CN114250384B - 一种液态金属热界面材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液态金属热界面材料，其特征在于，其由低熔点金属、氟化钠、氯化锌以一定的比例和方法混合而成,表面具有凸起结构。所述低熔点金属为铟锡合金。所述氟化钠可减少低熔点金属在空气中的氧化。所述氯化锌可降低金属氧化膜和金属之间的结合力，促进低熔点金属氧化膜的脱落。所述凸起结构为圆柱凸起。传统的导热铟片价格昂贵，且材质软，使用过程中容易破损，无法重复使用，造成材料浪费严重，且铟片表面容易氧化，造成导热性能下降，因此使用受限。本发明的一种液态金属热界面材料传热速率明显，导热效果显著，使用寿命长，成本显著偏低，且不容易氧化，强度比较高可重复使用，可保证系统长期稳定运行。广泛用于航天热控、先进能源、信息电子、军工等导热散热领域。

Description

一种液态金属热界面材料
技术领域
本发明属于散热领域，具体涉及一种液态金属热界面材料，所述金属垫片以低熔点金属合金为导热功能主体。此种液态金属热界面材料可将热源的热量迅速传递给散热器进行散热，降低热源的工作温度，使其能在较低温度下工作。可广泛用于航天热控、先进能源、信息电子、军工等导热散热领域。
背景技术
从热界面材料的研究进展上来说，一般地，热阻的产生主要有两个原因：第一，由于热源和散热器接触面的凹凸不平，金属实际接触面小，当热量通过的时候，其接触面有效导热界面小，造成接触热阻。第二，材料本身的热阻。目前主流的降低接触热阻的方法是在接触界面填充导热硅脂或铟片。导热硅脂的基础材料均为非金属，热导率十分有限，且有机成分容易挥发污染设备，同时挥发会造成导热膏失效，因此导热膏寿命短。传统铟片为纯铟，长期使用时铟会氧化，造成热界面材料性能恶化，导热性能下降。铟片不可压缩，对设备的加工公差要求极高。且铟片价格昂贵，质软、强度低，使用过程中极易破损，因此无法重复使用，造成材料浪费。
为解决上述问题，本发明提出的一种液态金属热界面材料，其成分为合金，成本显著偏低，导热效果显著，无挥发，强度比较高，可长期重复使用。本发明通过复杂的熔炼参杂工艺将氟化钠、氯化锌和金属合金有效结合起来，可有效避免热界面材料表面氧化。并且参杂后，氧化层和金属合金的结合力降低，极易脱落。因此本发明导热性能不会随时间恶化，可保证系统长期稳定运行。广泛用于航天热控、先进能源、信息电子、军工等导热散热领域。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种液态金属热界面材料，所述液态金属热界面材料表面有凸起结构，使用过程中能够压缩，可有效降低接触热阻，增强散热。成本低廉，无挥发，不会污染设备。强度高，表面不易氧化，氧化层极易脱落，可长期重复使用，性能不会出现恶化。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本公开提供了一种液态金属热界面材料，其特征在于，其由低熔点金属、氟化钠和氯化锌以一定的比例和方法混合制备得到，各组分的质量分数范围如下：氟化钠为0.01％～5％，氯化锌为0.01％～5％，其余为低熔点金属铟锡合金。
根据本公开的液态金属热界面材料，其特征在于，所述铟锡合金中各金属的质量分数分别为铟45％～55％、锡45％～55％。
根据本公开的液态金属热界面材料，其特征在于，所述液态金属热界面材料形状为四边形薄片、圆形薄片或多边形薄片，其厚度为0.01mm～5mm。
根据本公开的液态金属热界面材料，其特征在于，所述氟化钠粒径为0.1～100微米，以便减少低熔点金属在空气中的氧化。
根据本公开的液态金属热界面材料，其特征在于，所述氯化锌粒径为0.1～100微米，以便降低金属氧化膜和金属之间的结合力，促进低熔点金属氧化膜的脱落。
根据本公开的另一个方面，提供了一种液态金属热界面材料的制备方法，包括，材料熔炼：在氮气保护条件下，将金属铟在反应釜中加热至200℃，然后加入金属锡，200℃保温1小时，并持续搅拌；然后少量多次地往熔化的低熔点金属中添加一定质量分数的氟化钠和氯化锌，同时，对低熔点金属进行搅拌，直至氟化钠和氯化锌与低熔点金属混合均匀；材料轧制成片：将混合均匀的液态金属材料浇注入模具，制成规则的长方体，再置于轧机上进行轧制，即得到片状液态金属热界面材料。
根据本公开的液态金属热界面材料的制备方法，其还包括：可用凹凸模具对制成的片状液态金属热界面材料进行表面处理，使液态金属热界面材料表面形成凸出表面的凸点，以便提高液态金属热界面材料的可压缩性，降低接触热阻，提升导热性能。
所述液态金属热界面材料的尺寸根据实际热源或散热器冷板尺寸裁剪。
所述一种液态金属热界面材料的制备方法如下：(1)材料熔炼：在氮气保护条件下，将金属铟在反应釜中加热至200℃，然后加入金属锡，200℃保温1小时，并持续搅拌。然后少量多次地往熔化的低熔点金属中添加一定质量分数的氟化钠和氯化锌，同时，对低熔点金属进行搅拌，直至氟化钠和氯化锌与低熔点金属混合均匀；(2)材料轧制成片：将(1)步得到的液态金属材料浇注入模具，制成规则的长方体，再置于轧机上进行轧制，即得到本发明所述的片状液态金属热界面材料；(3)凸点轧制：将(2)所述片状液态金属热界面材料制成后，可用凹凸模具进行表面处理，使液态金属热界面材料表面形成凸出表面的凸点，进一步提高液态金属热界面材料的可压缩性，降低接触热阻，提升导热性能。
使用时，将液态金属热界面材料置于散热器与热源之间或电子元件之间，并紧密固定。随着压力升高，金属垫片将会被压缩，有效降低接触热阻。
本发明所述的一种液态金属热界面具有如下有益技术效果：
(1)本发明所述的一种液态金属热界面材料，选择的低熔点金属的热导率高，可实现热源与散热器件间迅速的热传递，可明显地降低接触热阻。
(2)本发明所述一种液态金属热界面材料，氟化钠成分可减少低熔点金属在空气中的氧化，避免液态金属热界面材料长期使用性能恶化的情况。
(3)本发明所述一种液态金属热界面材料，氯化锌成分可降低金属氧化膜和金属之间的结合力，促进低熔点金属氧化膜的脱落，避免液态金属热界面材料长期使用性能恶化的情况。
(4)本发明的一种液态金属热界面材料，因为表面具有凸点结构，具有压缩能力，可适应散热器不同平整度的工况。
(5)本发明的一种液态金属热界面材料，不含有机物，长时间使用也不会因蒸发变干而失效。
(6)本发明的一种液态金属热界面材料，成分为铟锡合金，成本低廉。
(7)本发明的一种液态金属热界面材料，强度高，可长期重复使用，导热性能不会衰减。
附图说明
图1为实施例1中一种液态金属热界面材料应用于散热系统中的示意图。
图2为实施例1中一种液态金属热界面材料产品结构示意图。
图3为实施例1中一种液态金属热界面材料产品结构示意图。
附图标记说明：1、散热器，2、液态金属热界面材料，3热源，4凸起。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
图1展示了本发明的一种液态金属热界面材料在传热领域中的一种典型应用。
本实施例提供的一种液态金属热界面材料，如图2、图3所示，所述液态金属热界面材料包括：
所述主体部为四边形薄片。
所述主体部材料为金属。
所述金属为低熔点金属。
所述低熔点金属是将所述低熔点金属经浇注成块材，压延成箔带。
进一步地，所述低熔点金属是将所述低熔点金属经冷轧成箔带后，按照需求进行裁剪。
使用时，将液态金属热界面材料置于散热器与热源之间或电子元件之间，并紧密固定。低熔点金属由于具有很高的热导率，且可压缩，接触热阻小。因此，液态金属热界面材料能作为导热垫片使用。
本实施例中，所述低熔点金属为铟锡合金(合金质量分数为：铟45％锡54％，氟化钠为0.5％，氯化锌为0.5％，其熔点为100℃。液态金属热界面材料总厚度为2mm，圆柱凸起直径为1mm，间距3mm，高度0.5mm。
使用时，将液态金属热界面材料2置于热源3表面，用扣具将散热器1与热源3紧密固定。运行时液态金属热界面材料压紧，空气顺利排出。液态金属热界面材料2实现热源3与散热器1间迅速的热传递，降低热阻。
铟锡合金的热导率可达到31W/(m·K)，同时可压缩适用于表面不平整的接触表面，相对传统的铟片，接触热阻降低50％。因此，在同样的热流密度情况下，若采用铟片，接触界面温差为12℃，而本实施例中的液态金属热界面材料可将接触面温差降低到6℃，温降优势明显。同时，传统铟片，长期使用容易因氧化造成产品性能恶化，且因强度度低，无法重复使用，从而造成材料浪费。而液态金属热界面材料不容易氧化，而且强度高，因此可长期重复使用，安全可靠，节约大量成本。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。

Claims (7)

1.一种液态金属热界面材料，其特征在于，其由低熔点金属、氟化钠和氯化锌以一定的比例和方法混合制备得到，各组分的质量分数范围如下：氟化钠为0.01％～5％，氯化锌为0.01％～5％，其余为低熔点金属铟锡合金。
2.如权利要求1所述的液态金属热界面材料，其特征在于，所述铟锡合金中各金属的质量分数分别为铟45％～55％、锡45％～55％。
3.如权利要求1所述的液态金属热界面材料，其特征在于，所述液态金属热界面材料形状为四边形薄片、圆形薄片或多边形薄片，其厚度为0.01mm～5mm。
4.如权利要求1所述的液态金属热界面材料，其特征在于，所述氟化钠粒径为0.1～100微米，以便减少低熔点金属在空气中的氧化。
5.如权利要求1所述的液态金属热界面材料，其特征在于，所述氯化锌粒径为0.1～100微米，以便降低金属氧化膜和金属之间的结合力，促进低熔点金属氧化膜的脱落。
6.一种液态金属热界面材料的制备方法，包括，
材料熔炼：在氮气保护条件下，将金属铟在反应釜中加热至200℃，然后加入金属锡，200℃保温1小时，并持续搅拌；
然后少量多次地往熔化的低熔点金属中添加一定质量分数的氟化钠和氯化锌，同时，对低熔点金属进行搅拌，直至氟化钠和氯化锌与低熔点金属混合均匀；
材料轧制成片：将混合均匀的液态金属材料浇注入模具，制成规则的长方体，再置于轧机上进行轧制，即得到片状液态金属热界面材料。
7.如权利要求6所述的液态金属热界面材料的制备方法，其还包括：
可用凹凸模具对制成的片状液态金属热界面材料进行表面处理，使液态金属热界面材料表面形成凸出表面的凸点，以便提高液态金属热界面材料的可压缩性，降低接触热阻，提升导热性能。
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