CN111058071A - 一种提高无机金属材料和高分子聚合物之间界面热传导的方法 - Google Patents

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陈明
张道书
徐国良
罗泽彬
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杨春雷
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Abstract

本发明涉及一种提高无机金属材料和高分子聚合物之间界面热传导的方法。其包括如下步骤：1)在无机金属表面通过电化学电解的方式附着有机金属层；2)在有机金属层表面涂覆高分子聚合物层；其中，附着有机金属层的方法为以所述无机金属作为电极，以高分子聚合物和双[三氟甲磺酰]亚胺金属配合物的混合溶液作为电解液进行电化学电解。本发明制备方法简单，可以有效提高界面有机和无机界面之间的热传导，热导率提升5％‑15％。

Description

一种提高无机金属材料和高分子聚合物之间界面热传导的 方法
技术领域
本发明属于材料领域，具体提供了一种提高无机金属材料和高分子聚合物之间界面热传导的方法。
背景技术
随着科学技术的进一步发展，电子设备如手机、电脑、数码相机等越来越向着小型化和微型化发展。电子设备的集成度和运行速度的也不断提高，以及高功率芯片的使用，导致集成电路功耗也越来越大，芯片的发热量也急剧上升，这对电子封装材料的散热性能提出了更高的要求，即这种封装材料应具有高的热导率。聚合物材料由于价格低廉，适合大规模自动化生产，所以环氧树脂基复合材料成为主要的封装材料。
芯片散热，尤其是芯片结构中无机金属材料/高分子聚合物的界面散热，是直接影响到电子元器件的稳定性、可靠性和寿命的核心问题。现有的技术通常是将高导热的填充材料与聚合物进行复合，然而所获得的无机金属材料/高分子聚合物结构的高热导率有限，仍未能实质性的解决界面散热问题。金属/高分子聚合物的界面高热阻问题其根本物理机制在于金属与聚合物之间的声子谱不匹配，为了实现声子谱匹配，需要在金属/聚合物插入一层有机金属材料作为桥梁，使得金属/有机金属/高分子聚合物达到声子共振效果，从而让热更顺利的在金属与聚合物之间通行，最终降低界面热阻。
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发明内容
为了解决无机金属材料和高分子聚合物之间热传输性能低、声子谱匹配问题，本发明提供了一种提高无机金属材料和高分子聚合物之间界面热传导的方法，其包括如下步骤：
1)在无机金属表面通过电化学电解的方式附着有机金属层；
2)在有机金属层表面涂覆高分子聚合物层；
其中，附着有机金属层的方法为以所述无机金属作为电极，以高分子聚合物和双[三氟甲磺酰]亚胺金属配合物的混合溶液作为电解液进行电化学电解。
在本发明的技术方案中，双[三氟甲磺酰]亚胺金属配合物选自双[三氟甲磺酰]亚胺铜(Ⅱ)。
在本发明的技术方案中，无机金属选择片状的铜。
在本发明的技术方案中，高分子聚合物选自环氧树脂。
在本发明的技术方案中，环氧树脂选自双酚F型环氧树脂、邻甲酚酚醛环氧树脂、双酚A型酚醛环氧树脂。
在本发明的技术方案中，步骤2)中生成高分子聚合物层的方法为将环氧树脂、固化剂与促进剂混合后涂覆于附着有机金属层的金属的表面，固化后获得。
在本发明的技术方案中，电化学电解输出恒电位为0.1V-10V，优选为10V。
在本发明的技术方案中，电化学电解反应的产生的电流为1×10-7-10×10-6A之间。
本发明另一方面提供了一种热传导复合材料，其包括包覆有有机金属层的无机金属以及高分子聚合物层组成，其中包覆有有机金属层的无机金属是通过在无机金属表面以电化学电解的方法获得，电化学电解是以所述无机金属作为电极，以高分子聚合物和双[三氟甲磺酰]亚胺金属配合物的混合溶液作为电解液进行电化学电解；高分子聚合物为环氧树脂；
在本发明的技术方案中，优选地电化学电解输出恒电位为10V，电化学电解反应的电流为0.1×10-6-10×10-6A。
在本发明的技术方案中，高分子聚合物层为环氧树脂层。
本发明还公开了一项具体的技术方案，其是以铜片做电极，环氧树脂为电解液，通过电解使电解液分解产生有机小分子，有机小分子与铜片发生反应生成有机铜，这种在铜片表面改性的方法，可以使铜片与环氧树脂界面之间的声子频率更匹配，从而提高铜片/环氧树脂界面的热传输性能。在电化学工作站中，给定一个电化学窗口，在电解液中就会有物质分解，在电极表面就会有物质生成，因此，本发明中铜片表面的有机小分子制备工艺简单，成本低廉，可以达到提高界面热传输的效果。本发明从热传导物理机制出发，利用有机-无机杂化界面处理技术，实现界面声子谱匹配，降低界面热阻。
具体地，所述的铜片分别用丙酮，无水乙醇，去离子水超声清洗15min，并真空干燥。
具体地，以铜片为电极，环氧树脂和双[三氟甲磺酰]亚胺铜(Ⅱ)为电解液，在电化学工作站中，输出恒电位为10V，产生10×10-6A的微弱电流。在电化学工作站中，给出电化学窗口，电解液中就会有物质分解成。分解的有机小分子与铜反应生成有机铜。
具体地，本文选用长宽为25.4×25.4mm，厚度为2mm的铜片。
具体地，所述的铜片分别用丙酮，无水乙醇，去离子水超声清洗15min，并真空干燥。
具体地，以铜片为电极，环氧树脂和双[三氟甲磺酰]亚胺铜(Ⅱ)为电解液，在电化学工作站中，输出一个恒电位为10V，就会产生10×10-6A的微弱电流。在电化学工作站中，给一个电化学窗口，电解液中就会有物质分解成。分解的有机小分子与铜反应生成有机铜。
具体地，接下来是固化铜片表面的环氧树脂。
具体地，所述的双酚A环氧树脂是二酚基丙烷环氧树脂(由双酚A和环氧氯丙烷制得)。
具体地，所述的固化剂为甲基六氢苯酐。
具体地，所述的促进剂为N,N-二甲基苄胺。
具体地，所述的A型环氧树脂与固化剂与促进剂的质量比100:105:1。
接下来将A型环氧树脂与固化剂与促进剂三者混合均匀，等量的铺平在铜片电极的表面。
具体地，将上文所述的样品放进真空干燥箱中抽气泡30min。
具体地，将上文所述的样品放进电热鼓风干燥箱中固化。
具体地，所述的固化温度程序为：室温30℃经过20min加热到120℃，120℃恒温保持3h，再经过10min加热到140℃，140℃恒温保持3h，再经过10min加热到160℃，160℃恒温保持4h，最后经过8h降温的室温30℃。
具体地，将上文固化好的样品用砂纸打磨，保持厚度一致。
具体地，测量固化后的环氧树脂层，其厚度可以为0.2-0.7mm
经过测试热导率发现，在通过对比可以发现铜片/有机铜/环氧树脂整体热导率相比铜片/环氧树脂整体的热导率可以提高5％-15％。
有益效果
本发明制备方法简单，可以有效提高有机和无机界面之间的热传输性能，热导率能提高5％-15％。
附图说明
图1是铜片/有机铜/环氧树脂的整体结构示意图。其中，10为基底铜片，20为有机小分子层，30为环氧树脂。
图2是铜的薄膜表面测试得到了铜及有机物的拉曼峰。
图3是铜片/有机铜/环氧树脂和铜片/环氧树脂热导率的对比图。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1制备具有高热传输性能的铜片/环氧树脂界面复合材料
1)准备长宽为25.4×25.4mm，厚度为2mm的基底铜片10，铜片分别用丙酮，无水乙醇，去离子水超声清洗15min，并真空干燥。
2)以铜片为电极，100％的100mL环氧树脂E54和0.00003M双[三氟甲磺酰]亚胺铜(Ⅱ)(Cu((TFSI)2)的混合溶液为电解液，在电化学工作站中，设置输出恒电位10V，产生10×10-6A的微弱电流。有机小分子与铜反应，在铜表面产生有机铜。
3)固化铜片表面的环氧树脂，将双酚A环氧树脂、固化剂甲基六氢苯酐与促进剂N，N-二甲基苄胺按质量比为100:105:1混合均匀，
将混合物铺平在步骤2)所得具有有机铜层的铜片电极的表面，然后放进真空干燥箱中抽气泡30min。然后放进电热鼓风干燥箱中固化。固化温度程序为：室温30℃经过20min加热到120℃，120℃恒温保持3h，再经过10min加热到140℃，140℃恒温保持3h，再经过10min加热到160℃，160℃恒温保持4h，最后经过8h降温到室温30℃。用砂纸打磨将固化好的样品，保持厚度一致。固化后的环氧树脂厚度可以为0.2-0.7mm。
对比例1制备铜片/环氧树脂界面复合材料
1)准备长宽为25.4×25.4mm，厚度为2mm的基底铜片10，铜片分别用丙酮，无水乙醇，去离子水超声清洗15min，并真空干燥。
2)固化铜片表面的环氧树脂，将双酚A环氧树脂、固化剂甲基六氢苯酐与促进剂N，N-二甲基苄胺按质量比为100:105:1混合均匀，将混合物铺平在步骤1)的铜片电极的表面，然后放进真空干燥箱中抽气泡30min。然后放进电热鼓风干燥箱中固化。固化温度程序为：室温30℃经过20min加热到120℃，120℃恒温保持3h，再经过10min加热到140℃，140℃恒温保持3h，再经过10min加热到160℃，160℃恒温保持4h，最后经过8h降温到室温30℃。用砂纸打磨将固化好的样品，保持厚度一致。固化后的环氧树脂层厚度为0.2-0.7mm。
效果例
分别测试实施例1和对比例1的具有不同厚度环氧树脂层的复合材料的热导率，结果参见图3，图3中横轴对应的是整体厚度，纵轴为热导率，方块对应的铜片/环氧树脂整体的热导率，三角形对应的是铜片/有机铜/环氧树脂整体的热导率。通过比较可以发现，铜片/有机铜/环氧树脂(实施例1)整体热导率相比铜片/环氧树脂(对比例1)整体的热导率可以提高5％-15％。
测试实施例1步骤2)表面获得的有机铜层的拉曼光谱，结果参见图2，图2是铜的薄膜表面测试得到了铜及有机物的拉曼峰谱。图2中插图是金属铜的拉曼峰，图二是铜及有机物的拉曼峰，对比插图可以看出整体的峰型和金属铜的拉曼峰型相似，但在波数为1200-1600之间出现了NMP的特征峰，这是由于电解作用使得有机物与铜结合了，所以在金属铜的峰里出现了有机物的峰。

Claims (10)

1.一种提高无机金属材料和高分子聚合物之间界面热传导的方法，其包括如下步骤：
1)在无机金属表面通过电化学电解的方式附着有机金属层；
2)在有机金属层表面涂覆高分子聚合物层；
其中，附着有机金属层的方法为以所述无机金属作为电极，以高分子聚合物和双[三氟甲磺酰]亚胺金属配合物的混合溶液作为电解液进行电化学电解。
2.根据权利要求1所述的制备方法，双[三氟甲磺酰]亚胺金属配合物选自双[三氟甲磺酰]亚胺铜(Ⅱ)。
3.根据权利要求1所述的制备方法，电解液中双[三氟甲磺酰]亚胺金属配合物的浓度为0.00001M-0.00005M，优选为0.00003M。
4.根据权利要求1所述的制备方法，无机金属选自铜。
5.根据权利要求1所述的制备方法，高分子聚合物选自环氧树脂。
6.根据权利要求1所述的制备方法，氧树脂选自双酚F型环氧树脂、邻甲酚酚醛环氧树脂、双酚A型酚醛环氧树脂。
7.根据权利要求1所述的制备方法，步骤2)中生成高分子聚合物层的方法为将环氧树脂、固化剂与促进剂混合后涂覆于附着有机金属层的金属的表面，固化后获得。
8.根据权利要求1所述的制备方法，电化学电解输出恒电位为0.1V-10V，优选为10V。
9.根据权利要求1所述的制备方法，电化学电解反应的产生的电流在0.1×10-6-10×10-6A之间。
10.一种热传导复合材料，其包括包覆有有机金属层的无机金属以及高分子聚合物层组成，其中包覆有有机金属层的无机金属是通过在无机金属表面以电化学电解的方法获得，电化学电解是以所述无机金属作为电极，以高分子聚合物和双[三氟甲磺酰]亚胺金属配合物的混合溶液作为电解液进行电化学电解；高分子聚合物为环氧树脂；
优选地电化学电解输出恒电位为10V，电化学电解反应的产生的电流为0.1×10-6-10×10-6A。
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