具有超高热导率的柔性、顺应性的热界面材料制造技术

散热效率低限制了电子器件的性能；热界面材料(TIM)可用于电子器件以更有效且高效地散热；使用官能化的氮化硼纳米片(BNNS)制备纳米复合材料；在金属基质中掺入软配体官能化的BNNS用于纳米制造动力学捕获的纳米复合材料TIM。

Flexible and compliant thermal interface materials with super high thermal conductivity

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有超高热导率的柔性、顺应性的热界面材料相关申请本申请要求2015年3月18日提交的美国临时申请号62/134,912的优先权，该申请通过引用并入本文。政府许可权利本专利技术遵照由DARPA颁布的D13AP00040在政府支持下完成。政府对专利技术具有一定权利。
本专利技术总体上涉及散热。本专利技术具体涉及热界面材料。
技术介绍
散热效率低是限制电子器件的可靠性和性能的关键问题。在先进的电子应用中，一切均由尺寸、重量和功率因素决定。随着器件变得越来越小、功能越来越强大且越来越复杂，其散发的热量也越来越多。单位面积的散热更高。热量散发到周围环境。如果电子器件与冷却系统之间无热界面材料，则产生的热量可损坏器件。热材料可用于连接微处理器和散热器。目前，热油脂、基于弹性体的复合材料和焊料是用于实现有效散热的最常用类型的热界面材料。环氧树脂、凝胶和相变材料也可用作热界面材料。在热油脂中，通常将导热填料分散在硅酮、硅酸钠或烃油中以形成糊状物。目前的热油脂制剂中已经使用CNT、金刚石粉、银和铜作为填料。聚合物-基质复合热界面材料(TIM)通常包括在聚合物基质中添加导热颗粒。虽然传统上已经将环氧树脂、聚氨酯和聚氯乙烯用作聚合物基质，但已将银、铜和氮化铝颗粒用作导电填料。氧化铝、氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮化硼和氮化铝也是可能的填料。可使用含有新型填料如石墨、石墨烯和CNT的环氧复合材料TIM。热油脂和聚合物-基质复合材料TIM的热导率值通常为0.5W/m.K至7W/m.K。焊料热界面材料(其为可熔金属合金)在相当低的温度下熔化。熔融焊料可在界面处流动并自身薄薄地展开，从而产生高水平的热接触电导。焊料TIM的热导率通常在20至80W/(m.K)的范围内。虽然焊料热界面材料提供了高热导率和低热界面电阻，但由于分层和芯片开裂的风险，焊料热界面材料相对较高的刚度使其不适合在热膨胀系数差异较大的材料之间的界面上使用。基于弹性体的TIM更具有顺应性，但其相对较低的热导率以及系统中的环氧树脂与周围材料之间的边界上的较差热传递对高功率操作构成了显著的热障。热油脂污秽不洁并且难以施用和去除。此外，过量的油脂可能泄漏到周围环境并造成短路。为了防止器件过热，更好的热界面材料对于包括但不限于雷达、激光系统、军事电子和消费电子产品而言是很重要的。
技术实现思路
本专利技术的一个实施方案是热导率大于250W/m.K且弹性模量值小于20GPa的热界面材料。在一个实施方案中，所述热界面材料包括多个氮化硼纳米片。在一个实施方案中，所述多个氮化硼纳米片是软配体官能化的。在一个实施方案中，所述软配体是选自包括氨基硫脲、己二酸二酰肼、对苯二甲酸二酰肼和十二烷二羧酸二酰肼的组中的至少一种。在一个实施方案中，所述多个氮化硼纳米片存在于金属基质中。在一个实施方案中，所述金属基质选自包括铜、银或铟的组。在一个实施方案中，所述金属基质是铜。本专利技术的一个实施方案是一种热界面材料的制造方法，包括利用电沉积将多个软配体官能化的氮化硼纳米片掺入到金属基质中。在一个实施方案中，所述软配体选自由氨基硫脲、己二酸二酰肼、对苯二甲酸二酰肼和十二烷二羧酸二酰肼组成的组。在一个实施方案中，所述金属基质选自包括铜、银或铟的组。在一个实施方案中，所述金属基质是铜。在一个实施方案中，利用电沉积将多个软配体官能化的氮化硼纳米片分散在铜基质中。本专利技术的一个实施方案是一种使用热界面材料的方法，包括使用热界面材料来冷却电子仪器。在一个实施方案中，所述热界面材料散发电子仪器中的热量。在一个实施方案中，所述热界面材料是热间隙填料。在一个实施方案中，该方法还包括将热界面材料涂覆在随后放置在电子仪器内的芯片上。本专利技术的一个实施方案是一种包含热界面材料的系统，包含发热电子仪器和散热热界面材料。在一个实施方案中，所述散热热界面材料包括多个氮化硼纳米片。在一个实施方案中，所述多个氮化硼纳米片是软配体官能化的。本专利技术的一个实施方案是一种包含上述热界面材料的套件。前面已经相当广泛地概述了本专利技术的特征，以便能够更好地理解下面的详细描述。下面将描述本专利技术的附加特征和优点，其形成权利要求的主题。附图描述为了获得实现本专利技术的上述及其它增强和目的方式，通过附图中例示的本专利技术的具体实施方案对上述简要描述的本专利技术进行更具体的描述。应当理解，这些附图仅描述了本专利技术的典型实施方案，因此不应被认为是限制其范围，将通过附图更具体且详细地描述本专利技术，其中：图1描绘了纯氨基硫脲和氨基硫脲功能化的BN纳米片的FTIR光谱。图2描绘了用于创建包含金属基质和BN纳米片的纳米复合材料的实验装置。图3描绘了概述和比较研发的TIM与环氧树脂基和焊料基的TIM和铜垫片TIM的热性能和机械性能的总体绘图。图4描绘了在无热界面材料的情况下散热器与电子部件之间的典型接触。图5描绘了通过AFM测量的铜散热器及其表面粗糙度。图6描绘了通过AFM测量的铝散热器及其表面粗糙度。图7描述了通过AFM测量的IntelXeonCPU及其表面粗糙度。图8描述了配体修饰的高热导率填料，以降低纳米复合材料的刚度。图9A描绘了存在铝的情况下的石墨烯蚀刻。(改编自Zan等人)。图9B描绘了存在铝的情况下的石墨烯蚀刻。(改编自Zan等人)。图9C描绘了存在铝的情况下的石墨烯蚀刻。(改编自Zan等人)。图10描绘了2-D氮化硼纳米材料。(改编自Greim等人)。图11描绘了叠氮官能化。(改编自Sainsbury等人)。图12描绘了典型的导电聚合物。图13A描绘了己二酸二酰肼的结构。图13B描绘了对苯二甲酸二酰肼的结构。图13C描绘了十二烷二羧酸二酰肼的结构。图13D描绘了氨基硫脲的结构。图14描述了配体修饰的高热导率填料，以降低纳米复合材料的刚度。图15描绘了剥离氮化硼粉末以形成氮化硼纳米片。图16A描绘了BN片晶平均尺寸与剥离时间的关系图。图16B描绘了BN片晶的超声处理的图。图17描绘了界面能量失配。图18A描绘了官能化的BNNS(f-BNNS)。图18B描述了官能化的BNNS(f-BNNS)。图19描绘了金属基质中的配体-BNNS填料。在一个实施方案中，将它们与液态金属(汞)混合。图20A描绘了将f-BNNS分散在Cu中。图20B-20E描绘了用于f-BNNS的配体。图21描绘了电镀的时间效果图。图22A-22C描绘了电沉积薄膜的图片及其SEM显微图。图23描绘了进行EDS分析的感兴趣区域。图24描绘了在Cu-BNNS纳米复合材料的元素分析期间获得的EDS光谱。图25描绘了f-BNNS浓度对比热的影响。图26A描绘了确定热扩散率的方程式。图26B描绘了指示前面、后面、厚度、能量脉冲、初始温度和最终温度的纳米片的图。图26C描绘了温度随时间(以秒为单位)变化的图表。图27A描绘了用于测量纳米压痕的仪器的图。图27B描绘了纳米压痕的测量图。图27C描绘了载荷位移曲线的图表。图27D描绘了约化模量与BN浓度的关系图。H是硬度，Er是约化杨氏模量，以及Y是杨氏模量。图27E描绘了显示试样的约化模量Er与杨氏模量Es的关系的方程式。下标i是压头尖端材料的性质，v是泊松比(vi用于压头尖端，vs用于试样)。图28A-28C描绘了a)包含PEG-二硫醇的纳米复合材料样品的图片；b)和c)从该样品获得的SEM显本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热界面材料，其具有大于250W/m.K的热导率和小于20GPa的弹性模量值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.18 US 62/134,9121.一种热界面材料，其具有大于250W/m.K的热导率和小于20GPa的弹性模量值。2.如权利要求1所述的热界面材料，其中所述热界面材料包括多个氮化硼纳米片。3.如权利要求2所述的热界面材料，其中所述多个氮化硼纳米片是软配体官能化的。4.如权利要求1所述的热界面材料，其中所述软配体是选自包括氨基硫脲、己二酸二酰肼、对苯二甲酸二酰肼和十二烷二羧酸二酰肼的组中的至少一种。5.如权利要求2所述的热界面材料，其中所述多个氮化硼纳米片存在于金属基质中。6.如权利要求5所述的热界面材料，其中所述金属基质选自包括铜、银或铟的组。7.如权利要求6所述的热界面材料，其中所述金属基质是铜。8.一种权利要求1所述的热界面材料的制造方法，包括利用电沉积将多个软配体官能化的氮化硼纳米片掺入到金属基质中。9.如权利要求8所述的制造方法，其中所述软配体选自由氨基硫脲、己二酸二酰肼、对苯二甲酸二酰肼和十二烷二羧酸二酰肼组成...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·阿克布卢特，C·耶金，N·K·纳加班迪，B·泰佩，
申请(专利权)人：得克萨斯州AM大学系统，M·阿克布卢特，C·耶金，N·K·纳加班迪，B·泰佩，
类型：发明
国别省市：美国,US