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SnInBi低熔点热界面材料的传热性能及结构分析

作　者: 杨娥
导　师: 王明光
学　校: 东北大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 低熔点合金热界面材料界面热阻金属间化合物
分类号: TB34
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

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17Sn26In57Bi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。

全文目录

中文摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-27
  1.1 电子封装技术的发展  11-14
  1.2 电子封装的无铅化  14-15
  1.3 电子封装中的热管理  15-21
    1.3.1 散热器  17-18
    1.3.2 热通道  18-19
    1.3.3 热管道冷却  19-20
    1.3.4 沉浸冷却  20
    1.3.5 热电制冷  20-21
  1.4 热界面材料及其应用  21-26
    1.4.1 导热硅脂  23-24
    1.4.2 导热凝胶  24
    1.4.3 相变材料  24-25
    1.4.4 焊料  25-26
    1.4.5 相变金属合金  26
  1.5 本文的研究内容及意义  26-27
第2章实验原理及方法  27-37
  2.1 材料的选择及制备  27-28
    2.1.1 合金成分的选择  27
    2.1.2 合金的熔炼  27-28
  2.2 合金基本性能的测量  28
    2.2.1 合金密度的测量  28
    2.2.2 合金熔点的测量  28
  2.3 热导率测量原理及试样制备  28-37
    2.3.1 热导率的测量原理  28-33
      2.3.1.1 固体传热的基础理论  28-29
      2.3.1.2 测量热导系数方法  29-30
      2.3.1.3 闪光法测试原理及装置  30-33
    2.3.2 热导率测试样品的制备  33-34
      2.3.2.1 合金的热导率试样的制备  33
      2.3.2.2 Cu/SnInBi/Cu样品的热导率试样的制备  33-34
    2.3.3 光学及SEM试样的制备  34-35
      2.3.3.1 片状样品的制备  34
      2.3.3.2 块状样品的制备  34-35
    2.3.4 XRD样品的制备  35-37
第3章 Cu/SnInBi/Cu热界面的传热性能  37-53
  3.1 引言  37
  3.2 实验结果  37-50
    3.2.1 合金的基本性能  37-39
    3.2.2 热导率的测量  39-50
      3.2.2.1 界面热阻的计算  39-41
      3.2.2.2 Cu/17Sn26In57Bi/Cu界面热阻  41-45
      3.2.2.3 Cu/17Sn51In32Bi/Cu界面热阻  45-48
      3.2.2.4 Cu/27Sn44.9In28.1Bi/Cu界面热阻  48-50
  3.3 分析与讨论  50-52
  3.4 本章小结  52-53
第4章 Cu/SnInBi/Cu热界面的微观结构  53-65
  4.1 引言  53
  4.2 实验结果与讨论  53-62
    4.2.1 Cu/17Sn26In57Bi/Cu  53-57
    4.2.2 Cu/17Sn51In32Bi/Cu  57-60
    4.2.3 Cu/27Sn44.9In28.1Bi/Cu  60-62
  4.3 本章小结  62-65
第5章结论  65-67
参考文献  67-73
致谢  73

SnInBi低熔点热界面材料的传热性能及结构分析

内容摘要

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