CN109894602A - 一种具有两相双连续贯通结构的高导热复合热界面材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种由泡沫金属和低熔点合金构成的高导热复合热界面材料，低熔点合金填充到泡沫金属的孔洞中，形成两相连续贯通的导热网络结构。在工作温度下，低熔点合金以液态形式存在，液态金属能够填充传热界面的空隙，降低界面热阻。泡沫金属既能够提供丰富的导热通路又可以防止液态金属溢出。该复合热界面材料具有双连续结构，导热系数高，制备简单，使用方便，可以避免因为液态金属溢出导致污染或者设备短路故障。
Description
技术领域
本发明涉及导热材料领域，具体涉及一种由泡沫金属与低熔点合金构成的高导热复合热界面材料。
背景技术
热界面材料的导热性能与LED，航空航天系统，微电子和光伏等各种器件的性能，寿命和可靠性直接相关。通常产热元件和散热元件之间的界面是不平整的，存在空隙，空隙间的空气为热传导率相当差的传热介质(空气的导热系数为0.026W/(m·K))，会阻碍热传导的路径，增加热阻抗。为了保证产热元件能够正常运作，就需要在产热电子元件和散热装置之间添加能够快速、高效地传递热量的材料——热界面材料(TIM)。热界面材料的填充使空气排除，并且由于热界面材料的导热系数高，导热效果好，因此实现了热量快速、高效的传递。热界面材料又可细分为：导热硅脂(又称导热膏，Thermal Grease)、导热胶(Conductive Adhesive)、相变热界面材料(Phase Chang Materials)等。
传统的热界面材料主要是以聚合物为基体，向其中添加高导热性的金属填料，氧化物、氮化物填料，碳材料。因为绝大多数导热填料的导热系数要比聚合物基体高几个数量级，所以复合材料的导热性能主要取决于导热填料的类型及形状。对于传统的导热硅脂来说，实现低浓度填料的导热网络结构是导热膏热界面材料有效热能输送的最关键问题。在基体中填料低于逾渗阈值浓度，随着导热填料填充量的增加，复合材料的导热系数逐渐缓慢增加，这是因为导热填料分散在绝热硅油基体中，为孤立存在的状态。当高于逾渗阈值浓度，导热填料在硅油基体中形成具有高导热率的导热网络结构，复合材料的导热系数随着填料含量的增加而指数地增加。当导热填料填充量高于60-70vol.％，导热填料在硅油基体中形成网络化的热传导路径。然而，此时的导热网络中，颗粒与颗粒之间的接触主要为点接触，界面热阻很大，限制了导热系数的进一步提高。另外，颗粒与颗粒之间的接触是不稳固的，随着温度的升高或降低，导热膏中的导热通路会发生破坏，使得导热膏的导热性能下降。因此，需要开发一种具有稳定的双连通导热通路的热界面材料以解决上述问题。
液态金属是指一种不定型金属，成分是低熔点合金。液态金属可看作由正离子流体和自由电子气组成的混合物，是一类多金属合金功能材料，在较低的温度下呈液态，具有导电性强，热导率高等特点，已广泛应用于工业，生物医学等领域。液态金属具有与硅油相似的流动性，但导热系数却比硅油高几个数量级，因此液态金属作为热界面材料的基体具有很大的导热优势。然而，液态金属过高的流动性也带来材料迁移问题，容易造成电子元器件电路污染甚至发生短路，限制了液态金属作为热界面材料的应用。因此，需要将液态金属与多孔材料复合来降低液态金属的流动性，以获得安全、高效的热界面材料。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种高导热的由泡沫金属与低熔点合金构成的具有两相双连续贯通结构的高导热复合热界面材料。
泡沫金属是一种在金属基体中均匀分布着大量连通孔洞的新型多功能材料，其骨架是连续贯通的三维金属网络，具有优良的导热性能。低熔点合金在工作温度下呈液态，故称为液态金属。液态金属因其具有较高的导热系数，作为热界面材料的基体具有很大的导热优势。将泡沫金属与液态金属复合，泡沫金属本身具有连续的导热通路，在提高导热系数的同时，又可以固定液态金属，降低其流动性，解决其溢出性的问题。和传统的导热硅脂相比，本发明的高导热复合热界面材料在以下几个方面具有创新性。首先，液态金属能够填充到泡沫金属的连通孔洞中，构成了第二相具有连续贯通的三维导热网络。该双连续复合材料的泡沫金属骨架和液态金属基体在三维空间连续、互穿分布，具有显著的导热优势。相比之下，传统导热硅脂中的导热填料之间主要是点接触，没法形成连续贯通的第二相导热通路，因而导热性能明显不如本发明的高导热复合热界面材料。其次，传统的导热硅脂由于硅油和导热填料的润湿性不好，导致两相之间界面热阻比较大，因而整体的导热系数不高。本发明中，泡沫金属和液态金属之间的润湿性好，能够大幅度减低两相的界面热阻，从而使得整体的导热系数显著增高。在次，传统的导热硅脂中，导热填料颗粒之间的接触是不稳固的，在反复加热冷却的循环中，导热网络容易破坏。而泡沫金属和液态金属构成的导热通路是连续贯通的结构，在反复加热冷却的循环中结构稳定，不会随着温度的升高或降低使导热通路发生变化，具有良好的热稳定性。最后，泡沫金属具有良好的弹性，在工作环境中，这种双连续复合材料受到挤压，液态金属会从泡沫铜中挤出，润湿传热接触面，填充界面上的空隙，从而降低界面接触热阻。上述因素综合起来使得所述复合热界面材料具有优异的传热性能。
上述复合热界面材料的制备方法如下：首先将低熔点合金加热到其熔点以上10℃，使其以液态形式存在并具有良好的流动状态，保温备用；然后将泡沫金属置于真空成型模具中，闭合模具，将模具加热到低熔点合金的熔点以上10℃，保温备用；然后关闭模具的进料阀，打开真空阀，将模具抽真空使腔内压力低于10Pa；然后关闭真空阀，打开进料阀，使液态金属通过进料阀进入模具腔内，填充泡沫金属的孔隙；然后将模具冷却至低熔点合金的熔点以下10℃，待液态金属固化后打开模具，得到复合热界面材料。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明作进一步说明。
实例1
本实施例提供的复合热界面材料，由泡沫铜和镓铟合金组成。泡沫铜的孔隙率为98％，孔径为0.25毫米。镓铟合金的成分为75Ga25In，熔点约为16℃。将镓铟合金加热到30℃，保温备用；然后将泡沫铜置于真空成型模具中，闭合模具，将模具加热到30℃，保温备用；然后关闭模具的进料阀，打开真空阀，将模具抽真空使腔内压力低于10Pa；然后关闭真空阀，打开进料阀，使液态金属通过进料阀进入模具腔内，填充泡沫铜的孔隙；然后将模具冷却至6℃，打开模具，得到复合热界面材料。
实例2
本实施例提供的复合热界面材料，由泡沫铜和镓锡合金组成。泡沫铜的孔隙率为95％，孔径为0.25毫米。镓锡合金的成分为92Ga8Sn，熔点约为20℃。将镓铟合金加热到30℃，保温备用；然后将泡沫铜置于真空成型模具中，闭合模具，将模具加热到30℃，保温备用；然后关闭模具的进料阀，打开真空阀，将模具抽真空使腔内压力低于10Pa；然后关闭真空阀，打开进料阀，使液态金属通过进料阀进入模具腔内，填充泡沫铜的孔隙；然后将模具冷却至10℃，打开模具，得到复合热界面材料。
实例3
本实施例提供的复合热界面材料，由泡沫铜和铟铋锡合金组成。泡沫铜的孔隙率为95％，孔径为0.25毫米。铟铋锡合金成分53.2In19.6Bi27.2Sn，熔点约为43℃。将铟铋锡合金加热到55℃，保温备用；然后将泡沫铜置于真空成型模具中，闭合模具，将模具加热到55℃，保温备用；然后关闭模具的进料阀，打开真空阀，将模具抽真空使腔内压力低于10Pa；然后关闭真空阀，打开进料阀，使液态金属通过进料阀进入模具腔内，填充泡沫铜的孔隙；然后将模具冷却至30℃，打开模具，得到复合热界面材料。
实例4
本实施例提供的复合热界面材料，由泡沫铜和铟铋锡合金组成。泡沫铜的孔隙率为95％，孔径为0.25毫米。铟铋锡合金成分51In32.5Bi16.5Sn，熔点约为60℃。将铟铋锡合金加热到70℃，保温备用；然后将泡沫铜置于真空成型模具中，闭合模具，将模具加热到70℃，保温备用；然后关闭模具的进料阀，打开真空阀，将模具抽真空使腔内压力低于10Pa；然后关闭真空阀，打开进料阀，使液态金属通过进料阀进入模具腔内，填充泡沫铜的孔隙；然后将模具冷却至50℃，打开模具，得到复合热界面材料。
Claims (7)
1.一种具有两相双连续贯通结构的高导热复合热界面材料，其特征在于，所述材料由泡沫金属与低熔点合金构成，泡沫金属具备连续贯通的三维导热网络，低熔点合金填充泡沫金属的空隙形成第二相连续贯通的三维导热网络，并且泡沫金属的网络结构可以防止低熔点合金溢出。
2.如权利要求1所述的高导热复合热界面材料，其特征在于，所述的泡沫金属为泡沫铜、泡沫镍、泡沫铝、泡沫铁镍合金、泡沫铜锌合金、泡沫铜镍合金的一种。
3.如权利要求1所述的高导热复合热界面材料，其特征在于，所述泡沫金属的孔隙率在90％-98％之间，孔径尺寸在0.1毫米至1.0毫米之间。
4.如权利要求1所述的高导热复合热界面材料，其特征在于，所述低熔点合金为镓铟合金、镓锡合金、镓铟锡合金、铟铋锡合金、铋铅锡合金其中的一种，其组成根据所需的熔点进行选择和调整。
5.如权利要求1所述的高导热复合热界面材料，其特征在于，所述低熔点合金其熔点范围约为10℃至100℃，可通过低熔点合金的组成来调整。
6.如权利要求1所述的高导热复合热界面材料，其特征在于，其工作温度高于低熔点合金的熔点，工作时低熔点合金处于液体状态。
7.如权利要求1所述的高导热复合热界面材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将低熔点合金加热到其熔点以上10℃，使其具有良好的流动状态，保温备用；
2)将泡沫金属置于真空成型模具中，闭合模具，将模具加热到低熔点合金的熔点以上10℃，保温备用；
3)关闭模具的进料阀，打开真空阀，将模具抽真空使腔内压力低于10Pa；
4)关闭真空阀，打开进料阀，使低熔点合金通过进料阀流入模具腔内，填充泡沫金属的孔隙；
5)将模具冷却至低熔点合金的熔点以下10℃，打开模具，得到复合热界面材料。
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