CN110387211B - 一种热界面材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种热界面材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种热界面材料，包括液态金属，以及内有孔洞或微流道的薄膜材料，所述液态金属填充在所述孔洞或微流道内，所述液态金属的总体积占所述薄膜材料总体积的30％～75％。本发明将液态金属填充于薄膜材料内的孔隙中而形成的热界面材料，大大提升了金属流体在器件连接处导热性能的稳定，避免金属流体在器件连接处的泄漏问题；所述的热界面擦料相较于常规硅油基热界面材料其导热性能也有很大提高，确保了材料的散热效果。

Description

一种热界面材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于热界面材料技术领域。
背景技术
热界面材料是一种广泛应用于电子器件封装与散热的材料，可用于填充两种元件接触或结合处表面凹凸孔洞及微空隙，有助于降低电子器件热传递热阻，提高散热性能。优异的热界面材料应具备柔性可压缩性、高热传导、低热阻、冷热循环稳定性好、对器件表面适当浸润粘附等特性，同时应具有适当的流动能力，以利于完全填满孔洞、空隙。添加较高热传导率无机粉末、金属粉末、石墨粉的高分子材料能够基本满足以上要求，但其热导率最高也仅能达到7W/m·K，无法满足高密度散热需求。
微量氧化液态金属镓及其合金，作为热界面材料是一种不错的尝试。镓氧化物具有良好的粘附性，可容易完全填充器件间孔洞、空隙。相比传统添加高热导率粉末的高分子材料，微量氧化液态金属热导率可到几十W/m·K，非常适于高密度热流发热器件散热应用。不过，这种液态金属热界面材料容易横向流动，从器件外边缘泄露，而且膜厚不易控制，长时间使用效率会下降。
发明内容
本申请的目的在于，提供一种热界面材料，包括液态金属，以及内有孔洞或微流道的薄膜材料，所述液态金属填充在所述孔洞或微流道内，所述液态金属的总体积占所述薄膜材料总体积的30％～75％。
本发明将液态金属固定填充在薄膜材料的孔隙内，形成结构稳定、不易横向流动泄露的液态金属热界面材料。
其中，采用的液态金属为金属镓或镓铟合金或镓铟锡合金或镓铟锡锌合金；
优选地，所述液态金属的熔点不高于80℃。
本发明进一步提出的，所述薄膜材料为柔性高分子聚合物材料；优选地，所述柔性高分子聚合物材料为硅橡胶材料；
更优选地，所述柔性高分子聚合物材料选自聚二甲基硅氧烷、甲基乙烯硅橡胶，甲基乙烯基苯基硅橡胶中一种或多种。
本发明进一步提出的，所述薄膜材料可制作为多孔泡沫薄膜材料或微通道薄膜材料。
其中，当所述薄膜材料为多孔泡沫薄膜材料时，材料内部的孔隙相应的制成孔洞，所述孔洞间三维交错联通；
优选地，所述多孔泡沫薄膜材料的厚度为100-1000μm，所述孔洞的内径为5-50μm；
进一步优选的，所述多孔泡沫薄膜材料的厚度为100-200μm，所述孔洞的内径为5-10μm；当所述多孔泡沫薄膜材料的厚度为100μm，所述孔洞的内径为5μm时，其导热效果和与材料表面的浸润粘性的效果更优。
所述孔洞的大小不限于采用正圆，也不限于内部的圆球性或类似圆球形结构大小一致。
其中，当所述薄膜材料为微通道薄膜材料时，材料内部的孔隙相应的制成微流道，所述微流道成螺旋环形、螺旋方形、蛇形或者是并联分布；
优选地，所述微通道薄膜材料的厚度为10-100μm，所述微流道的宽度为5-50μm；
所述微通道薄膜材料的使用能使期间降温达20℃左右，且微流道空隙体积占所述微通道薄膜材料总体积的70％～75％是，降温效果尤其明显。
进一步优选的，所述微通道薄膜材料的厚度为10-20μm，所述微流道的宽度为5-10μm；当所述微通道薄膜材料的厚度为10μm，所述微流道的宽度为5μm时，其导热效果更优。
所述微通道可制成螺旋环形、螺旋方形，也可为弯折蛇形或并联
本发明进一步提出的，所述薄膜材料采用MEMS微加工方法制成。
本发明提供一种优选方案，所述热界面材料，包括液态金属和内有孔洞的多孔泡沫薄膜材料，所述液态金属填充在所述孔隙内；所述孔洞间三维交错联通；所述液态金属的总体积占所述薄膜材料的30％～75％；
其中，所述多孔泡沫薄膜材料的厚度为100～200μm，所述孔洞的内径为5～10μm；
本发明提供另一种优选方案，所述热界面材料，包括液态金属和内有微流道的微通道薄膜材料，所述液态金属填充在所述微流道内；所述为流道螺旋环形流道；所述液态金属的总体积占所述薄膜材料的70％～75％；
其中，所述微通道薄膜材料的厚度为10～20μm，所述微流道的宽度为5～10μm。
本发明的第二目的在于，提供上述热界面材料的制备方法。
其中，当制备多孔泡沫薄膜材料时，将所述液态金属通过负压微灌注方法填充于所述孔洞内。
具体的，将所述液态金属通过真空灌注方法填充在多孔泡沫薄膜材料的孔洞内，然后再贴合在电子器件中两种元件接触面中间。
其中，当制备微通道薄膜材料时，将所述液态金属通过正压注射灌注方法填充于所述微流道内。
具体的，先将微流道薄膜材料贴附在电子器件中两种元件接触面中间，再将所述液态金属在外界注射泵压力下注射填充于微流道内。
本发明的第三个目的在于，提供上述任一所述的热界面材料在热沉、电子设备或微流控芯片上的应用。
本发明至少具有如下有益效果：
1、本发明将液态金属填充于薄膜材料内的孔隙中而形成的热界面材料，大大提升了金属流体在器件连接处导热性能的稳定，避免金属流体在器件连接处的泄漏问题；
2、本发明所述的热界面材料相较于常规硅油基热界面材料其导热性能也有很大提高，确保了材料的散热效果。
附图说明
图1为实施例1所述热界面材料的模型图；
图2为实施例2所述热界面材料的螺旋环形流道；
图3为实施例3所述热界面材料的螺旋方形流道；
图4为实施例4所述热界面材料的蛇形流道。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如下实施例中所述薄膜材料可直接采购，也可采用MEMS微加工方法制成；
制备所述多空泡沫薄膜材料具体为：以压制成型的方糖或白糖做为骨架，将其填充至聚二甲基硅氧烷(PDMS)或类似材料中；然后加热固化，并用水进行冲洗，去除糖，即可形成；
制备所述微通道薄膜材料具体为：利用光刻技术在硅片上形成模型后，浇筑PDMS或类似材料，形成具有流道的芯片，并与无流道的芯片键合从而形成。
实施例1
本实施例提供一种热界面材料，包括液态金属和内有孔洞的多孔泡沫薄膜材料，所述液态金属填充在所述孔隙内；所述孔洞间三维交错联通；如图1所示
其中，所述液态金属为镓；
其中，所述多孔泡沫薄膜材料的厚度为100μm，所述孔洞的内径为5μm；
其中，所述多孔泡沫薄膜材料采用聚二甲基硅氧烷制成。
实施例2
本实施例提供一种热界面材料，包括液态金属和内有孔洞的多孔泡沫薄膜材料，所述液态金属填充在所述孔隙内；所述孔洞间三维交错联通；
其中，所述液态金属为镓铟合金
其中，所述多孔泡沫薄膜材料的厚度为100μm，所述孔洞的内径为50μm；
其中，所述多孔泡沫薄膜材料采用聚二甲基硅氧烷制成。
实施例3
本实施例提供一种热界面材料，包括液态金属和内有孔洞的多孔泡沫薄膜材料，所述液态金属填充在所述孔隙内；所述孔洞间三维交错联通；
其中，所述液态金属为镓铟锡合金
其中，所述多孔泡沫薄膜材料的厚度为1000μm，所述孔洞的内径为50μm；
其中，所述多孔泡沫薄膜材料采用聚二甲基硅氧烷制成。
实施例4
本实施例提供一种热界面材料，包括液态金属和内有孔洞的多孔泡沫薄膜材料，所述液态金属填充在所述孔隙内；所述孔洞间三维交错联通；如图1所示
其中，所述液态金属为镓；
其中，所述多孔泡沫薄膜材料的厚度为200μm，所述孔洞的内径为10μm；
其中，所述多孔泡沫薄膜材料采用聚二甲基硅氧烷制成。
实施例5
本实施例提供一种热界面材料，包括液态金属和内有微流道的微通道薄膜材料，所述液态金属填充在所述微流道内；所述为流道螺旋环形流道；如图2所示
其中，所述液态金属为镓
其中，所述微通道薄膜材料的厚度为10μm，所述微流道的宽度为5μm；
其中，所述微通道薄膜材料采用聚二甲基硅氧烷制成。
实施例6
本实施例提供一种热界面材料，包括液态金属和内有微流道的微通道薄膜材料，所述液态金属填充在所述微流道内；所述为流道螺旋方形流道；如图3所示
其中，所述液态金属为镓铟合金；
其中，所述微通道薄膜材料的厚度为10μm，所述微流道的宽度为50μm；
其中，所述微通道薄膜材料采用聚二甲基硅氧烷制成。
实施例7
本实施例提供一种热界面材料，包括液态金属和内有微流道的微通道薄膜材料，所述液态金属填充在所述微流道内；所述为流道蛇形并联流道；如图4所示
其中，所述液态金属为镓铟锡合金；
其中，所述微通道薄膜材料的厚度为100μm，所述微流道的宽度为50μm；
其中，所述微通道薄膜材料采用聚二甲基硅氧烷制成。
实施例8
本实施例提供一种热界面材料，包括液态金属和内有微流道的微通道薄膜材料，所述液态金属填充在所述微流道内；所述为流道螺旋环形流道；如图2所示
其中，所述液态金属为镓
其中，所述微通道薄膜材料的厚度为20μm，所述微流道的宽度为10μm；
其中，所述微通道薄膜材料采用聚二甲基硅氧烷制成。
实施例9
本实施例提供实施例1～4所述热界面材料的制备方法，具体为：将所述液态金属通过真空灌注方法填充在多孔泡沫薄膜材料的孔洞内，然后再贴合在电子器件中两种元件接触面中间。
实施例10
本实施例提供实施例5～8所述热界面材料的制备方法，具体为：先将微流道薄膜材料贴附在电子器件中两种元件接触面中间，再将所述液态金属在外界注射泵压力下注射填充于微流道内。
对比例1
本对比例提供一种热界面材料，与实施例1的区别仅在于，将所述多孔泡沫薄膜材料的厚度替换为20μm。
对比例2
本对比例提供一种热界面材料，与实施例1的区别仅在于，将所述多空泡沫薄膜材料的孔洞内径替换为100μm。
对比例3
本对比例提供一种热界面材料，与实施例4的区别仅在于，将所述微通道薄膜材料的厚度替换为1000μm。
对比例4
本对比例提供一种热界面材料，与实施例4的区别仅在于，将所述多微通道薄膜材料的孔洞内径替换为100μm。
实验例1
将实施例1～6、对比例1～4所述的热界面材料，以及硅油基热界面材料(市售道康宁二甲基硅油)进行对比实验，具体采用如下操作：
1、将内含加热棒的铜块与散热基板直接接触，并在40W功率下工作，用热电偶测出稳定后铜块上表面和下表面的温度，结果如下：
表1
Figure BDA0001635683170000081
2、将内含加热棒的铜块与散热基板之间涂抹二甲基硅油或所述实施例与对比例；用热电偶测出稳定后铜块上表面和下表面的温度，结果如下：
表2
Figure BDA0001635683170000082
3、用热电偶测出在添加了热界面材料后，用热电偶测出稳定后铜块上表面和下表面的温度，结果如下：
表3
Figure BDA0001635683170000083
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (12)

1.一种热界面材料，其特征在于，包括液态金属，以及内有孔洞或微流道的薄膜材料，所述液态金属填充在所述孔洞或微流道内，所述液态金属的总体积占所述薄膜材料总体积的30％～75％；
其中，内有孔洞的薄膜材料为多孔泡沫薄膜材料，所述孔洞间三维交错联通；所述多孔泡沫薄膜材料的厚度为100-1000μm，所述孔洞的内径为5-50μm；
内有微流道的薄膜材料为微通道薄膜材料；所述微流道为螺旋环形、螺旋方形、蛇形或并联分布中一种或多种；所述微通道薄膜材料的厚度为10-100μm，所述微流道的宽度为5-50μm。
2.根据权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述液态金属为金属镓或镓铟合金或镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。
3.根据权利要求2所述的热界面材料，其特征在于，所述液态金属的熔点不高于80℃。
4.根据权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述薄膜材料为柔性高分子聚合物材料。
5.根据权利要求4所述的热界面材料，其特征在于，所述柔性高分子聚合物材料为硅橡胶材料。
6.根据权利要求5所述的热界面材料，其特征在于，所述柔性高分子聚合物材料选自聚二甲基硅氧烷、甲基乙烯硅橡胶，甲基乙烯基苯基硅橡胶中一种或多种。
7.根据权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述多孔泡沫薄膜材料的厚度为100-200μm，所述孔洞的内径为5-10μm。
8.根据权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述微通道薄膜材料的厚度为10-20μm，所述微流道的宽度为5-10μm。
9.根据权利要求1～8任一项所述的热界面材料，其特征在于，所述薄膜材料采用MEMS微加工方法制成。
10.权利要求1-7、9任一项所述的热界面材料的制备方法，其特征在于，将所述液态金属通过负压微灌注方法填充于所述孔洞内。
11.权利要求1-6、8-9任一项所述的热界面材料的制备方法，其特征在于，将所述液态金属通过正压注射灌注方法填充于所述微流道内。
12.权利要求1～9任一项所述的热界面材料在热沉、电子设备或微流控芯片上的应用。
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