CN107522899A

CN107522899A - 液态金属导热片及其制备方法

Info

Publication number: CN107522899A
Application number: CN201710686955.0A
Authority: CN
Inventors: 楚盛
Original assignee: Shenzhen Great Wood Liquid Metal Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Great Wood Liquid Metal Technology Co Ltd
Priority date: 2017-08-11
Filing date: 2017-08-11
Publication date: 2017-12-29

Abstract

本发明公开了一种液态金属导热片，所述导热片包括液态金属与PDMS，所述液态金属与PDMS的体积比为1‑3:1。所述液态金属的组分及组分质量百分比为：镓65‑70%、铟15‑21%、锡8‑12%、锑2‑4%、铋2‑4%。所述液态金属中还包含有质量百分比为0.3‑0.6%的铝、0.2‑0.5%的铍、0.01‑0.05%的钠。本发明中的导热片利用PDMS与液态金属各自具有的独特性能，将液态金属“包裹”而非“封装”至成型的PDMS内，然后通过对成型的液态金属‑PDMS混合物进行拉伸，形成导热通路，不仅大幅度增强了导热性能，而且能够有效避免液态金属在传统的封装工艺下存在的易渗透的缺点。

Description

液态金属导热片及其制备方法

技术领域

本发明属于新材料领域，具体涉及一种包含液态金属的导热材料以及利用该材料制成的导热片。

背景技术

随着电子科学技术发展的越来越迅速，相关的通信设备也越来越朝着小型化、轻薄化和高性能的方向发展。在电子设备内部有限的空间内需要配置各种电子元器件，如IGBT模块、CPU模块等，在集成度和组装密度不断提高的要求下，直接导致了电子元器件的工作功耗和单位发热量急剧增大，从而对电子元器件的性能造成严重的影响。

现有技术中，为了避免电子元器件中的发热元件在工作过程中持续发热导致高温失效，往往在电子设备中设置散热装置，最常见的是在电子元器件表面贴装导热片，利用导热性能佳的材料制成的导热片降低接触热阻、提升传热性能。导热片本身高导热率的特性在高温产品中起到热传递的作用，在填补了空隙的同时提高了导热效率，而且在元器件与散热器之间还能同时起到缓冲吸震的作用。目前使用的导热片主要有硅胶导热片、石墨导热片和液态金属导热片。硅胶导热片由于加工简单、成本低廉得到了广泛的应用，但是其导热系数往往不超过6W/m·k，无法满足更高的导热需求。石墨导热片尽管导热效果好，但是加工过程复杂，不易成型。液态金属导热片则因具有远超传统导热硅胶的热导率逐渐成为替代性的新型导热材料。

液态金属导热片尽管导热效率高，但是由于液态金属流动性大，长期使用过程中容易出现泄漏或者渗入散热装置或者电子元器件的材料内部导致流淌失效的问题，严重阻碍了液态金属导热片得到广泛的应用。针对液态金属导热片存在的上述缺陷，研究者们研发了许多不同的封装方法来克服，却不尽如人意。

发明内容

为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种新的利用液态金属制成的导热片。本发明中的导热片利用PDMS与液态金属各自具有的独特性能，将液态金属“包裹”而非“封装”至成型的PDMS内，然后通过对成型的液态金属-PDMS混合物进行拉伸，形成导热通路，不仅大幅度增强了导热性能，而且能够有效避免液态金属在传统的封装工艺下存在的易渗透的缺点。

本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：

本发明中所述提供的一种液态金属导热片，包括液态金属与PDMS，所述液态金属与PDMS的体积比为1-3:1。

进一步地，所述液态金属的组分及组分质量百分比为：镓65-70%、铟15-21%、锡8-12%、锑2-4%、铋2-4%。优选地，所述液态金属中还包含有质量百分比为0.3-0.6%的铝、0.2-0.5%的铍、0.01-0.05%的钠。

本发明中还提供制备上述液态金属导热片的方法，包括如下步骤：

S01：制备液态金属：按照组分配方称取液态金属的原料单质，混合均匀后加入至坩埚中；在液态金属原料表面撒覆一层氯化钠，然后将坩埚放入高温炉中，升温至熔炼温度850-900℃，保温2-8小时，然后冷却至室温，再将得到的液态金属置于惰性气氛保护的容器中；

S02：将S01中制备得到的液态金属与PDMS以体积比1-3:1量取、混合，研磨加速两者混合均匀，直至微观下液态合金液滴粒径范围为150-300nm且均匀分散于PDMS中；

S03：加入PDMS固化剂至S02中得到的混合物中，搅拌均匀后倒入长方体模具中，使混合物固化成型；

S04：去掉模具得到成型的液态金属-PDMS混合物，在该成型混合物两端施加外力进行拉伸，使该成型混合物在受力方向上的伸长量为原受力方向上长度的5-40%；

S05：沿着与S04中拉伸方向相垂直的方向将经过S04处理后的成型液态金属-PDMS混合物切成所需厚度的均匀片材。

进一步地，S01步骤中，高温炉从室温升至熔炼温度的时长为35-45分钟；其升温速率为：前10分钟为5-15℃/分钟，10分钟之后升温速率为22.5-35℃/分钟。

进一步地，S02步骤中，研磨时间为10-30分钟。

进一步地，S03步骤中，PDMS固化剂添加量为与PMDS以体积比1:10-15进行添加。

进一步地，S04步骤中，成型混合物拉伸方向为其长度方向。优选地，S04步骤中，成型混合物在受力方向上的伸长量为原受力方向上长度的30-35%。

本发明中液态金属导热片的应用优选为用于电子设备的散热。

本发明具有以下优点：

1、本发明中提供了一种准确稳定的具有高导热性、高弹性的液态金属-PDMS复合导热片，并提供了制备该导热片的制备方法。

2、本发明的复合导热片中填充的是液态金属，增加导热率的同时不会改变导热片的弹性。

3、本发明导热片中的液态金属最终交联在一起形成导热通路，导热性佳。

4、本发明导热片中的液态金属被包裹在PDMS内，可避免泄漏。

具体实施方式

以在CPU表面形成液态金属导热片为例，现有技术中液态金属导热片的制备方法主要有两种：

1、将液态金属首先加工成片，放置于CPU散热表面，然后在散热面表面和侧面点胶密封，形成导热的密封结构。

2、首先在CPU表面需要导热的位置利用密封胶涂覆、固化形成容置空间，然后利用喷涂、PVD或者其他方式将液态金属填充于该容置空间内，然后利用CPU本身的屏蔽罩倒扣实现密封。

上述两种方法中由于均采用密封胶进行密封，在长时间使用、发热的工况下，密封结构非常容易失效，从而导致液态金属的流出、挥发，进而导致导热片的失效。

为了解决上述液态金属导热片存在的问题，本发明中提供的是一种液态金属与PDMS的复合导热片，其中液态金属与PDMS的体积比为1-3:1。

PDMS（polydimethylsiloxane）是聚二甲基硅氧烷的缩写，是一种常见的高分子有机硅化合物，具有光学透明、惰性、无毒、不易挥发的特性。PDMS液态时为粘稠液体，俗称“硅油”，固化后形成透明弹性体硅胶聚二甲基硅氧烷。由于具有良好的加工性能，广泛应用于各大了工业领域中。在散热领域，现有技术中即有在硅胶内填充高导热颗粒材料，如银颗粒、氮化铝、氮化硼等导热材料制成复合散热材料，但是这种复合散热材料成本较高、整体散热效果一般、无缓震效果。

下面结合具体的实施例对本发明进行详细的说明。

（1）液态金属的制备

本发明中，液态金属主要起到的是导热的效果，故其导热率以及加工性能为本发明技术方案中首要考虑的问题。按照本发明中的配方按照下表制备液态金属：

液态金属的制备过程为：按照组分配方称取液态金属的原料单质，混合均匀后加入至坩埚中；在液态金属原料表面撒覆一层氯化钠，然后将坩埚放入高温炉中，升温至熔炼温度880℃，保温4小时，然后冷却至室温，再将得到的液态金属置于氮气气氛保护的容器中，其中高温炉从室温升至熔炼温度的时长为40分钟；其升温速率为：前10分钟为12℃/分钟，20分钟之后升温速率为25.3℃/分钟。

液态金属熔炼完成后，将液态的金属倒入特制容器中，熔炼之前在原料表面撒覆的氯化钠仍在液态金属表面，倾倒液态金属时会自动与液态金属分离，不会对液态金属成分造成影响，熔炼过程表面撒覆氯化钠一方面是在熔炼过程对液态金属表面进行保护，防止氧化或者被污染，另一方面，可有效保持液态金属表面的温度与中心部分一致，使熔炼过程温度均匀。

对上述制得的液态金属传热系数进行测试，测试值为：

通过测试结果可以看出，实施例中的液态金属导热性能非常好，比起常见的金属材料和普通液态金属上述液态金属的导热性能更佳。

（2）导热片的制备

选择液态金属实施例13作为导热片内的液态金属进行导热片的制备，液态金属与导热片的体积比为：

将液态金属与液态PDMS按照上表的体积比量取、混合，研磨25分钟加速两者混合均匀，在扫描电镜下可观察到液态合金液滴粒径范围为200nm且均匀分散于PDMS中。

将PDMS固化剂加入至得到的混合物中，搅拌均匀后倒入长方体模具中，使混合物固化成型。本实施例中使用的PDMS固化剂为市售常用PDMS固化剂，为道康宁产的PDMS固化剂，添加比例为：PDMS固化剂添加量为与PMDS以体积比1:10进行添加。

待PDMS交联固化后，去掉模具得到成型的液态金属-PDMS混合物，利用万能试验机在该成型混合物较长的两端施加外力进行拉伸，使该成型混合物在受力方向上的伸长量为原受力方向上长度的30%，在该过程中，拉伸方向的液态金属液滴会交联在一起，形成导热通路，从而改增强整体导热性。

沿着与上述拉伸方向相垂直的方向将上述混合物利用风力的刀具切割成均匀的薄片即可直接进行应用。该导热片轻薄、弹性好、导热性能佳，尤其适用于电子设备上的散热，如贴装于CPU、IGBT模块等体积小、工作功耗大、发热量大的元器件上。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种液态金属导热片，其特征在于：所述导热片包括液态金属与PDMS，所述液态金属与PDMS的体积比为1-3:1。

2.如权利要求1所述液态金属导热片，其特征在于：所述液态金属的组分及组分质量百分比为：镓65-70%、铟15-21%、锡8-12%、锑2-4%、铋2-4%。

3.如权利要求2所述液态金属导热片，其特征在于：所述液态金属中还包含有质量百分比为0.3-0.6%的铝、0.2-0.5%的铍、0.01-0.05%的钠。

4.一种制备如权利要求1-3任一所述液态金属导热片的方法，其特征在于包括如下步骤：

5.如权利要求4所述液态金属导热片的制备方法，其特征在于：S01步骤中，高温炉从室温升至熔炼温度的时长为35-45分钟；其升温速率为：前10分钟为5-15℃/分钟，10分钟之后升温速率为22.5-35℃/分钟。

6.如权利要求4所述液态金属导热片的制备方法，其特征在于：S02步骤中，研磨时间为10-30分钟。

7.如权利要求4所述液态金属导热片的制备方法，其特征在于：S03步骤中，PDMS固化剂添加量为与PMDS以体积比1:10-15进行添加。

8.如权利要求4所述液态金属导热片的制备方法，其特征在于：S04步骤中，成型混合物拉伸方向为其长度方向。

9.如权利要求8所述液态金属导热片的制备方法，其特征在于：S04步骤中，成型混合物在受力方向上的伸长量为原受力方向上长度的30-35%。

10.如权利要求1-3任一所述液态金属导热片的应用，其特征在于：所述液态金属导热片用于电子设备散热。