CN103396769B - 一种低熔点金属导热膏及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低熔点金属导热膏及其制备方法和应用，本发明制备的低熔点金属导热膏包括低熔点金属、抗氧化剂和镓酸钠。低熔点金属具有高热导率，可保证导热膏优异的导热性能；抗氧化剂可以抑制低熔点金属遇空气氧化，防止导热膏在使用过程中逐渐氧化失效；镓酸钠可降低低熔点金属表面张力，提升导热膏的粘度，增强导热膏的易涂抹特性，防止导热膏在使用过程中出现流淌泄露现象。本发明可广泛用于航天热控、先进能源、信息电子等需降低接触热阻的导热散热领域。

Description

一种低熔点金属导热膏及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种低熔点金属导热膏及其制备方法和应用，具体涉及包括低熔点金属，抗氧化剂和镓酸钠的低熔点金属导热膏，本发明属于导热材料领域。

背景技术

导热硅脂是电子元器件散热的关键材料。这主要是因为热源表面和散热器之间存在极细微的凹凸不平的空气间隙，而空气是热的不良导体，将会在热源与散热器之间形成明显的接触热阻，降低散热器的效能。而导热硅脂填充于热源与散热器之间，可排除界面中的空气，并在其间建立有效的热传导通道，降低接触热阻，提升传热性能。

传统的导热膏均以硅油为基础填充高热导率颗粒而成，热导率一般较低（低于5W/(m·K)）。在近些年逐渐发展的液态金属导热膏是一种高端热界面材料，其具有远超传统导热硅脂的热导率，传热效果显著。常见的液态金属导热膏为镓基合金，因其熔点低，常温下呈液态，最为适合用作界面材料，但其流动性大不易涂抹，易出现流淌失效问题。随后其它研究者向其中加入氧化镓成分，大大提高了液态金属的粘附性，使其易于涂抹，操作更加方便。然而，氧化镓的热导率很低，会降低液态金属导热膏的传热性能。而且，液态金属导热膏在长期使用过程中逐渐被空气氧化导致性能恶化已经成为液态金属导热膏应用的关键瓶颈和难题。因此，寻找能防止液态金属导热膏氧化，同时又能保证液态金属粘度的材料和方法是保证液态金属热界面材料大规模市场应用的重要课题。

为解决上述问题，本发明提出一种新型的低熔点金属导热膏，该导热膏以低熔点金属（镓基、铟基或铋基合金）为导热功能主体，加入适量镓酸钠提升液态金属的粘附性，再加入适量抗氧化剂来提高整体的抗氧化性。其典型优点如下：（1）镓酸钠可降低低熔点金属表面张力，增加导热膏的粘度，使导热膏便于涂抹；（2）导热膏中添加抗氧化剂，防止导热膏在长期使用过程中的氧化失效；（3）作为主要功能材料的低熔点金属在30℃及以上温度下能呈现液态，与传统的导热硅脂相比，具有极高的热导率。总之，这种低熔点金属导热膏导热性能优异、操作方便易于涂抹、且在空气中不易氧化，可保证传热系统的长期安全稳定运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低熔点金属导热膏，其以低熔点金属为导热功能主体，同时采用抗氧化剂提高整体的抗氧化性，并加入镓酸钠提高其粘附性，可在保证导热膏优异的涂抹特性的同时解决常规低熔点金属导热膏氧化失效的问题。使用时，将导热膏均匀地涂在热源表面，低熔点金属导热膏实现热源与散热器件间迅速的热传递，降低接触热阻，实现了一种高导热性能，高粘度，且安全稳定不易失效的高端导热膏。本发明可广泛用于航天热控、先进能源、信息电子等需降低接触热阻的导热散热领域。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的一种低熔点金属导热膏，包括以下按质量分数计的组分：

低熔点金属为90%～99.8%，抗氧化剂为0.1%～5%和镓酸钠0.1%～5%；优选的，低熔点金属为92%～97%，抗氧化剂为1.5%～4%和镓酸钠1.5%～4%；更优选的，低熔点金属为94%，抗氧化剂为3%和镓酸钠3%。

本发明中所述的低熔点金属在30℃及以上温度下能呈现液态，热导率高于10W/(m·K)；

进一步的，所述低熔点金属选自镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金或铋基合金；

所述镓基二元合金选自镓铟合金、镓铅合金或镓汞合金；

所述镓基多元合金选自镓铟锡合金或镓铟锡锌合金；

本发明中所述的抗氧化剂选自硫化钠、氯化亚铁、硫化镁、硫酸亚铁或碘化钾。

制备本发明中所述的低熔点金属导热膏的方法，包括以下步骤：

（1）采用热熔法熔化低熔点金属，其在导热膏中的质量分数为90%～99.8%；

（2）向熔化的低熔点金属中添加质量分数为0.1%～5%的抗氧化剂和质量分数为0.1%～5%的镓酸钠粉末；

（3）在隔绝空气的环境下对步骤（2）中的混合物进行搅拌，搅拌时转速为10rpm～500rpm，搅拌时间为5min～300min。

本发明所述的一种低熔点金属导热膏具有如下优点：

（1）镓酸钠可降低低熔点金属表面张力，增加导热膏的粘度，使导热膏便于涂抹；

（2）导热膏中添加抗氧化剂，可防止导热膏中的低熔点金属被空气中的氧气氧化，防止导热膏在长期使用过程中氧化失效；

（3）作为主要功能材料的低熔点金属在30℃及以上温度下能呈现液态，与传统的导热硅脂相比，具有超高热导率。

附图说明

图1为本发明低熔点金属导热膏应用于散热系统中的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

实施例1一种低熔点金属导热膏，由以下按重量份计的组分组成：

镓铟锡合金（其中各组分质量分数为Ga：66%、In：20.5%、Sn：13.5%）的质量分数为94.9%，硫化钠质量分数为0.1%，镓酸钠质量分数为5%。

其中，镓铟锡合金可在10℃及以上温度情况下保持液态。

制备本实施例中所述的低熔点金属导热膏的方法，包括以下步骤：

（1）采用热熔法熔化镓铟锡合金，其在导热膏中的质量分数为94.9%；

（2）向熔化的低熔点金属中添加质量分数为0.1%的硫化钠和质量分数为5%的镓酸钠粉末；

（3）在隔绝空气的环境下对步骤（2）中的混合物进行搅拌，搅拌时转速为480rpm，搅拌时间为5min。

实施例2一种低熔点金属导热膏，由以下按重量份计的组分组成：

镓铟锡锌合金（其中各组分质量分数为Ga:61%、In:24%、Sn:13%、Zn:2%）的质量分数为94.9%，氯化亚铁的质量分数为5%，镓酸钠的质量分数为0.1%。

其中，镓铟锡锌合金可在10℃及以上温度情况下保持液态。

制备本实施例中所述的低熔点金属导热膏的方法，包括以下步骤：

（1）采用热熔法熔化镓铟锡锌合金，其在导热膏中的质量分数为94.9%；

（2）向熔化的低熔点金属中添加质量分数为5%的氯化亚铁和质量分数为0.1%的镓酸钠粉末；

（3）在隔绝空气的环境下对步骤（2）中的混合物进行搅拌，搅拌时转速为120rpm，搅拌时间为200min。

实施例3一种低熔点金属导热膏，由以下按重量份计的组分组成：

镓铅合金（其中各组分质量分数为Ga:98%、Pb:2%）的质量分数为99.8%，硫化镁的质量分数为0.1%，镓酸钠的质量分数为0.1%。

其中，镓铅合金可在30℃及以上温度情况下保持液态。

制备本实施例中所述的低熔点金属导热膏的方法，包括以下步骤：

（1）采用热熔法熔化镓铅合金，其在导热膏中的质量分数为99.8%；

（2）向熔化的低熔点金属中添加质量分数为0.1%的硫化镁和质量分数为0.1%的镓酸钠粉末；

（3）在隔绝空气的环境下对步骤（2）中的混合物进行搅拌，搅拌时转速为300rpm，搅拌时间为120min。

实施例4一种低熔点金属导热膏，由以下按重量份计的组分组成：

镓汞合金（其中各组分质量分数为Ga:99%、Hg:1%）的质量分数为90%，硫酸亚铁的质量分数为5%，镓酸钠的质量分数为5%。

其中，镓汞合金可在30℃及以上温度情况下保持液态。

制备本实施例中所述的低熔点金属导热膏的方法，包括以下步骤：

（1）采用热熔法熔化镓汞合金，其在导热膏中的质量分数为90%；

（2）向熔化的低熔点金属中添加质量分数为5%的硫酸亚铁和质量分数为5%的镓酸钠粉末；

（3）在隔绝空气的环境下对步骤（2）中的混合物进行搅拌，搅拌时转速为450rpm，搅拌时间为30min。

实施例5一种低熔点金属导热膏，由以下按重量份计的组分组成：

镓铟合金(其中各组分质量分数为Ga:80%，In:20%)的质量分数为94%，碘化钾的质量分数为3%，镓酸钠的质量分数为3%。

其中，镓铟合金可在15℃及以上温度情况下保持液态。

制备本实施例中所述的低熔点金属导热膏的方法，包括以下步骤：

（1）采用热熔法熔化镓铟合金，其在导热膏中的质量分数为94%；

（2）向熔化的低熔点金属中添加质量分数为3%的碘化钾和质量分数为3%的镓酸钠粉末；

（3）在隔绝空气的环境下对步骤（2）中的混合物进行搅拌，搅拌时转速为480rpm，搅拌时间为20min。

试验例1本发明的低熔点金属导热膏与现有技术中的导热膏相比较

实验平台：用于本发明中导热膏的测试平台如图1所示。热源采用电加热铜块，发热面积4cm×4cm，发热功率100W。散热器采用风扇强制对流冷却。在热源3顶部及散热器1底部开测温孔，采用热电偶测量两处温度。温度采集采用安捷伦34970A，其测温精度可达到正负0.5℃。

导热膏的使用方法：将导热膏2均匀涂抹于热源3的表面，并用扣具将散热器1紧密固定在热源3上（见图1）。

实验步骤：

（1）搭建两套同样的上述实验平台。按上述导热膏涂抹方法，在其中一套实验平台的热源表面涂抹传统导热膏（信越7783），然后在其上装配散热器。随后，按同样的方法，在另一套实验平台的热源表面涂抹实施例5中的低熔点金属导热膏，装配散热器。

（2）两套实验平台均开启热源。待系统温度稳定后，分别测试两套实验平台中两测温孔的温差。

（3）实验发现，涂抹了传统导热膏（信越7783）的实验平台中，热源3顶部及散热器1底部两测温孔的温差为12℃，而涂抹了实施例5中低熔点金属导热膏的实验平台中两测温孔温差仅有3℃，温降优势明显。

上述实验数据与理论计算数值非常接近。低熔点金属（比如镓铟锡合金）的热导率一般可达到25W/(m·K)，而传统的高端非金属导热硅脂（如信越7783）的热导率一般为6W/(m·K)。两者热导率差距约4倍，因此传热界面温差约1/4是非常合理和一致的。

此外，低熔点金属导热膏为膏状，方便用户直接涂抹或丝网印刷，使用方便。传统导热硅脂主要成分为硅油，长期使用容易挥发变干失效，而本发明中的低熔点金属导热膏不仅不会蒸发泄露，更不容易氧化失效，可长期安全，稳定使用，寿命长。

Claims (9)

1.一种低熔点金属导热膏，包括以下按质量分数计的组分：

低熔点金属为90%～99.8%，抗氧化剂为0.1%～5%和镓酸钠0.1%～5%；其中，

所述低熔点金属选自镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金或铋基合金。

2.根据权利要求1所述的低熔点金属导热膏，其特征在于，包括以下按质量分数计的组分：

低熔点金属为92%～97%，抗氧化剂为1.5%～4%和镓酸钠1.5%～4%。

3.根据权利要求2所述的低熔点金属导热膏，其特征在于，包括以下按质量分数计的组分：

低熔点金属为94%，抗氧化剂为3%和镓酸钠3%。

4.根据权利要求1所述的低熔点金属导热膏，其特征在于，所述的低熔点金属在30℃及以上温度下能呈现液态，热导率高于10W/(m·K)。

5.根据权利要求1所述的低熔点金属导热膏，其特征在于，所述镓基二元合金选自镓铟合金、镓铅合金或镓汞合金。

6.根据权利要求1所述的低熔点金属导热膏，其特征在于，所述镓基多元合金选自镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。

7.根据权利要求1所述的低熔点金属导热膏，其特征在于，所述的抗氧化剂选自硫化钠、氯化亚铁、硫化镁、硫酸亚铁或碘化钾。

8.制备如权利要求1-7任一项所述的低熔点金属导热膏的方法，包括以下步骤：

（1）采用热熔法熔化低熔点金属，其在导热膏中的质量分数为90%～99.8%；

（2）向熔化的低熔点金属中添加质量分数为0.1%～5%的抗氧化剂和质量分数为0.1%～5%的镓酸钠粉末；

（3）在隔绝空气的环境下对步骤（2）中的混合物进行搅拌，搅拌时转速为10rpm～500rpm，搅拌时间为5min～300min。

9.权利要求1-7任一项所述的低熔点金属导热膏在航天热控、先进能源、信息电子需降低接触热阻的导热领域中的应用。

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