相变膨胀热界面材料的制备及传热性能研究

发布时间：2017-06-18 22:07

  本文关键词：相变膨胀热界面材料的制备及传热性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着电子制造与封装技术的发展,电子元器件也飞速的进行着更新换代,体积小型化、芯片集成化的发展趋势使得元件的热流密度越来越高。两表面的接触是建立在凸点与凸点的接触上,实际接触面积只占了很小一部分从而形成接触热阻。界面接触热阻是电子器件冷却中的一个重要参数,在很大程度上决定了某些关键设备的运行状况,它的研究对于目前解决高热流密度散热问题意义重大。在热传导通道中,基材与散热热沉的界面处理问题,始终是传热途径的瓶颈。目前主要有导热胶、导热硅脂和导热垫片的弹性体界面材料以及相变界面材料。这些界面材料的研发思路多是弹性基材为基底,向其中加入高导热率的填料粒子,起到大大消除接触热阻的目的。本文提出了以低熔点相变合金为基底,向其中添加膨胀粒子的研究思路。本文选择BiInSn三元合金的包析、包晶和共晶点等四种配方合金作为基底,向其中加入一定质量分数的膨胀粒子(Sb等)作为引导性变,起到改善接触环境的功用,利用ESEM、XPS和XRD观测其内部相组织以及进行相分的确定,并用DSC测定他们的热性能。研究结果表明,BiInSn三元合金加入Sb后,合金相组织及相分都有所改变。与基底合金相比,Sb的加入使得合金的相变点整体只向右偏移了1-3。C,且合金的熔化焓也相应增大,使其仍能作为低熔点相变热界面材料,并起到很好的热缓冲作用；此外,新的合金生成了中间化合物InSb,但其每一相中也都固溶有Sb,因此能与合金中其他的有膨胀性质的元素共同形成热界面材料的膨胀网络。由BiInSn三元合金的共晶点作为基底形成的热界面材料的晶粒更细,晶型生长趋向于枝晶型,不易发生相分离。选择其共晶点作为基底,向其中加入不同含量的Sb。XRD相分析结果表明随着Sb的含量的增多,合金中生成的InSb逐渐增多,且合金中的BiIn和Bi3In5也越来越多,但相对于1.0%和1.5%(wt) Sb含量的合金,含Sb0.55%(wt)的合金的上述三个新中间化合物的峰很弱；DSC表征结果显示Sb的加入量为0.55%时合金的熔化行为与BiInSn三元合金的共晶点的相比,除了熔化温度有所提升和一个相当小的吸热峰外,其他基本无异；通过自制相变体积变化系数装置测量其液化后的体膨胀胀率,结果表明合金的体积膨胀系数在膨胀粒子的质量分数为0.55%时达到最大。对不同Sb含量的热界面材料进行传热分析,将其夹在光滑的基板间制成三明治式,并对基板与基板的干接触进行理论及实验研究,结果表明对于光滑的基板与基板的干接触情形,增大实际接触面积比单纯的机械降低表面粗糙度更有效。利用hot disk研究其作为界面材料时的接触热阻,结果表明,相比于材料相变前,其相变后接触热阻最少降低了80%以上；随着Sb的加入量的增大,接触热阻呈先减小后增大的趋势,且在Sb的含量为0.55%时最小。本文通过以上分析得到不同温位的相变膨胀热界面材料配方,并将一款应用于LED灯,明显改善了传热效果。
【关键词】：热界面材料 相变膨胀 BiInSn Sb 传热性能
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB34
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 接触热阻的国内外研究现状12-17
• 1.2.1 宏观接触热阻理论13-15
• 1.2.2 微观接触热阻理论15-17
• 1.3 界面材料的研究进展17-20
• 1.3.1 弹性体复合材料17-18
• 1.3.2 相变热界面材料18-19
• 1.3.3 碳纳米管19-20
• 1.4 课题研究的目的与内容20-22
• 第二章 热界面材料的选择22-31
• 2.1 相变膨胀热界面材料原理简介22-24
• 2.2 相变热界面材料的选择24-30
• 2.2.1 相变热界面材料基材的选择24-29
• 2.2.2 膨胀粒子的选择29-30
• 2.3 本章小结30-31
• 第三章 BiInSn基热界面材料的制备及性能表征31-44
• 3.1 合金成分的选择及制备31-33
• 3.1.1 合金成分的选择31-32
• 3.1.2 合金的制备32-33
• 3.2 合金样品的分析测试33-41
• 3.2.1 样品预处理33
• 3.2.2 微观组织形貌观察及相的确定33-39
• 3.2.3 热力学分析39-41
• 3.3 不同Sb含量的合金性能分析41-43
• 3.3.1 不同Sb含量合金微观相分析41-42
• 3.3.2 不同Sb含量合金热性能分析42-43
• 3.4 本章小结43-44
• 第四章 BiInSnSb合金与陶瓷基板连接的接触热阻分析44-64
• 4.1 接触热阻的测量44-56
• 4.1.1 界面热导的测量原理44-48
• 4.1.1.1 测量仪器的使用原理44-47
• 4.1.1.2 样品前处理47-48
• 4.1.1.3 界面热阻的计算原理48
• 4.1.2 测量结果及分析48-56
• 4.2 合金的膨胀性对界面热阻的影响56-58
• 4.2.1 合金的熔融体积膨胀率的测量56-57
• 4.2.2 测量结果及分析57-58
• 4.3 表面形貌对接触热阻的影响的数值模拟58-63
• 4.3.1 Icepack热分析软件简介58-59
• 4.3.2 多点接触模型的建立59-61
• 4.3.3 模拟结果及分析61-63
• 4.4 本章小结63-64
• 第五章 相变膨胀热界面材料的实际应用64-68
• 5.1 界面材料的应用准备64-65
• 5.2 相变膨胀热界面材料在LED灯上的应用65-67
• 5.3 本章小结67-68
• 结论和展望68-70
• 参考文献70-75
• 攻读硕士期间取得的研究成果75-76
• 致谢76-77
• 附件77

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本文编号：460944