CN114702940A - 自组装液态金属热界面材料及其制备方法与使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自组装液态金属热界面材料及其制备方法与使用方法，制备方法包括以下步骤：步骤S1、首先将多孔聚合物薄膜浸泡在液态金属中，抽真空后取出多孔聚合物薄膜，此时多孔聚合物薄膜上下表面和孔隙中已填满液态金属；步骤S2、然后将多孔聚合物薄膜取出，使用蘸满液态金属的滚轮分别在多孔聚合物薄膜上、下表面滚动，使液态金属分布均匀，完成自组装热界面材料薄膜的制备。本发明采用真空环境浸泡和滚轮涂附液态金属的方式制备金属热界面材料薄膜，工艺简单，成本低，便于大规模应用和推广；且于液态金属与聚合物之间会形成氢键或共价键，可以使液态金属吸附在多孔聚合物的孔隙中，以及聚合物的表面，减小液态金属的泄露。
Description
技术领域
本发明涉及热界面材料领域，尤其涉及一种自组装液态金属热界面材料及其制备方法与使用方法。
背景技术
随着芯片的尺寸减小，集成度和功率密度不断增大，芯片工作时产生的热量越来越多，导致芯片的温度不断攀升，严重影响最终电子元件的使用性能，可靠性和寿命。据统计，电子器件的温度每升高10℃-15℃，其相应的使用寿命将会降低50%。热界面材料广泛应用于电子元件散热领域，其主要作用为填充于芯片与热沉之间和热沉与散热器之间，以驱逐其中的空气，使芯片产生的热量能更快速地通过热界面材料传递到外部，达到降低工作温度,延长使用寿命的重要作用。
目前，热界面材料种类包括有机热界面材料、相变热界面材料、金属基热界面材料、碳基热界面材料。其中，金属基热界面材料同时具有很高的面向热导率和法向热导率，能够应对高热流界面挑战。接触热阻是衡量界面材料性能的重要指标，接触热阻越小，性能越好，总接触热阻包括三部分：热界面材料本身热阻，热界面材料与热沉之间的界面热阻、热界面材料与芯片之间的界面热阻。对于金属基热界面材料，其本身热阻很小，但是具有较大的界面热阻。因此，如何减小金属基热界面材料与热沉/芯片之间的界面热阻是增强其传热性能的关键。
液态金属是今年来兴起的一类金属基热界面材料，其呈膏状，便于涂覆于热沉/芯片表面。但是由于其分子间相互力很小，液态金属在实际应用中很容易发生泄露，一旦发生泄露，有可能使电子器件发生短路，烧毁电路。因此，在使用液态金属作为热界面材料一般需要进行封装，这会增加生产成本，降低生产效率。专利201810359844.3向柔性微流道中注射液态金属进行封装，该方法制备方法需要使用光刻工艺，方法复杂，不适合大规模生产；专利201911292500.6使用不同熔点的液态金属混合制成薄片，高熔点金属可以防止低熔点金属熔化后泄露，但是当遇到振动，跌落等情况时仍存在泄露的风险。为了进一步增加液态金属与界面间的粘附性，避免液态金属热界面材料在使用时发生泄露，本发明提出了一种自组装液态金属热界面材料。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种自组装液态金属热界面材料及其制备方法，采用真空环境浸泡和滚轮涂附液态金属的方式制备金属热界面材料薄膜，工艺简单，成本低，便于大规模应用和推广。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的自组装液态金属热界面材料，包括多孔聚合物薄膜和液态金属，液态金属填充在多孔聚合物薄膜的空隙中和覆盖在多孔聚合物薄膜的表面。
优选地，液态金属指熔点在150℃以下的金属。
优选地，液态金属为纯金属、金属合金或以液态金属为基液掺杂制备出的浆体。
优选地，金属合金为镓基合金、铋基合金或铟基合金。
优选地，多孔聚合物薄膜与液态金属形成氢键或共价键。
优选地，多孔聚合物薄膜的基材选自橡胶、高分子树脂或纤维。
优选地，高分子树脂选自聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚乙烯。
优选地，多孔聚合物薄膜的孔隙尺寸介于10μm与10000μm之间。
本发明提供的组装液态金属热界面材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、将多孔聚合物薄膜浸泡在液态金属中，抽真空排出多孔聚合物薄膜中的空气后取出多孔聚合物薄膜，此时多孔聚合物薄膜的上、下表面和孔隙中已填满液态金属；
步骤S2、使用蘸满液态金属的滚轮分别在多孔聚合物薄膜的上、下表面滚动，使多孔聚合物薄膜的上、下表面的液态金属均匀分布，并使液态金属与多孔聚合物薄膜之间充分发生交联反应，完成自组装热界面材料薄膜的制备。
本发明提供的自组装液态金属热界面材料的使用方法，首先使用酒精将芯片和热沉的表面擦拭干净，然后将多孔聚合物薄膜的下表面贴附在热沉的表面，再使用螺栓将芯片固定在多孔聚合物薄膜的上表面。
本发明的有益效果是：
本发明主要采用真空环境浸泡和滚轮涂附液态金属的方式制备金属热界面材料薄膜，工艺简单，成本低，批量生产经济性较好，便于大规模应用和推广，具有可观的应用价值，且于液态金属与聚合物之间会形成氢键或共价键，增加二者的粘附性，可以使液态金属吸附在多孔聚合物的孔隙中，以及聚合物的表面，减小液态金属的泄露。所以，本发明在保持热界面材料良好导热性和柔性的同时，提高热界面材料的粘附性，避免液态金属泄露。
另一方面，本发明的热界面材料薄膜的使用方法简单易行，安全性高，不存在安全隐患；且自组装液态金属热界面材料薄膜贴附在芯片与热沉之间，并施加一定的压力，增加接触面积，在外部压力作用下，液态金属在多孔聚合物薄膜表面局部重新分布，实现与界面的最大化接触，并与多孔聚合物薄膜重新发生交联反应。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为根据本发明实施例提供的自组装液态金属热界面材料的主视图；
图2为根据本发明实施例提供的自组装液态金属热界面材料的侧视图。
其中的附图标记说明：1-多孔聚合物薄膜、2-液态金属。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的具体实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的优点及功效。本发明也可以其它不同的方式予以实施，即，在不背离本发明所揭示的范畴下，能予不同的修饰与改变。
本发明实施例提供一种自组装液态金属热界面材料，包括多孔聚合物薄膜1和液态金属2，液态金属2填充在多孔聚合物薄膜1的空隙中和覆盖在多孔聚合物薄膜1的表面，形成类三明治结构。
液态金属2指熔点在150℃以下的金属。
液态金属2为纯金属、金属合金或以液态金属为基液掺杂制备出的浆体；
金属合金为镓基合金、铋基合金或铟基合金，但不限于此。
纯金属为镓或铟，但不限于此。
多孔聚合物薄膜1能与液态金属形成氢键或共价键，可以使液态金属2吸附在多孔聚合物薄膜1的孔隙中，以及多孔聚合物薄膜1的表面，减小液态金属2的泄露。
多孔聚合物薄膜1的基材选自橡胶、高分子树脂或纤维；
其中，高分子树脂选自聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚乙烯，但不限于此。
多孔聚合物薄膜1为多孔结构，孔隙大小介于10μm与10000μm之间，此孔隙大小是为了使液态金属2不能流出。
上述自组装液态金属热界面材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、将多孔聚合物薄膜浸泡在液态金属中，抽真空后（比如0.5-2小时）取出多孔聚合物薄膜（厚度为：5-30μm，孔隙间距为0.1-1.8mm），以排出多孔聚合物薄膜中的空气，此时多孔聚合物薄膜的上、下表面和孔隙中已填满液态金属；
步骤S2、将多孔聚合物薄膜取出（比如放在平整玻璃板上），使用蘸满液态金属的滚轮分别在多孔聚合物薄膜的上、下表面滚动，使液态金属分布均匀，并使液态金属与多孔聚合物薄膜之间充分发生交联反应，完成自组装热界面材料薄膜的制备。
实施例1：一种自组装液态金属热界面材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、通过冰模板法，制备出10μm厚的多孔聚二甲基硅氧烷，孔隙直径为1mm，孔隙间距为0.5mm；然后将多孔聚合物薄膜浸泡在GaIn液态金属中，放在真空环境中1小时，排出多孔聚合物薄膜中的空气，使液态金属充分浸润多孔聚合物薄膜；
步骤S2、取出薄膜，使用滚轮蘸取液态金属，分别在薄膜上下表面滚动，使表面液态金属均匀分布，并使液态金属与聚合物之间充分发生交联反应，即得自组装热界面材料薄膜。
实施例2：一种自组装液态金属热界面材料的制备方法，步骤S2与实施例1相同，故不赘述，以下仅描述不同之处：
步骤S1、首先通过冰模板法，制备出5μm厚的多孔橡胶，孔隙直径为10μm，孔隙间距为0.1mm；然后将多孔聚合物薄膜浸泡在Ga液态金属中，放在真空环境中0.5小时，排出多孔聚合物薄膜中的空气，使液态金属充分浸润多孔聚合物薄膜。
实施例3：一种自组装液态金属热界面材料的制备方法，步骤S2与实施例1相同，故不赘述，以下仅描述不同之处：
步骤S1、首先通过冰模板法，制备出15μm厚的多孔聚二甲基硅氧烷，孔隙直径为100μm，孔隙间距为1.0mm；然后将多孔聚合物薄膜浸泡在纯铟液态金属中，放在真空环境中1.5小时，排出多孔聚合物薄膜中的空气，使液态金属充分浸润多孔聚合物薄膜。
实施例4：一种自组装液态金属热界面材料的制备方法，步骤S2与实施例1相同，故不赘述，以下仅描述不同之处：
步骤S1、首先通过冰模板法，制备出20μm厚的多孔聚酰亚胺，孔隙直径为5000μm，孔隙间距为0.2mm；然后将多孔聚合物薄膜浸泡在纯铟液态金属中，放在真空环境中2小时，排出多孔聚合物薄膜中的空气，使液态金属充分浸润多孔聚合物薄膜。
实施例5：一种自组装液态金属热界面材料的制备方法，步骤S2与实施例1相同，故不赘述，以下仅描述不同之处：
步骤S1、首先通过冰模板法，制备出30μm厚的多孔聚乙烯，孔隙直径为10000 μm，孔隙间距为1.8mm；然后将多孔聚合物薄膜浸泡在铋铟锡合金液态金属中，放在真空环境中1小时，排出多孔聚合物薄膜中的空气，使液态金属充分浸润多孔聚合物薄膜。
实施例6：
在实际使用时，首先使用酒精将热沉和芯片表面擦拭干净，然后将填充有液态金属的多孔聚合物薄膜的下表面贴附在热沉的表面，再使用螺栓将芯片固定在多孔聚合物薄膜的上表面。
将自组装液态金属热界面材料贴附在芯片与热沉之间，并施加一定的压力，增加接触面积，在外部压力作用下，液态金属在多孔聚合物薄膜的表面局部重新分布，实现与界面的最大化接触，并与多孔聚合物薄膜重新发生交联反应。且使用方法简单易行，安全性高，不存在安全隐患。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种自组装液态金属热界面材料，其特征在于，包括多孔聚合物薄膜和液态金属，将所述多孔聚合物薄膜浸泡在所述液态金属中，抽真空排出所述多孔聚合物薄膜中的空气后取出所述多孔聚合物薄膜，使所述液态金属填充在所述多孔聚合物薄膜的空隙中和覆盖在所述多孔聚合物薄膜的表面，使用蘸满液态金属的滚轮分别在多孔聚合物薄膜的上、下表面滚动，使多孔聚合物薄膜的上、下表面的液态金属均匀分布。
2.根据权利要求1所述的自组装液态金属热界面材料，其特征在于，所述液态金属指熔点在150℃以下的金属。
3.根据权利要求2所述的自组装液态金属热界面材料，其特征在于，所述液态金属为纯金属、金属合金或以液态金属为基液掺杂制备出的浆体。
4.根据权利要求3所述的自组装液态金属热界面材料，其特征在于，所述金属合金为镓基合金、铋基合金或铟基合金。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的自组装液态金属热界面材料，其特征在于，所述多孔聚合物薄膜与所述液态金属形成氢键或共价键。
6.根据权利要求1所述的自组装液态金属热界面材料，其特征在于，所述多孔聚合物薄膜的基材选自橡胶、高分子树脂或纤维。
7.根据权利要求6所述的自组装液态金属热界面材料，其特征在于，所述高分子树脂选自聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚乙烯。
8.根据权利要求6或7所述的自组装液态金属热界面材料，其特征在于，所述多孔聚合物薄膜的孔隙尺寸介于10μm与10000μm之间。
9.一种权利要求1~8中任一项所述的自组装液态金属热界面材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、将多孔聚合物薄膜浸泡在液态金属中，抽真空排出所述多孔聚合物薄膜中的空气后取出所述多孔聚合物薄膜，此时所述多孔聚合物薄膜的上、下表面和孔隙中已填满液态金属；
步骤S2、使用蘸满液态金属的滚轮分别在所述多孔聚合物薄膜的上、下表面滚动，使所述多孔聚合物薄膜的上、下表面的液态金属均匀分布，并使所述液态金属与所述多孔聚合物薄膜之间充分发生交联反应，完成自组装热界面材料薄膜的制备。
10.一种权利要求1~8中任一项所述的自组装液态金属热界面材料的使用方法，其特征在于，首先使用酒精将芯片和热沉的表面擦拭干净，然后将多孔聚合物薄膜的下表面贴附在所述热沉的表面，再使用螺栓将所述芯片固定在所述多孔聚合物薄膜的上表面。
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2022
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