SnInBi低溶点热界面材料的传热性能及结构分析

摘要

电子产品一直在朝着体积小型化、功能多样化方向发展，由此带来了电子元件的发热功率越来越高。尽管现在已经有很多方法可以解决电子器件的散热问题，但实际上，任何两种材料的接触表面都会呈现出粗糙及波纹状的形态，造成散热途径的界面实际接触点减少，界面热阻值升高，接触热阻增大。当电子元件功率较小时，接触热阻对散热不会产生特别明显的影响。而当电子元件的功率达到一定值时，接触热阻就变成了不可忽视的问题。热界面材料的好坏，决定了电子产品的优劣。目前市场上热界面材料主要有导热硅脂类、导热凝胶和相变材料。这些热界面材料多以高分子材料为基体，向其中加入合适的添加剂。
　　 本文选择质量百分含量分别为17Sn26In57Bi、17Sn51In32Bi、27Sn44.9In28.1Bi三种低熔点合金作为研究对象。利用DSC、闪光法等手段测定SnInBi合金的基本性能，利用闪光法、XRD、SEM等手段及设备分析SnInBi合金与铜的界面传热性能和界面结构。
　　 研究表明，Bi含量较高的合金(17Sn26In57Bi)热导率比较低，而Bi含量最低的合金(27Sn44.9In28.1Bi)热导率相对来说比较高。所选择的三种合金的热导率高于现有的高分子热界面材料，合金与铜的界面热阻值也比较低。低熔点合金热界面材料的热导率一般随固液反应时间的延长而降低，这种变化与界面金属间化合物的形成密切相关。
　　 17Sn26In57Bi合金组织主要由BiIn、Bi和Sn三相组成。合金与铜发生界面反应时，在靠近铜的一侧形成较平整的Cu6(Sn，In)5金属间化合物，在Cu6(Sn，In)5与合金之间形成枝状的Cu9(In，Sn)4金属间化合物。界面反应速率较快且在界面处有明显的Bi偏析。17Sn51In32Bi合金组织由BiIn2和InSn4两相组成。合金与铜形成Cu6(Sn，In)5金属间化合物。界面反应速率相对较慢，形成的金属间化合物比较平整。在实验中未发现明显的Bi偏析和相转变，因而该合金的传热性能在整个实验过程中变化较小。27Sn44.9In28.1Bi合金组织由BiIn2和InSn4两相组成。合金与铜形成Cu6(Sn，In)5一种金属间化合物。与铜发生界面反应时，界面反应速率介于17Sn261n57Bi与17Sn51In32Bi两种合金之间，并发生明显的Bi偏析。合金与铜经过较长时间、较高温度的固液反应后，合金组织由BiIn2和InSn4两相转变成了BiIn和Bi两相。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 电子封装技术的发展

1.2 电子封装的无铅化

1.3 电子封装中的热管理

1.3.1 散热器

1.3.2 热通道

1.3.3 热管道冷却

1.3.4 沉浸冷却

1.3.5 热电制冷

1.4 热界面材料及其应用

1.4.1 导热硅脂

1.4.2 导热凝胶

1.4.3 相变材料

1.4.4 焊料

1.4.5 相变金属合金

1.5 本文的研究内容及意义

第2章 实验原理及方法

2.1 材料的选择及制备

2.1.1 合金成分的选择

2.1.2 合金的熔炼

2.2 合金基本性能的测量

2.2.1 合金密度的测量

2.2.2 合金熔点的测量

2.3 热导率测量原理及试样制备

2.3.1 热导率的测量原理

2.3.2 热导率测试样品的制备

2.3.3 光学及SEM试样的制备

2.3.4 XRD样品的制备

第3章 Cu/SnInBi/Cu热界面的传热性能

3.1 引言

3.2 实验结果

3.2.1 合金的基本性能

3.2.2 热导率的测量

3.3 分析与讨论

3.4 本章小结

第4章 Cu/SnInBi/Cu热界面的微观结构

4.1 引言

4.2 实验结果与讨论

4.2.1 Cu/17Sn26In57Bi/Cu

4.2.2 Cu/17Sn51In32Bi/Cu

4.2.3 Cu/27Sn44.9In28.1Bi/Cu

4.3 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢