CN112538336B - 一种液态金属固液耦合式多层热界面材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种液态金属固液耦合式多层热界面材料及其制备方法，该多层热界面材料包括：液体材料层及固体材料层，固体材料层位于中间，其上、下表面为网格状结构，并接触设置液体材料层；液体材料层包括由镓基N元合金与微纳米填充颗粒混合所形成的复合材料，其中，镓基N元合金包括镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金中的至少一种，微纳米填充颗粒包括银粉、铜粉、锌粉、铋粉、银包铜、氮化铝、氮化硼、石墨烯、碳纳米管、金刚石中的至少一种，N为大于等于2的整数；固体材料层包括铜、银、铟、镓、锡、铋、锌中的至少一种。该固液耦合式多层热界面材料的热导率高且接触热阻小，散热效果远高于普通的导热硅脂，能够满足大功率电子设备超高的散热需求。

Description

一种液态金属固液耦合式多层热界面材料及其制备方法

技术领域

本公开涉及高功率密度电子设备散热领域，尤其涉及一种液态金属固液耦合式多层热界面材料及其制备方法。

背景技术

国防军工、航空航天等领域的先进激光武器、导弹雷达、空间卫星、航空发动机等大功率设备运行过程中会释放大量热量，远大于民用电子设备如台式机、笔记本电脑、手机等产品，而大功率设备的散热状况直接影响设备的运行情况。相关技术中，采用普通的导热硅脂、导热垫片、导热凝胶等产品远远无法满足大功率设备的散热需求，设备的高效散热面临巨大挑战。而决定发热器与散热器之间散热效果的两大关键因素分别为热界面材料的热导率及热界面材料与发热器和散热器之间的接触热阻。通常，液体复合材料的热导率相对较低，目前最常用的热界面材料为导热硅脂，市售产品的热导率最高可达6-8W/m·K，无法满足高功率密度电子设备的散热需求；而固体金属材料热导率较高，可达50-400W/m·K，但将其作为热界面材料会引入较高的接触热阻，亦无法满足大功率设备的散热需求。因此固液耦合式多层材料散热技术作为一种正在引起广泛关注的超高热流密度散热手段，突破了仅采用液体材料或固体材料的散热缺陷，不仅具有更高的热导率，同时能够有效减小接触热阻，在信息通讯、先进能源、航天热控及国防军工等领域均具有广泛的应用价值。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对于现有的技术问题，本公开提出一种液态金属固液耦合式多层热界面材料及其制备方法，用于至少部分解决上述技术问题之一。

(二)技术方案

本公开第一方面提供一种液态金属固液耦合式多层热界面材料，包括：液体材料层与固体材料层，固体材料层的上、下表面采取网格结构设计并接触设置液体材料层；液体材料层包括由镓基N元合金与微纳米填充颗粒混合所形成的复合材料，其中，镓基N元合金包括镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金中的至少一种，微纳米填充颗粒包括银粉、铜粉、锌粉、铋粉、银包铜、氮化铝、氮化硼、石墨烯、碳纳米管、金刚石中的至少一种，N为大于等于2的整数；固体材料层包括铜、银、铟、镓、锡、铋、锌中的至少一种。

可选地，液体材料层的熔点小于30℃，热导率大于15W/m·K。

可选地，固体材料层的熔点高于50℃，热导率大于50W/m·K。

可选地，微纳米填充颗粒填充的体积分数为1-50％。

可选地，微纳米填充颗粒的直径范围为10nm-100um。

可选地，液体材料层的厚度为10-200um，固体材料层的厚度为50-1000um。

可选地，固体材料层表面网格结构单个网格为正方形，边长为50-1000um，网格深度为1-10um。

可选地，液体材料的选择需包含固体材料中的至少一种元素。

可选地，微纳米填充颗粒的直径需小于固体材料表面网格结构中单个网格的边长。

本公开第一方面提供一种液态金属固液耦合式多层热界面材料的制备方法，包括：去除微纳米填充颗粒表面的氧化物薄膜，得到纯净的微纳米填充颗粒；将纯净的微纳米填充颗粒与镓基N元合金充分混合，得到液体复合材料；将固体材料高温热压成带有网格状结构的均匀薄片并切割成预设尺寸，得到固体材料层；在固体材料层的上、下表面采用丝网印刷方法均匀涂抹液体复合材料，以形成液体材料层；其中，镓基N元合金包括镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金中的至少一种，微纳米填充颗粒包括银粉、铜粉、锌粉、铋粉、银包铜、氮化铝、氮化硼、石墨烯、碳纳米管、金刚石中的至少一种，N为大于等于2的整数；固体材料层包括铜、银、铟、镓、锡、铋、锌中的至少一种。

可选地，去除微纳米填充颗粒表面的氧化物薄膜包括：利用还原性气体加热烘干以去除微纳米填充颗粒表面的氧化物薄膜。

可选地，还原性气体包括氢气、甲烷、一氧化碳、一氧化硫、硫化氢中的至少一种。

(三)有益效果

本公开提出的一种液态金属固液耦合式多层热界面材料，有益效果为：

根据本公开的实施例，通过对固体材料上、下表面进行网格状结构设计并接触设置液体材料层，以形成固液耦合式的多层热界面材料，并对材料的类型进行创造性设计，得到了热导率高且稳定性良好的热界面材料，不仅能够满足大功率电子设备超高的散热需求，同时，当发热元件温度过高时，可将固体材料层融化来吸收大量的热量，最终起到保护电子设备的目的，且液体材料层能够有效减小热界面材料与芯片或散热器之间的接触热阻，散热效果远高于普通的导热硅脂。

根据本公开的实施例，通过对材料的种类、厚度、填充体积、尺寸等参数进行设计，可进一步提高多层热界面材料的热导率及稳定性。

附图说明

图1示意性示出了根据本公开实施例的多层热界面材料结构的剖面图及固体材料表面的结构图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的多层热界面材料的制备方法的流程图。

【附图标记】

1-固体材料层，2-液体材料层，F-固体材料层的上下表面。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

基于现有技术存在的问题，本公开实施例基于液体导热材料及固体导热材料，设计了一种固液耦合式多层热界面材料，以克服现有的液体导热材料热导率低，以及具有高热导率的固体金属材料接触热阻高的缺陷，下面以具体的实施例进行介绍。

图1示意性示出了根据本公开实施例的多层热界面材料的剖面图及固体材料表面的结构图。

如图1所示，本实施例提供的多层热界面材料例如可以包括：

液体材料层及固体材料层，该固体材料层的上、下表面进行网格状结构设计并且均接触设置液体材料层(如图1中的F)，以形成固液耦合式多层热界面材料。

在本公开实施例中，液体材料层例如可以包括由镓基N元合金与微纳米填充颗粒混合所形成的复合材料，N为大于等于2的整数，比如镓基二元合金、镓基三元合金或镓基多元合金。其中，镓基N元合金例如可以包括镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金中的至少一种，微纳米填充颗粒例如可以包括银粉、铜粉、锌粉、铋粉、银包铜、氮化铝、氮化硼、石墨烯、碳纳米管、金刚石中的至少一种。固体材料层例如可以包括铜、银、铟、镓、锡、铋、锌中的至少一种。具体使用过程中根据设备的发热功率及温度稳定范围来选择上述材料中合适的固体材料。液体材料的选择需包含固体材料中的至少一种元素，且微纳米填充颗粒的直径需小于固体材料表面网格结构中单个网格的边长，确保液体材料能够充分分布在固体材料表面的网格状结构中，进而确保二者结合后能够有效结合。

本公开实施例通过对多层热界面材料结构及材料类型的设计，使得多层热界面材料具有良好的导热性能及稳定性，可满足大功率电子设备超高的散热需求。同时，当发热元件温度过高超过固体材料的熔点时，固体金属材料会融化，过程中可吸收大量热量，最终起到保护电子设备的目的。此外，液体材料层能够有效减小热界面材料与芯片或散热器之间的接触热阻，散热效果远高于普通的导热硅脂。因此，固液耦合式多层热界面材料具有广阔的应用前景。

为了进一步地提高固液耦合式多层热界面材料的散热效果，本公开实施例对液体材料层及固体材料层的相关参数进行了设计。

在本公开实施例中，液体材料层的熔点可以小于30℃，热导率可以大于15W/m·K，液体材料层的厚度例如为10-200um，优选30-100um。微纳米填充颗粒的填充的体积分数例如可以为1-50％，优选3％-25％，通过合理设计填充体积分数，可有效避免由于固体颗粒填充过多导致复合材料力学性能下降的问题；同时选择合适的填充体积分数，能够有效提升复合材料的热导率。微纳米填充颗粒的直径范围为10nm-100um，优选50nm-10um，通过合理设计粒径尺寸，可有效避免由于固体颗粒粒径过小或过大造成的卡皮查热阻过大或复合材料划伤芯片或散热器表面的问题。

在本公开实施例中，固体材料层的熔点可以高于50℃，热导率可以大于50W/m·K。通过金属单质的不同组合和配比，可以制成熔点在50℃到160℃的固体材料。固体材料层的厚度例如可以为50-1000um，优选80-500um。固体材料层上、下表面均匀设置网格状结构，取网格形状为正方形，边长为50-1000um，优选100-300um，网格深度为1-10um，优选2-5um。在此范围内，固体材料层质地柔软，不易撕裂，更有利于实现液体材料层的均匀覆盖。

本公开实施例通过对多层热界面材料各尺寸参数进行优化设计，各尺寸参数之间共同作用，可进一步提高多层热界面材料的散热效果。

基于上述实施例，本公开实施例还提供一种多层热界面材料的制备方法，该方法通过微纳米填充颗粒与液态金属进行充分搅拌得到分散均匀的液体复合材料，然后将液体复合材料采用丝网印刷方法均匀涂抹在固体金属材料层上下表面，最终得到了热导率较高且接触热阻较小的固液耦合式多层热界面材料。

图2示意性示出了根据本公开实施例的多层热界面材料制备方法的流程图。

如图2所示，该方法例如可以包括操作S201-操作S204。

在操作S201，去除微纳米填充颗粒表面的氧化物薄膜，得到纯净的微纳米填充颗粒。

在本公开实施例中，可以利用还原性气体加热烘干以去除微纳米填充颗粒表面的氧化物薄膜，其中，该还原性气体例如可以包括氢气、甲烷、一氧化碳、一氧化硫、硫化氢中的至少一种。通过去除微纳米填充颗粒表面的氧化物薄膜可提高固体颗粒的热导率，从而提高液体复合材料的热导率，最终提高液体材料层的热导率。

在操作S202，将纯净的微纳米填充颗粒与镓基N元合金充分混合，得到液体复合材料。

在本公开实施例中，混合方式例如可以为：采用行星搅拌机先以50-500rpm搅拌，使得微纳米填充颗粒与镓基N元合金初步混合，此时不再有大量微纳米填充颗粒漂浮在镓基N元合金表面；再以1000-1500rpm搅拌，使得微纳米填充颗粒与镓基N元合金充分混合；最后以2500-3500rpm搅拌，使得微纳米填充颗粒与镓基N元合金均匀混合。最后将均匀混合后的液体复合材料放入真空干燥室中，在1Pa的压强下抽真空1h。

在操作S203，将固体材料高温热压成带有网格状结构的均匀薄片并切割为预设尺寸，得到固体材料层。

固体材料的制作方法例如可以为：将一种或多种固体单质根据不同比例置于高温坩埚中加热使其融化，将融化后的液体材料倒入内表面具有特定网格结构的石墨模具中，再放入热压机进行热压固化成型，冷却后取出并用激光切割机裁剪成需要的尺寸。

在操作S204，在固体材料层的上下表面均采用丝网印刷方法均匀涂抹液体复合材料，以形成液体材料层。

液体材料涂抹方式例如可以为：将固体材料层缓缓平铺在水平表面，控制手尽量不要接触固体材料上下表面以免造成污染及损坏固体材料层的平整度，将制备好的液体复合材料采用丝网印刷方法均匀涂抹在固体材料层上表面，将涂好液体材料的一面转移至洁净的散热器件表面，与发热器件表面紧密贴合后，再将制备好的液体材料采用丝网印刷方法均匀涂抹在固体材料层另一侧表面，最后将散热器件安装固定在固液耦合式多层热界面材料上表面，与发热器件紧密固定在一起。

为了更清楚的阐述上述制备方法，下面以具体的例子进行说明，其中，导热系数采用DRL-III型热导率仪测量，测试方法依据ASTM D5470标准。

实施例1

本实施例提供多层热界面材料的制备方法包括：

首选，取1g粒径为5um的铜粉放入温度为300℃通入氢气的气氛炉中，将铜粉颗粒表面的氧化物还原后得到纯净的铜粉颗粒，将处理后的铜粉加入25g液态金属镓铟合金中充分搅拌，混合均匀后得到液态金属复合物材料。

然后，采用高温热压机搭载表面带有网格结构的石墨模具制作厚度为1mm金属铟薄片，模具表面网格结构为正方形，正方形边长为100um，深度为5um，金属薄片制作完成后切割成与测试热源尺寸相同的大小。

最后，将液体复合材料采用丝网印刷方法均匀涂抹在金属薄片上下表面，放入稳态热导率仪的热端与冷端之间压紧后进行测试。经测试，液态金属固液耦合式多层热界面材料的热导率为49.1W/m·K。

实施例2

本实施例提供多层热界面材料的制备方法与实施例1的不同之处在于：将铟薄片替换为铜薄片，铜粉的尺寸替换为10um，固体材料表面网格结构单个网格边长替换为150um。

经测试，所得液态金属固液耦合式多层热界面材料的热导率为75.2W/m·K。

实施例3

本实施例提供多层热界面材料的制备方法与实施例1的不同之处在于：将铟薄片替换为500um厚的锡锌薄片，液体材料中液态金属替换为镓铟锡锌，微纳固体颗粒替换为2um的锌粉。

经测试，所得液态金属固液耦合式多层热界面材料的热导率为44.5W/m·K。

至此，通过上述方法便可制备导热性能及稳定性良好的多层热界面材料。

需要说明的是，方法实施例部分未尽细节之处与结构实施部分类似，具体请参见结构实施例部分，此处不再赘述。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种液态金属固液耦合式多层热界面材料，包括：

液体材料层及固体材料层，所述固体材料层的上、下表面采取网格结构设计并接触设置所述液体材料层，其中，所述网格结构的网格形状为正方形，正方形边长为50-1000μm，网格深度为1-10μm；

所述液体材料层包括由镓基N元合金与微纳米填充颗粒混合所形成的复合材料，其中，所述镓基N元合金包括镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金中的至少一种，所述微纳米填充颗粒包括银粉、铜粉、锌粉、铋粉、银包铜、氮化铝、氮化硼、石墨烯、碳纳米管、金刚石中的至少一种， N为大于等于2的整数；

所述固体材料层包括铜、银、铟、镓、锡、铋、锌中的至少一种；

其中，液体材料的选择需包含固体材料中的至少一种元素；

其中，所述液体材料层的熔点小于30℃，热导率大于15W/m•K；所述固体材料层的熔点高于50℃，热导率大于50W/m•K；所述液体材料层的厚度为10-200μm，所述固体材料层的厚度为50-1000μm。

2.根据权利要求1所述的液态金属固液耦合式多层热界面材料，其中，所述微纳米填充颗粒的填充的体积分数为1-50%。

3.根据权利要求1所述的液态金属固液耦合式多层热界面材料，其中，所述微纳米填充颗粒的直径范围为10 nm-100 μm。

4.一种基于权利要求1-3任一项所述的液态金属固液耦合式多层热界面材料的制备方法，包括：

去除微纳米填充颗粒表面的氧化物薄膜，得到纯净的微纳米填充颗粒；

将所述纯净的微纳米填充颗粒与镓基N元合金充分混合，得到液体复合材料；

将固体材料高温热压成带有网格状结构的均匀薄片并切割为预设尺寸，得到固体材料层，其中，所述网格状结构的网格形状为正方形，正方形边长为50-1000μm，网格深度为1-10μm；

在所述固体材料层的上下表面采用丝网印刷方法均匀涂抹所述液体复合材料，以形成液体材料层；

其中，所述镓基N元合金包括镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金中的至少一种，所述微纳米填充颗粒包括银粉、铜粉、锌粉、铋粉、银包铜、氮化铝、氮化硼、石墨烯、碳纳米管、金刚石中的至少一种， N为大于等于2的整数；所述固体材料层包括铜、银、铟、镓、锡、铋、锌中的至少一种；

其中，液体材料的选择需包含固体材料中的至少一种元素；

其中，所述液体材料层的熔点小于30℃，热导率大于15W/m•K；所述固体材料层的熔点高于50℃，热导率大于50W/m•K；所述液体材料层的厚度为10-200μm，所述固体材料层的厚度为50-1000μm。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其中，所述去除微纳米填充颗粒表面的氧化物薄膜包括：

利用还原性气体加热烘干以去除所述微纳米填充颗粒表面的氧化物薄膜。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其中，所述还原性气体包括氢气、甲烷、一氧化碳、一氧化硫、硫化氢中的至少一种。

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