CN103131396A

CN103131396A - 一种热界面材料及其制造方法

Info

Publication number: CN103131396A
Application number: CN2011103969935A
Authority: CN
Inventors: 高云霞; 刘静
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Yunnan Zhong Xuan Liquidmetal Technologies Inc.; Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-12-02
Also published as: CN103131396B

Abstract

本发明公开了一种热界面材料及其制造方法，所述热界面材料由金属镓、铟、汞、钠、钾、铯或其二元、多元合金经过加热、氧化之后形成。所述制造方法包括选择金属镓、铟、汞、钠、钾、铯或其二元、多元合金，通过加热使金属或者合金变成液态步骤以及将液态金属或合金置于空气或氧气中步骤。本发明通过将金属镓、铟、汞、钠、钾、铯或其二元、多元合金，置于空气或氧气中氧化而形成热界面材料，可大大提升金属基流体与各种界面间的润湿性，从而较好满足热界面材料的要求。由于其优良的热学性能以及润湿性能，本发明提供的材料在低温工程以及计算机、卫星、火箭推进器及激光器等领域的电子芯片热传导方面均可望发挥重要作用。

Description

一种热界面材料及其制造方法

技术领域

本发明属于热界面材料技术领域，特别涉及到一种热界面材料及其制造方法。

背景技术

随着各种电子产品向短、小、轻、薄发展的同时，其在高功能、高传输速率下工作，各种元件(如CPU等)的工作温度相对大幅升高，电子元件与整机的发热功率也越来越大。如Intel酷睿i7四核心CPU的工作功率已高达130W，单颗AMD Phenom II 965(羿龙二代)四核心CPU的工作功率更是高达140W，由此带来的过高温度将降低芯片的工作稳定性，增加出错率，同时模块内部与其外部环境间所形成的热应力将直接影响到芯片的电性能、工作频率、机械强度及可靠性，并缩短其使用寿命。事实上，不仅仅是计算机芯片，对于大功率军民用电子设备、光电器件以及近年来发展迅速的微/纳电子机械系统等先进设备，都存在着类似的广泛而迫切的散热冷却需要，因此高效地带走电子设备所产生的热量变得异常重要。

通常解决散热主要依靠加装散热片或风扇来提高散热效率，随着整机功能及功率的提高，热管理技术的要求相对也越来越苛刻。在电子产品各个元器件由内向外散热途径中，除了要求发热元件本身应具备低热阻特性之外，还应尽量减少接触面间的接触热阻。如散热片底座与CPU之间的接触，无论两个接触面有多么平滑，之间还是有空隙的，即存在空气，而空气的导热性能很差，除了利用抓紧力强大的扣具来将散热片紧密地扣在CPU上，还需要用一些导热性能更好且能变形的东西代替空气来填补这些空隙，即热界面材料，以便填补两种材料接合或接触时产生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞，进而降低热传递的阻抗，提高散热性。然而随着对微处理器的性能要求越来越高，同时微电子芯片集成度的增加，单位面积的芯片散热需求日益加大，以有机聚合物为主体的传统热界面材料，由于较低的导热系数，即使添加了导热金属粉的高分子材料的导热率也仅为7W/mK，已经远远满足不了实际的需求。因此研制新型的高性能热界面材料迫在眉睫。

众所周知，液态金属镓及其合金具有熔点低、热导率高以及流动性好等优点，特别是其导热率更是远高出常规热界面材料如硅油或其添加有高导热纳米颗粒材料1个量级，是一种十分理想的热界面材料。现有的纳米流体的基液为液态金属自身或其合金，且种类及组分有限，相应材料与芯片基底的润湿性尚不够理想，填充于界面后仍会有部分接触面存在一定空隙，因而会影响导热性能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：现有的热界面材料种类及组分有限，相应材料与芯片基底的润湿性尚不够理想，填充于界面后仍会有部分接触面存在一定空隙。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种热界面材料，所述热界面材料由金属镓、铟、汞、钠、钾、铯或其二元、多元合金经过加热、氧化之后形成。

优选地，所述热界面材料中加入外表层包覆有氧化硅膜的纳米颗粒，所加入的纳米颗粒与金属/合金的质量比为(0～90％)∶1，不包括0。

本发明还提供了一种热界面材料的制造方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，选择金属镓、铟、汞、钠、钾、铯或其二元、多元合金，通过加热使金属或者合金变成液态；

步骤S2，将液态金属或合金置于空气或氧气环境中，对其加热温度为25～1000℃，并对其进行搅拌，搅拌速率为0～500rpm，搅拌时间为0.1h～10h，形成液态热界面材料。

优选地，所述步骤S1之后还包括加入纳米颗粒步骤，将外表层包覆有氧化硅膜的纳米颗粒加入液态金属/合金中，所加入的纳米颗粒与液态金属/合金的质量比为(0～90％)∶1，不包括0。

优选地，所述包覆有氧化硅膜的纳米颗粒的粒径为1～900纳米。

优选地，所述纳米颗粒为金属纳米颗粒或非金属纳米颗粒

优选地，所述金属纳米颗粒为铜、铝、铁、金、银、镁、钙、钡、镍、锌、铬、镉或锑，或者是上述至少两种金属的合金。

优选地，所述的非金属纳米颗粒为碳纳米管，金刚石纳米颗粒材料，石墨材料纳米颗粒，硼、硅、锗或砷的纳米颗粒，氧化铝、氧化铜、氧化锌、氧化镁或碳化硅纳米颗粒。

优选地，所述步骤S1中的合金包括镓铟、镓锡、镓汞、镓钠、镓钾、镓铯二元合金；镓铟锡、镓铟汞、镓铟钠、镓铟钾、镓铟铯、镓锡汞、镓锡钠、镓锡钾、镓锡铯、镓汞钠、镓汞钾、镓汞铯、镓钠钾三元合金；镓铟锡汞、镓铟锡钠、镓铟锡钾、镓铟锡铯、镓铟汞钠、镓铟汞钾、镓铟汞铯、镓锡汞钠、镓锡汞钾、镓锡汞铯、镓铟钠钾、镓锡钠钾、镓汞钠钾、镓铯钠钾四元合金；以及由铅、铋、锡、铜、铝或铬中的一种或多种与上述合金配制而成的中低温多元合金。

优选地，所述包覆有氧化硅膜的纳米颗粒是采用溶胶凝胶法、化学镀法、直流电弧等离子体法制成。

(三)有益效果

上述技术方案具有如下优点：通过将金属镓、铟、汞、钠、钾、铯或其二元、多元合金，置于空气或氧气环境中氧化而形成热界面材料，可大大提升金属基流体与各种界面间的润湿性，从而较好满足热界面材料的要求，且多元合金的组合可形成不同熔点的金属液体或其氧化物，从而满足更宽温度范围的使用。本发明采用氧化后的纳米液态金属及其合金作为热界面材料，有效克服常规液态金属表面张力大而引起的界面润湿性差的问题，较之常规硅油基热界面材料其导热性能有了较大的提高，且超越了以往纳米金属流体的润湿特性，使得填充更加有效方便，界面热阻大大减小，能较好确保散热效果。由于其优良的热学性能以及润湿性能，在低温工程以及计算机、卫星、火箭推进器及激光器等领域的电子芯片热传导方面均可望发挥重要作用。

附图说明

图1是本发明一种实施例的制作方法流程图；

图2是本发明的热界面材料置于金属铜上的示意图；

图3是本发明一种实施例添有纳米颗粒的液态金属基液示意图。

其中，1：热界面材料；2：铜片；3：液态金属基液；4：氧化硅；5：纳米颗粒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，是本发明一种实施例的热界面材料的制作方法流程图，所述方法包括如下步骤：

步骤S2，将液态金属或合金置于空气或氧气环境中，对其加热温度为25～1000℃，并对其进行搅拌，搅拌速率为0～500rpm(rpm是revolutions per minute简称，表示每分钟转数)，搅拌时间为0.1h～10h，形成液态热界面材料。本发明通过将金属镓、铟、汞、钠、钾、铯或其二元、多元合金置于空气或氧气环境中氧化而形成热界面材料，可大大提升金属基流体与各种界面间的润湿性，从而较好满足热界面材料的要求，在低温工程以及计算机、卫星、火箭推进器及激光器等领域的电子芯片热传导方面均可发挥重要作用。

为了加大液态金属或合金的润湿性，优选地，所述步骤S1之后还包括加入纳米颗粒步骤，将外表层包覆有氧化硅膜的纳米颗粒加入液态金属/合金中，所加入的纳米颗粒与液态金属/合金的质量比为(0～90％)∶1，不包括0。更优地为(10％～50％)∶1，例如20％∶1、40％∶1、50％∶1、60％∶1、或者80％∶1。

图3是本发明一种实施例添加有纳米颗粒的液态金属基液示意图，液态金属基液3中添加有包覆氧化硅膜的纳米颗粒，在纳米颗粒5的周围包覆有氧化硅4，通过氧化硅来包覆纳米颗粒5。未包覆氧化硅层的纳米颗粒与液态金属基液的润湿性较差，很难均匀分散在液态金属基液中，本发明的方法实现纳米颗粒与液态金属的完全润湿。优选地，所述包覆有氧化硅膜的纳米颗粒的粒径为1～900纳米。更优地为300～500纳米，例如400纳米、600纳米、800纳米。纳米颗粒可以为金属纳米颗粒或非金属纳米颗粒。优选地，所述金属纳米颗粒为铜、铝、铁、金、银、镁、钙、钡、镍、锌、铬、镉或锑，或者是上述至少两种金属的合金。优选地，所述的非金属纳米颗粒为碳纳米管，金刚石纳米颗粒材料，石墨材料纳米颗粒，硼、硅、锗或砷的纳米颗粒，氧化铝、氧化铜、氧化锌、氧化镁或碳化硅纳米颗粒。

本发明制作热界面材料的步骤S1中合金可以是二元合金或者多元合金，包括镓铟、镓锡、镓汞、镓钠、镓钾、镓铯等二元合金；镓铟锡、镓铟汞、镓铟钠、镓铟钾、镓铟铯、镓锡汞、镓锡钠、镓锡钾、镓锡铯、镓汞钠、镓汞钾、镓汞铯、镓钠钾等三元合金；镓铟锡汞、镓铟锡钠、镓铟锡钾、镓铟锡铯、镓铟汞钠、镓铟汞钾、镓铟汞铯、镓锡汞钠、镓锡汞钾、镓锡汞铯、镓铟钠钾、镓锡钠钾、镓汞钠钾、镓铯钠钾等四元合金；以及由铅、铋、锡、铜、铝或铬中的一种或多种与上述合金配制而成的中低温多元合金。

本发明的氧化硅膜的纳米颗粒可以采用现有技术来实现，实现纳米颗粒与液态金属的完全润湿。优选地，所述包覆有氧化硅膜的纳米颗粒是采用溶胶凝胶法、化学镀法、直流电弧等离子体法制成。在一种实施例中，利用TEOS的水解特性制备氧化硅包覆层。首先在锥形瓶中加入一定量的纳米颗粒和无水乙醇，于超声波清洗器中超声至少30min，使纳米颗粒得以充分分散。再向锥形瓶中加入氨水作为催化剂以及一定量的TEOS(正硅酸乙酯)，继续超声反应数小时后，将产物离心分离，并用蒸馏水洗涤数次直至上层清夜的pH值约为7，最后用无水乙醇洗涤一次，在60℃下真空干燥3h，从而形成包覆有氧化硅膜的纳米颗粒。

本发明还提供了一种热界面材料，该热界面材料是由金属镓、铟、汞、钠、钾、铯或其二元、多元合金经过加热、氧化之后形成。优选地，所述热界面材料中加入外表层包覆有氧化硅膜的纳米颗粒，所加入的纳米颗粒与金属/合金的质量比为(0～90％)∶1，不包括0。所加入的纳米颗粒可以是金属纳米或者非金属纳米，可以选择在金属/合金处于液态的过程进行加入，从而便于两者融合，具体可以参照上文描述。本发明的热界面材料可以提升金属基流体与各种界面间的润湿性，从而较好满足热界面材料的要求，在低温工程以及计算机、卫星、火箭推进器及激光器等领域的电子芯片热传导方面均可发挥重要作用。如图2所示，是本发明的热界面材料置于金属铜片上的示意图，从图上可以看出，本发明的热界面材料1设置在铜片2上之后，热界面材料1涂覆在铜片2上，并形成较为均匀的涂层，两者之间的润湿性较好。

以下是本发明制造热界面材料的过程之中的实施例：

实施例1：

将称取40克金属镓，将其予以水浴加热熔化为液态，于空气中持续加热，加热温度为100℃，利用机械搅拌器均匀搅拌，搅拌速率为150rpm，使其逐步于空气中的氧气发生氧化反应生成氧化镓，并将其均匀分散在液态金属镓中，搅拌3h后，冷却到室温即得到具有一定粘度的液态金属镓基热界面材料。

实施例2：

按照实例1的制备方法，只是将空气换为高纯氧气环境。

实施例3：

按实施例1的制备方法，只是将液态金属镓换为镓铟系列合金(如62.5％Ga，21.5％In，16％Sn)。

实施例4：

按实施例1的制备方法，只是将液态金属镓换为中低温下的低熔点合金(镓与其他中温下或低温下的低熔点金属形成的二元或多元合金，包括镓汞、镓钠、镓钾、镓铯等二元合金；镓铟汞、镓铟钠、镓铟钾、镓铟铯、镓锡汞、镓锡钠、镓锡钾、镓锡铯、镓汞钠、镓汞钾、镓汞铯、镓钠钾等三元合金；镓铟锡汞、镓铟锡钠、镓铟锡钾、镓铟锡铯、镓铟汞钠、镓铟汞钾、镓铟汞铯、镓锡汞钠、镓锡汞钾、镓锡汞铯、镓铟钠钾、镓锡钠钾、镓汞钠钾、镓铯钠钾等四元合金；以及由铅、铋、锡、铜、铝或铬中的一种或多种与上述合金配制而成的中低温多元合金)。

实施例5：

将10％的外表层包覆有氧化硅的金刚石纳米颗粒掺混到液态金属镓中，经机械搅拌器混合15分钟，再用超声分散15分钟，最后进行机械搅拌15分钟，使纳米颗粒均匀分散到液态金属镓中，再于空气中将其置于加热台上，加热温度为50℃，并利用机械搅拌器均匀搅拌，转速为100rpm，使镓发生一定的氧化反应，持续搅拌，使生成的氧化镓均匀分散到液态金属中，搅拌5h后冷却到室温，得到具有一定粘度的液态金属镓基热界面材料。

实施例6：

按照实例5的制备方法，只是将空气换为高纯氧气。

实施例7：

按实施例5的制备方法，只是将液态金属镓换为镓铟系列合金(如62.5％Ga，21.5％In，16％Sn)。

实施例8：

按实施例5的制备方法，只是将液态金属镓换为中低温下的低熔点合金(镓与其他中温下或低温下的低熔点金属形成的二元或多元合金，包括镓汞、镓钠、镓钾、镓铯等二元合金；镓铟汞、镓铟钠、镓铟钾、镓铟铯、镓锡汞、镓锡钠、镓锡钾、镓锡铯、镓汞钠、镓汞钾、镓汞铯、镓钠钾等三元合金；镓铟锡汞、镓铟锡钠、镓铟锡钾、镓铟锡铯、镓铟汞钠、镓铟汞钾、镓铟汞铯、镓锡汞钠、镓锡汞钾、镓锡汞铯、镓铟钠钾、镓锡钠钾、镓汞钠钾、镓铯钠钾等四元合金；以及由铅、铋、锡、铜、铝或铬中的一种或多种与上述合金配制而成的中低温多元合金。)。

实施例9：

将20％的外表层包覆有氧化硅薄膜的纳米铜颗粒掺混到液态金属镓中，经机械搅拌器混合15分钟，再用超声分散15分钟，最后进行机械搅拌15分钟，使纳米颗粒均匀分散到液态金属镓中，再于空气中将其置于加热台上，加热温度为150℃，并利用机械搅拌器均匀搅拌，转速为80rpm，使镓发生一定的氧化反应，持续搅拌，使生成的氧化镓均匀分散到液态金属中，搅拌3h后冷却到室温，得到具有一定粘度的液态金属镓基热界面材料。

实施例10：

按照实例9的制备方法，只是将空气换为高纯氧气。

实施例11：

按实施例9的制备方法，只是将液态金属镓换为镓铟系列合金(如62.5％Ga，21.5％In，16％Sn)。

实施例12：

按实施例9的制备方法，只是将液态金属镓换为中低温下的低熔点合金(镓与其他中温下或低温下的低熔点金属形成的二元或多元合金，包括镓汞、镓钠、镓钾、镓铯等二元合金；镓铟汞、镓铟钠、镓铟钾、镓铟铯、镓锡汞、镓锡钠、镓锡钾、镓锡铯、镓汞钠、镓汞钾、镓汞铯、镓钠钾等三元合金；镓铟锡汞、镓铟锡钠、镓铟锡钾、镓铟锡铯、镓铟汞钠、镓铟汞钾、镓铟汞铯、镓锡汞钠、镓锡汞钾、镓锡汞铯、镓铟钠钾、镓锡钠钾、镓汞钠钾、镓铯钠钾等四元合金；以及由铅、铋、锡、铜、铝或铬中的一种或多种与上述合金配制而成的中低温多元合金。)。

由以上实施例可以看出，本发明实施例通过采用将金属镓、铟、汞、钠、钾、铯或其二元、多元合金经过加热、氧化之后形成热界面材料，可大大提升金属基流体与各种界面间的润湿性，从而较好满足热界面材料的要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种热界面材料，其特征在于，所述热界面材料由金属镓、铟、汞、钠、钾、铯或其二元、多元合金经过加热、氧化之后形成。

2.根据权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述热界面材料中加入外表层包覆有氧化硅膜的纳米颗粒，所加入的纳米颗粒与金属/合金的质量比为(0～90％)∶1，不包括0。

3.一种热界面材料的制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

4.如权利要求3所述的热界面材料的制造方法，其特征在于，所述步骤S1之后还包括加入纳米颗粒步骤，将外表层包覆有氧化硅膜的纳米颗粒加入液态金属/合金中，所加入的纳米颗粒与液态金属/合金的质量比为(0～90％)∶1，不包括0。

5.如权利要求4所述的热界面材料的制造方法，其特征在于，所述包覆有氧化硅膜的纳米颗粒的粒径为1～900纳米。

6.如权利要求4或者5所述的热界面材料的制造方法，其特征在于，所述纳米颗粒为金属纳米颗粒或非金属纳米颗粒。

7.如权利要求6所述的热界面材料的制造方法，其特征在于，所述金属纳米颗粒为铜、铝、铁、金、银、镁、钙、钡、镍、锌、铬、镉或锑，或者是上述至少两种金属的合金。

8.如权利要求6所述的热界面材料的制造方法，其特征在于，所述的非金属纳米颗粒为碳纳米管，金刚石纳米颗粒材料，石墨材料纳米颗粒，硼、硅、锗或砷的纳米颗粒，氧化铝、氧化铜、氧化锌、氧化镁或碳化硅纳米颗粒。

9.如权利要求3、4、5、7和8中任何一项所述的热界面材料的制造方法，其特征在于，所述步骤S1中的合金包括：镓铟、镓锡、镓汞、镓钠、镓钾、镓铯二元合金；镓铟锡、镓铟汞、镓铟钠、镓铟钾、镓铟铯、镓锡汞、镓锡钠、镓锡钾、镓锡铯、镓汞钠、镓汞钾、镓汞铯、镓钠钾三元合金；镓铟锡汞、镓铟锡钠、镓铟锡钾、镓铟锡铯、镓铟汞钠、镓铟汞钾、镓铟汞铯、镓锡汞钠、镓锡汞钾、镓锡汞铯、镓铟钠钾、镓锡钠钾、镓汞钠钾、镓铯钠钾四元合金；以及由铅、铋、锡、铜、铝或铬中的一种或多种与上述合金配制而成的中低温多元合金。

10.如权利要求4、5、7和8中任何一项所述的热界面材料的制造方法，其特征在于，所述包覆有氧化硅膜的纳米颗粒是采用溶胶凝胶法、化学镀法、直流电弧等离子体法制成。