CN108777254B - 一种金属热界面材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种金属热界面材料及其制备方法，制备方法包括：按一定比例将第一熔点金属与第二熔点金属均匀混合一段时间；在混合的过程中，使第一熔点金属与第二熔点金属部分发生合金反应得到，并在充氩气或真空的环境中冷冻保存。本发明的金属热界面材料能够浸润固体界面，填充接触界面的空隙，降低接触热阻，避免流动溢出对电子元器件产生污染甚至造成短路。

Description

一种金属热界面材料及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，特别涉及一种金属热界面材料及其制备方法。

背景技术

高温将会对电子元器件的稳定性、可靠性和寿命产生有害的影响，譬如过高的温度会危 及半导体的结点，损伤电路的连接界面，增加导体的阻值和造成机械应力损伤。因此确保发 热电子元器件所产生的热量能够及时的排出，己经成为微电子产品系统组装的一个重要方面。 在微电子材料表面和散热器之间存在极细微的凹凸不平的空隙，如果将它们直接安装组合， 它们的实际接触面积只有散热器底座面积的10％，其余均为空气间隙。因为空气热导率极低， 是热的不良导体，将导致电子元件与散热器间的接触热阻非常大，严重阻碍了热量的传导， 最终造成散热器的效能低下。使用具有高导热性的热界面材料填充这些间隙，在电子元件和 散热器间建立有效的热传导通道，可以大幅度降低接触热阻，使散热器的作用得到充分地发 挥。

目前，市场上应用的热界面材料主要有导热硅脂、导热胶、相变材料、导热凝胶、颗粒 填充的高分子基复合热界面材料和低熔点金属热界面材料等。一般情况下低熔点金属或合金 的热导率比高分子或者硅油脂要高出两个数量级，而且可以在比较低的温度下熔融为液体， 浸润两个固体界面，填充接触界面的空隙。但是低熔点合金熔融时易产生流动溢出现象，容 易对电子元器件产生污染甚至造成短路。

本发明提出一种金属热界面材料，此种金属热界面材料能够浸润固体界面，填充接触界 面的空隙，降低接触热阻，避免流动溢出对电子元器件产生污染甚至造成短路。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的是提出一种金属热界面材料，以弥补现有技术中热界面材 料散热效果不理想、低熔点合金高温流动溢出的问题。

在一些说明性实施例中，所述一种金属热界面材料的制备方法，包括：将第一熔点金属 与第二熔点金属均匀混合；混合过程中，使部分所述第一熔点金属与部分所述第二熔点金属 发生合金反应，生成新的合金反应物；混合结束后，得到同时具有所述第一熔点金属、所述 第二熔点金属、以及所述合金反应物的金属混合物，作为金属热界面材料；将制得的所述金 属热界面材料冷冻保存；所述金属热界面材料在室温下经第一物态自行转变为第二物态，所 述第二物态的熔点高于所述第一物态的熔点。

在一些可选地实施例中，通过如下方式使所述第一熔点金属与所述第二熔点金属发生合 金反应：使所述第一熔点金与所述第二熔点金属的接触面达到一定的能量；其中，所述能量 包括：热能，或热能及机械能。

在一些可选地实施例中，通过如下方式使所述第一熔点金属与所述第二熔点金属的接触 位置达到一定的能量：对所述第一熔点金属与所述第二熔点金属的混合物在大气环境下进行 球磨处理或立式捏合处理。

在一些可选地实施例中，所述球磨处理中球磨转速为500-800转/每分钟，球磨时间在 60-120分钟，优选为60-90分钟；所述立式捏合处理中立式捏合转速为48-72转/每分钟， 立式捏合时间为90-180分钟，加热温度为150-300摄氏度。

在一些可选地实施例中，还包括如下步骤：球磨处理或立式捏合处理后立刻将制得的所 述金属混合物置于-20℃或更低温度在大气氛围中冷冻保存。

在一些可选地实施例中，所述第一熔点金属包括以下之一或任意组合：汞、镓、铟、锡 单质、镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锌合金、镓锡锌合金、镓铟锡锌合金、镓锡镉合金、镓锌镉合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋锡锌 合金、铋铟锡锌合金、锡铅合金、锡铜合金、锡锌铜合金、锡银铜合金、铋铅锡合金中的一 种或几种；

所述第二熔点金属为粉体，包括以下之一或任意组合：

铁、铬、锰、铝、镁、钙、锶、钡、铜、钴、镍、锑、金、银、铂、钯、锇、铱、铍、 钛、锆、铪、钒、钽、钨、钼、锗、铼、镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、 铥、镱、镥、钪、钇、钍中的一种或几种。

在一些可选地实施例中，所述第二熔点金属的粒径为10μm-75μm。

在一些可选地实施例中，所述第二熔点金属的粒径为30μm-50μm。

在一些可选地实施例中，所述第二熔点金属的质量分数为17％-30％。

本发明的另一个目的是提出一种金属热界面材料，以解决现有技术中热界面材料散热效 果不理想、低熔点合金高温流动溢出的问题。

在一些说明性实施例中，所述金属热界面材料通过如上制备方法制成，其成分包括：熔 点在300摄氏度以下的第一熔点金属、熔点在500摄氏度以上的第二熔点金属、以及熔点高 于30摄氏度的所述第一熔点金属与所述第二熔点金属的合金反应物；所述金属热界面材料在 室温下经第一物态自行转变为第二物态，所述第二物态的熔点高于所述第一物态的熔点。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：

(1)本发明的金属热界面材料对固体界面浸润性好，热导率高。

(2)本发明的金属热界面材料可通过改变金属粉末含量、种类、尺寸及球磨工艺等来调 整粘度、固化时间、强度等，适应不同应用场合。

具体实施方式

以下描述充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其 他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能 的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些 实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案 的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本 发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且 如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明 构思。

本发明公开了一种金属热界面材料的制备方法，包括：将第一熔点金属与第二熔点金属 均匀混合；混合过程中，使部分所述第一熔点金属与部分所述第二熔点金属发生合金反应， 生成新的合金反应物；混合结束后，得到同时具有所述第一熔点金属、所述第二熔点金属、 以及所述合金反应物的金属混合物，作为金属热界面材料；将制得的所述金属热界面材料冷 冻保存；所述金属热界面材料在室温下经第一物态自行转变为第二物态，所述第二物态的熔 点高于所述第一物态的熔点。

从合金反应机理上看，该金属热界面材料作为一种混合物，由于同时含有第一熔点金属、 第二熔点金属和合金反应物，其中的合金反应物在室温下能够诱发剩余的第一熔点金属与剩 余的第二熔点金属自发的逐步发生合金反应，直至第一熔点金属与第二熔点金属相继充分反 应或反应到一定程度，此时合金反应物在该金属热界面材料中占比加大，该金属热界面材料 由第一物态自发进行转化到第二物态，由于第一熔点金属与第二熔点金属配比和选用材料的 不同，第一物态和第二物态均有可能都为液态或都为固态，或者第一物态为液态，第二物态 为固态。由于该金属热界面材料具有很好的浸润性，可以方便填充于电子元件的表面或孔隙， 另外由于保持了低熔点合金的高热导率，能够很好的实现热传导，达到快速降温的效果。

本发明中利用第一熔点金属与第二熔点金属之间的部分合金反应，使金属混合物中存在 这种合金反应物，该合金反应物可在自然条件下自行驱使剩余的第一熔点金属与第二熔点金 属发生合金反应，部分合金化后的自发反应效果，并且这种自发反应是不可逆的，在电子元 器的散热温度范围内，该金属热界面材料不会因温度过高而重新融化成液态。相比现有技术 中的热界面材料而言，本发明中金属热界面材料而的同时具有制备简单、使用安全、热传导 性好、固化效果好、适用性强、使用便利等优势。

在一些实施例中，使低熔点金属与金属粉末中的部分发生合金反应的方式包括：现有技 术中的一种或多种方式/刺激/设备可使所述第一熔点金属与所述第二熔点金属的接触位置达 到一定的能量；其中，所述能量包括：热能，或热能及机械能。例如加热、撞击、碾压等相 关设备/组件实现。优选地，可通过球磨处理或立式捏合处理实现所述第一熔点金属与所述第 二熔点金属的接触位置达到一定的能量，从而产生部分合金反应。例如使用球磨机，将第一 熔点金属与第二熔点金属按一定比例混入球磨容器(球磨罐)中，再将球磨罐放入球磨机中， 在大气氛围中以一定的转速运行一定时间。其中，球磨机转速可选范围在800-1000转/分钟， 球磨时间在60分钟-120分钟，更优的，球磨时间可控制在60-90分钟，球磨处理后立刻将 制得的所述金属混合物置于-20℃或更低温度在大气氛围中冷冻保存。也可以使用立式捏合 机，将第一熔点金属与第二熔点金属按照一定比例放入立式捏合机，在大气氛围中以一定的 温度和转速运行一定时间。其中，立式捏合转速可选范围在48-72转/分钟，加热温度为 150-300摄氏度，捏合时间为120-300分钟，立式捏合处理后立刻将制得的金属混合物置于 -20℃或更低温度在大气氛围中冷冻保存。

本发明使用球磨处理或立式捏合的方式可实现第一熔点金属与第二熔点金属之间的局部 高能，从而达到两者的合金反应条件，完成本发明的局部/部分合金反应的目的。并且球磨处 理或立式捏合处理相对其它处理方式而言，制备安全性高。球磨处理或立式捏合处理后立刻 将制得的所述金属混合物置于-20℃或更低温度冷冻保存。

本发明实施例中的第一熔点金属和第二熔点金属可选用任何可满足本发明实现原理的组 合，其要求包括如下3点：

1.第一熔点金属的熔点在300摄氏度以下；

2.第二熔点金属的熔点在500摄氏度以上；

3.第一熔点金属与第二熔点金属之间可在高能(本发明实施例中一定的能量)下发生合 金反应，且合金反应物的熔点在30摄氏度以上。

在一些实施例中，第一熔点金属包括以下之一或任意组合：汞、镓、铟、锡单质、镓铟 合金、镓铟锡合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锌合金、镓锡锌合金、镓铟锡锌合金、镓锡镉合金、镓锌镉合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋锡锌合金、铋铟 锡锌合金、锡铅合金、锡铜合金、锡锌铜合金、锡银铜合金、铋铅锡合金中的一种或几种； 具体的可选用镓单质，在标准大气压下(本发明实施例中所使用的熔点均指在标准大气压下 的熔点)的29.7摄氏度。除镓单质之外，本发明实施例中的第一熔点金属还可以选用镓基合金，镓基合金的熔点一般在30摄氏度以下，例如镓铟合金(如Ga 78.5％，In 21.5％)、(如Ga 75％，In 25％)，镓基合金中镓的成分占比在50以上。进一步的，镓基合金还可选用镓锡合金、镓铟锡合金等。

本发明实施例中，熔点在500摄氏度以上的第二熔点金属包括以下之一或任意组合：

铁、铬、锰、铝、镁、钙、锶、钡、铜、钴、镍、锑、金、银、铂、钯、锇、铱、铍、 钛、锆、铪、钒、钽、钨、钼、锗、铼、镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、 铥、镱、镥、钪、钇、钍中的一种或几种。

在一些实施例中，所述第二熔点金属的粒径为10μm-75μm，第二熔点金属的粒径与球 磨处理或立式捏合处理一样，均对合金反应程度存在较大影响，本发明实施例中制备出的金 属热界面材料的最佳效果是呈粘稠状液体，避免发生完全的合金反应致使金属热界面材料提 前自发反应，因此第二熔点金属的粒径的最优方案为30μm-50μm。

在一些实施例中，所述第二熔点金属的质量分数为17％-30％。即第二熔点金属与第一熔 点金属的混合物中第二熔点金属的质量占比为10％-25％。最优的，该第二熔点金属可以全部 都为镍粉，镍粉的质量占比为20％-25％时该金属材料的自发反应效果最佳，所需的时间最短。

本发明的另一个目的是提出一种金属热界面材料，以解决现有技术中热界面材料散热效 果不理想、低熔点合金高温流动溢出的问题。

在一些说明性实施例中，所述金属热界面材料通过如上制备方法制成，其成分包括：熔 点在300摄氏度以下的第一熔点金属、熔点在500摄氏度以上的第二熔点金属、以及熔点高 于30摄氏度的所述第一熔点金属与所述第二熔点金属的合金反应物；所述金属热界面材料在 室温下经第一物态自行转变为第二物态，所述第二物态的熔点高于所述第一物态的熔点。

为了便于更快的理解本发明的主要思想，在此公开以下优选实施例予以说明：

实施例1：

本实施例的金属热界面材料，低熔点合金为镓铟合金，合金各成分质量分数为：Ga78.5％， In 21.5％)。金属粉末为镍粉，质量分数为金属热界面材料总质量的20％，粒径为10～35μm。

将所述镓铟合金和镍粉简单混合，置入球磨罐，大气环境下，使用500转/分钟速度进行 球磨，90分钟混合均匀。

所得金属热界面材料为具有一定粘度的液体状态，从球磨罐中取出，迅速置于环境大气 压的容器中，置于-25℃冷冻保存。

实施例2：

本实施例的金属热界面材料，低熔点合金为镓铟合金，合金各成分质量分数为：Ga84％， In 16％)。金属粉末为镍粉和铁粉，镍粉的质量分数为金属热界面材料总质量的15％，粒径为 30μm，铁粉的质量分数为室温自固化金属热界面材料总质量的8％，粒径为20μm。

将所述镓铟合金和镍粉及铁粉简单混合，置入立式捏合机，在大气环境下，使用48转/ 分钟速度，150-200摄氏度进行立式捏合，90分钟混合均匀。

所得金属热界面材料为膏体状，从立式捏合机中取出，迅速置于环境大气压的容器中， 置于-20℃冷冻保存。

实施例3：

本实施例的金属热界面材料，低熔点合金为镓铟合金，合金各成分质量分数为：Ga81.5％， In 18.5％)。金属粉末为镍粉，镍粉的质量分数为金属热界面材料总质量的25％，粒径为50 μm。

将所述镓铟合金和镍粉简单混合，置入立式捏合机，在大气环境下，使用60转/分钟速 度，200-300摄氏度进行立式捏合，60分钟混合均匀。

所得金属热界面材料为膏体状，从立式捏合机中取出，迅速置于环境大气压的容器中， 置于-20℃冷冻保存。

实施例4：

本实施例的金属热界面材料，低熔点合金为镓铟合金，合金各成分质量分数为：Ga78.5％， In 21.5％)。金属粉末为镍粉和铁粉，镍粉的质量分数为金属热界面材料总质量的20％，粒径 为75μm，铁粉的质量分数为室温自固化金属热界面材料总质量的8％，粒径为50μm。

将所述镓铟合金和镍粉简单混合，置入球磨罐，大气环境下，使用800转/分钟速度进行 球磨，60分钟混合均匀。

所得金属热界面材料为具有一定粘度的液体状态，从球磨罐中取出，迅速置于环境大气 压的容器中，置于-25℃冷冻保存。

以上仅列举了几个金属热界面材料的配比及制备工艺，可以通过调配不同的混合物配比 以及不同的制备工艺，得到固化时间不同的金属热界面材料。

上述金属热界面材料需要使用时，将该金属热界面材料从冷冻环境中取出，利用超声装 置或在不高于100摄氏度的环境下经半小时解冻恢复至粘稠状液态，将解冻后的金属热界面 材料经手工或机器涂覆于微电子材料表面和散热器之间形成的空隙，经6-18小时固化后即可 实现热传导。该金属热界面材料能够耐200-300摄氏度高温，粘稠状液体态可在超声、60摄 氏度加热及电流直流10A的情况下加速固化，缩短固化时间，其中60摄氏度加热和电流直流10A情况下能够将固化时间缩短2小时。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电 路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之 间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般 地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施 加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功 能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (10)

1.一种金属热界面材料的制备方法，其特征在于，包括：

将第一熔点金属与第二熔点金属均匀混合；

混合过程中，使部分所述第一熔点金属与部分所述第二熔点金属发生合金反应，生成新的合金反应物；

混合结束后，得到同时具有所述第一熔点金属、所述第二熔点金属、以及所述合金反应物的金属混合物，作为金属热界面材料；

将制得的所述金属热界面材料冷冻保存；

所述金属热界面材料在室温下经第一物态自行转变为第二物态，所述第二物态的熔点高于所述第一物态的熔点；

所述第一熔点金属的熔点在300摄氏度以下，所述第二熔点金属的熔点在500摄氏度以上，所述第一熔点金属与所述第二熔点金属可在高能下发生合金反应，所述合金反应物的熔点在30摄氏度以上。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，通过如下方式使所述第一熔点金属与所述第二熔点金属发生合金反应：

使所述第一熔点金属与所述第二熔点金属的接触面达到一定的能量；其中，所述能量包括：热能，或热能及机械能。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，通过如下方式使所述第一熔点金属与所述第二熔点金属的接触面达到一定的能量：

对所述第一熔点金属与所述第二熔点金属的混合物在大气环境下进行球磨处理或立式捏合处理。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述球磨处理中球磨转速为500–800转/每分钟，球磨时间在60-120分钟；所述立式捏合处理中立式捏合转速为48-72转/每分钟，立式捏合时间为90-180分钟，加热温度为150-300摄氏度。

5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：

球磨处理或立式捏合处理后立刻将制得的所述金属混合物置于-20℃或更低温度在大气环境冷冻保存。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第一熔点金属包括以下之一或任意组合：

汞、镓、铟、锡单质、镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锌合金、镓锡锌合金、镓铟锡锌合金、镓锡镉合金、镓锌镉合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋锡锌合金、铋铟锡锌合金、锡铅合金、锡铜合金、锡锌铜合金、锡银铜合金、铋铅锡合金中的一种或几种；

所述第二熔点金属为粉体，包括以下之一或任意组合：

铁、铬、锰、铝、镁、钙、锶、钡、铜、钴、镍、锑、金、银、铂、钯、锇、铱、铍、钛、锆、铪、钒、钽、钨、钼、锗、铼、镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇、钍中的一种或几种。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第二熔点金属的粒径为10μm-75μm。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述第二熔点金属的粒径为30μm-50μm。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第二熔点金属的质量分数为17％-30％。

10.一种金属热界面材料，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的制备方法所制成，

其成分包括：

熔点在300摄氏度以下的第一熔点金属、熔点在500摄氏度以上的第二熔点金属、以及熔点高于30摄氏度的所述第一熔点金属与所述第二熔点金属的合金反应物；

所述金属热界面材料在室温下经第一物态自行转变为第二物态，所述第二物态的熔点高于所述第一物态的熔点。