022] 图2B为本发明一实施例的低熔点合金箔片示意图；
[0023] 图3为重量组成In-Bi32.5-Sn16.5合金箔片的热阻抗与其厚度的关系曲线；
[0024] 图4A至图7B为不同厚度的箔片在Al/Ni界面、70℃持温的溢流图；
[0025] 图8为厚度0.03mm箔片在Cu/Ni界面、70℃持温100小时的外观图；
[0026] 图9为本发明散热模块的另一实施例的剖面示意图；
[0027] 图10A为本发明低熔点合金箔片与环形体的设置型态的一实施例的示意图；以及[0028] 图10B为本发明低熔点合金箔片与环形体的设置型态的另一实施例的示意图。
[0029] 附图标号
[0030] 10、20、30：散热模块 11、21、31：散热器
[0031] 12：构装微电子元件 22、32：电子元件
[0032] 13、23、33：电路板 14：热界面材料
[0033] 24、34：低熔点合金箔片 35：环形体
[0034] 36：逃气孔
具体实施方式
[0035] 关于本发明的优点与精神，以及更详细的实施方式可以借由以下的实施方式以及附图得到进一步的了解。
[0036] 请参照图2A，该图为本发明散热模块的一实施例的示意图。本发明的散热模块20，可使一电子元件22运作时所产生的热能快速传导至外界环境，散热模块20包括一散热器21及一低熔点合金箔片24。如图所示，散热器21设置于电子元件22上方，低熔点合金箔片24设置于电子元件22与散热器21之间，且作为电子元件22与散热器21间的热界面材料。另外，电子元件22设置于一电路板23上，且彼此电路相连接。详细地说，低熔点合金箔片24的两侧面分别接触于散热器21的下表面以及电子元件22的上表面。请参照图
2B，该图为本发明一实施例的低熔点合金箔片示意图。
2B，该图为本发明一实施例的低熔点合金箔片示意图。
[0037] 在另一实施例中，为了更加有效地防止低熔点合金箔片24的热熔液流动而泄漏至电路板23上，除了使用厚度较小的低熔点合金箔片24之外，更可以使用面积较小的低熔点合金箔片24至本发明的散热模块，也是个可防止泄漏的方法。
[0038] 为厘清不同厚度的低熔点合金箔片熔融后的厚度变化，以及热阻抗数值的影响。制作熔点60℃、重量组成In-Bi32.5-Sn16.5的合金箔片，箔片长、宽均为31mm，厚度分别为
0.1mm、0.075mm、0.05mm、0.03mm和0.015mm。前述不等厚度的In-Bi32.5-Sn16.5合金箔片于一改良自ASTM D5470规范的热阻抗测试设备进行热阻抗量测，测试条件分别为48瓦与
3.1kg/cm2的压力。
0.1mm、0.075mm、0.05mm、0.03mm和0.015mm。前述不等厚度的In-Bi32.5-Sn16.5合金箔片于一改良自ASTM D5470规范的热阻抗测试设备进行热阻抗量测，测试条件分别为48瓦与
3.1kg/cm2的压力。
[0039] 测试后发现除了厚度0.03mm和0.015mm的箔片边缘未熔出珠状液滴外，其余厚度的箔片均溢出珠状液滴，而且珠状液滴的尺寸与数量随原箔片的厚度增加而增加。
[0040] 图3是不同厚度In-Bi32.5-Sn16.5合金箔片的热阻抗数值曲线，不同厚度的合金箔片的热阻抗数值随着厚度的递减而降低，直到厚度0.015mm的箔片测试数值出现转折，其中厚度0.015mm箔片的热阻抗数值略高于厚度0.03mm箔片的数值。前述热阻抗数值的转折原因似乎与厚度0.015mm箔片的熔解液相不足以填补界面微孔隙有关。
[0041] 不同厚度箔片测试前、后的厚度变化呈现一明显趋势，测试前合金箔片的厚度越大，测试后的厚度变化量越大；此外，除了0.015mm箔片测试前、后的厚度几乎无明显变化，测试前其他不同厚度的箔片，包含0.03mm厚度的箔片，于测试后的厚度均介于0.02mm至0.03mm之间。
[0042] 前述In-Bi32.5-Sn16.5合金、厚度0.07mm、0.05mm、0.04mm以及0.03mm的箔片分别置放于铝块材(Al)、镀镍块材(Ni)之间，以及铜块材(Cu)、铜块材之间(Cu)，立式放置并加热至70℃维持100小时，然后降温至室温，拆解前述的块材，检视前述合金箔片热融液相的流动情形。
[0043] 图4A至图7B分别是厚度0.07、0.05、0.04和0.03mm厚度的箔片在Al/Ni界面70℃持温的溢流图片。比较各图后显示，厚度0.03mm的箔片维持原来矩形外观，其余厚度的箔片均因液相流动而改变其形状。
[0044] 而前述不等厚度的合金箔片在Cu/Cu界面的流动结果，厚度0.03、0.04mm的箔片维持原来矩形外观，其余厚度的箔片均因液相流动而改变其形状。图8是厚度0.03mm箔片在Cu/Ni界面、70℃持温100小时的外观，同样无溢漏，其中热熔液相与Cu块形成界面反应，在拆解Cu块时撕裂箔片。
[0045] 此外，In-Bi32.5-Sn16.5合金、厚度0.02mm至0.13mm不等的箔片分别置放于热阻测试基台上，箝压箔片的散热器底板为铝合金，提供一固定加热功率使测试载台升温至70℃，促使箔片熔解，然后降温并检查箔片的厚度与重量变化，表一是测试前、后的相关数据。
[0046]加热前原始 溢出前原始 溢出后剩余 溢出后剩余
编号 溢出量(g)
重量(g) 厚度(mm) 重量(g) 厚度(mm)
1 0.13 0.02-0.03 0 0.13 0.02～0.03
2 0.17 0.03 0.04 0.13 0.02-0.03
3 0.24 0.04 0.11 0.13 0.02-0.03
4 0.31 0.05 0.17 0.14 0.02-0.03
5 0.37 0.06 0.24 0.13 0.02-0.03
6 0.42 0.07 0.28 0.14 0.02～0.03
7 0.51 0.08 0.38 0.13 0.02-0.03
8 0.58 0.08～0.09 0.44 0.14 0.02～0.03
9 0.68 0.11 0.54 0.14 0.02～0.03
10 0.76 0.12 0.63 0.13 0.02～0.03
11 0.82 0.13 0.68 0.14 0.02～0.03
编号 溢出量(g)
重量(g) 厚度(mm) 重量(g) 厚度(mm)
1 0.13 0.02-0.03 0 0.13 0.02～0.03
2 0.17 0.03 0.04 0.13 0.02-0.03
3 0.24 0.04 0.11 0.13 0.02-0.03
4 0.31 0.05 0.17 0.14 0.02-0.03
5 0.37 0.06 0.24 0.13 0.02-0.03
6 0.42 0.07 0.28 0.14 0.02～0.03
7 0.51 0.08 0.38 0.13 0.02-0.03
8 0.58 0.08～0.09 0.44 0.14 0.02～0.03
9 0.68 0.11 0.54 0.14 0.02～0.03
10 0.76 0.12 0.63 0.13 0.02～0.03
11 0.82 0.13 0.68 0.14 0.02～0.03
[0047] 表一 不同厚度的箔片在Cu/Al载台加热70℃后的厚度变化
[0048] 由以上测试结果得知，低熔点合金箔片的厚度愈薄，则箔片的热熔液相流动愈不易发生；此外，周边材料的组成会影响熔解液相的流动。并且，无论测试的载台的设置位置为平放或立放(转90度设置)，在低熔点合金箔片的厚度低于一临界厚度时，热熔液相的流动不易发生。以上结果显示热熔液相与周边材料的吸附力会大于其促使其流动的力量来源，例如重力或箝压力量。经由前述实验结果，前述低熔点合金箔片的临界厚度应不大于0.04mm。
[0049] 基于前述的测试结果，当本发明的低熔点合金箔片24的厚度接近临界厚度时，低熔点合金箔片24的热熔液相便相当不易流动，进而不易产生泄漏的情形。
[0050] 因此，在本实施例的散热模块20中，低熔点合金箔片24的厚度t不大于0.04mm，且在较佳实施例中厚度介于0.015mm至0.03mm之间。
[0051] 值得注意的是，本发明的低熔点合金箔片24为一种合金，其主要组成元素可为In-Bi-Sn、In-Bi-Sn-Zn或In-B。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。并且，低熔点合金箔片24可依上述组成元素的不同而有55℃至85℃不等熔点变化。请参照表二，该表为不同组成合金及其熔点，主要是用来说明本发明的实施方式，而不是用来限制其中的组成含量。
[0052]铟 铋 锡 锌 熔点
合金组成 (wt％) (℃)
47 36.1 15.9 1.0 57
51 32.5 16.5 60
64.4 33.1 2.1 0.5 70
66 34 72
26 57 17 79
29.7 54.0 16.3 81
合金组成 (wt％) (℃)
47 36.1 15.9 1.0 57
51 32.5 16.5 60
64.4 33.1 2.1 0.5 70
66 34 72
26 57 17 79
29.7 54.0 16.3 81
[0053] 表二 不同组成合金及其熔点
[0054] 在电子元件22运作的过程中，电子元件22有时会产生较高的热而使得低熔点合金箔片24受热熔融。一般来说，低熔点合金箔片24的熔点约在电子元件22的工作温度附近。也就是说，使用上是依照不同电子元件22的工作温度来选用不同熔点的低熔点合金箔片24。借此，当电子元件22产生较高的工作温度时，低熔点合金箔片24便会受热而熔融。
[0055] 请参照图9，该图为本发明散热模块的另一实施例的剖面示意图。如图所示，本实施例的散热模块30，亦可使一电子元件32运作时所产生的热能快速传导至外界环境，散热模块30包括一散热器31、一低熔点合金箔片34及一环形体35。
[0056] 其中，环形体35的作用主要有维持界面接合厚度、延缓低熔点合金箔片34热熔氧化的速率，使低熔点合金箔片34的散热效能不致因过度氧化而劣化，此外，也可用来强化低熔点合金箔片34热熔液相的阻漏。
[0057] 电子元件32设置于一电路板33上，散热器31设置于电子元件32上方。低熔点合金箔片34设置于电子元件32与散热器31之间，且作为电子元件32与散热器31间的热界面材料。详细地说，低熔点合金箔片34的两侧面分别接触于散热器31的下表面以及电子元件32的上表面。
[0058] 本发明低熔点合金箔片34与环形体35的设置型态如图10A所示。环形体35设置于电子元件32与散热器31之间，且环绕于低熔点合金箔片34的周缘。其中，环形体35可与低熔点合金箔片34的周缘接触，或者亦可与低熔点合金箔片34的周缘具有些微空隙。借由环形体35的设计可使低熔点合金箔片34受热熔融液化时，热熔液相更不易自电子元件32与散热器31之间泄漏出去。
[0059] 本实施例亦可结合上一实施例，也就是将低熔点合金箔片34的厚度降至0.04mm以下，而达到更佳的阻漏效果。
[0060] 值得注意的是，由于低熔点合金箔片34的两侧面必须分别接触于散热器31的下表面以及电子元件32的上表面，才能有效散热。所以，在本实施例中，散热器31压合至低熔点合金箔片34上表面时，亦同时接触到环形体35的上表面，也就是说，此时熔点合金箔片34与环形体35具有相同的厚度。另外，环形体35的厚度略小于低熔点合金箔片34的厚度时，环形体35亦具有不错的阻漏效果。
[0061] 在环形体35选用方面，环形体35可为粘弹性垫片、散热膏(thermal grease)或相变化散热贴片(phase change thermal pad)等兼具散热性质且可受力而变形的材料所构成。
[0062] 另外，如图10B所示，在一较佳实施例中，环形体35具有复数个逃气孔36，借此，低熔点合金箔片34熔融液化后所形成的气泡可借由逃气孔36逸出。
[0063] 值得注意的是，本发明的技术特征应用于电子元件的散热模块，除了可应用于诸如计算机、游戏机等中央处理器和绘图处理器等微电子元件的散热模块外，更可以应用到任何具有发热元件的散热模块。也就是说，上述各实施例中的电子元件可以是构装微电子元件，或者任何一种发热元件，例如：用来设置LED灯的金属芯基板(Metal Core PCB，MCPCB)。
[0064] 综上所述，本发明的散热模块具有下列优点：
[0065] 一、环形体的功能主要有维持接面接合厚度、延缓熔融的低熔点合金箔片氧化，另外兼具有强化热溶液滴的阻漏效果。
[0066] 二、厚度不大于0.04mm的低熔点合金箔片应用至散热模块时，可抑制低熔点合金箔片受热熔融的流动性，而减少液滴泄漏的问题。
[0067] 三、厚度不大于0.04mm的低熔点合金箔片具有极小的热阻抗(R)，因此应用至散热模块时，可发挥极佳的散热效果。
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