一种片状垂直粒子导热界面材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种片状垂直粒子导热界面材料及其制备方法，该片状垂直粒子导热界面材料包括高分子基体，所述高分子基体的内部具有沿厚度方向取向设置的片状导热微粒，所述片状导热微粒在高分子基体的导热接触面相互连接，形成无规排列的二维网状结构，不仅在垂直方向搭建了导热通道，同时在无规排列的片状导热微粒也在平面方向上形成相互连通的网络，导热性能强，有利于热量在平面方面的传递，并将电子芯片的局部过热点迅速均匀化，而且采用静电植绒法和静电喷涂法即可一步法制备出导热性能优异的导热界面材料，制备效率高，同时压静电场确保了片状导热微粒在沿着电场方向取向，垂直排列于接收平面并形成无规的二维网状结构，产品性能更好。

【技术实现步骤摘要】
一种片状垂直粒子导热界面材料及其制备方法
本专利技术属于导热界面材料
，具体涉及一种片状垂直粒子导热界面材料及其制备方法。
技术介绍
随着5G和人工智能时代的到来，电子元器件的集成程度和组装密度进一步提高，工作功耗急剧增大。高功率的电子器件工作发生的热量积累会影响电子元器件的稳定性和可靠性；过高的温度会危及半导体的结点，损伤电路的连接界面进而影响电路的阻抗；每升高10-15度，仪器的运行寿命将降低50％。因此确保发热电子元器件所产生的热量能够及时通导出，成为微电子产品系统设计的一个重要方面，并逐步发展成一门新兴学科-热管理。其中热界面材料(ThermalInterfaceMaterials，TIM)在热管理中起到了十分关键的作用。导热界面材料用于填补两种材料接合或接触时产生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞，减少热传递的阻抗，是用于IC封装和电子散热的关键材料之一。其工作原理：在微电子芯片表面和散热器之间存在极细微的空隙，它们间的实际接触面积只有散热器底座面积的10％，其余均为空气间隙。因为空气导热系数只有0.025W/mK，是热的不良导体，这些空气间隙导致电子元件与散热器间的接触热阻非常大，严重阻碍了热量的传导，造成散热器的效能低下。使用具有高导热性的热界面材料填充满这些间隙，在电子元件和散热器间建立有效的热传导通道，可降低接触热阻，使散热器的作用得到充分地发挥。为了使热量能够快速从电子元件有效传递到散热器表面，界面热阻需要降到最低。界面热阻的定义为Ri＝Rc1+Rc2+BLT/k，其中Rc1和Rc2为上下两个金属界面与TIM材料的接触热阻，其值大小取决于界面的粗糙度，施加的压力，导热界面材料的柔性和贴合性；柔性的热界面材料可以在加压的作用下将界面空隙填满。BLT为界面材料厚度，k为热界面材料的厚度方向的导热率。因此为了降低界面热阻Ri，可以通过降低金属界面的粗糙度；提高界面材料的柔顺性以填充空隙；降低界面材料的使用厚度；提高界面材料的导热率等方法。理想的热界面材料应具有以下特性：(1)高导热性；(2)高柔顺性，在较低安装压力条件下热界面材料能够最充分地填充接触表面的空隙，(3)绝缘性(备选)；(4)安装简便。此外一些特殊情况下的应用对热界面材料要求不同，例如航空器件应用中要求导热界面材料能耐高/低温，具备低膨胀率等等。但是，但申请人发现：传统的热界面材料依赖于大量的导热粒子无规填充，因高分子为热的不良导体，非晶态高分子聚合物本征导热率仅为0.1-0.3W/mK之间；共混的基体和导热粒子之间存在大量的界面，基体/粒子界面热阻的存在，导致无规共混填充非常低效：为达到10W/mK以上导热率，高导热粒子的填入量往往需要超过80vol％以上，且重复性较差。大比例填料粒子的使用不止经济性差，还容易造成导热界面材料结块，从而增大热阻。因此新一代的导热界面的材料的设计亟需摒弃传统的无规共混法。高导热粒子主要分为三大类：碳基导热粒子，陶瓷导热粒子和金属导热粒子。热炭基粒子包括了石墨片/微片，石墨烯，多层石墨烯，炭纤维短纤，炭纳米管；导热陶瓷粒子主要用于绝缘性导热界面材料的制备，包括氮化铝，氮化硼，氧化锌等；金属微粒也大规模应用在热界材料中，如银纳米/微米粒子和铜，镍等金属粒子；其中银微米粒子大量用于导热硅脂中。这些填料具备很高的本征导热系数且导热的性能呈现各向异性，例如单根炭纳米管纵向导热率理论值为6000W/mK，测量值为3000W/mK；石墨烯的面导热率高达1500至5800W/mK；六方氮化硼晶体(h-BN)的面导热率可高达390W/mK而厚度方向的导热率仅有2W/mK。因此在导热粒子的应用上需要依据填料粒子的导热特性来设计界面材料的微观结构和粒子的分布。近几年来，产业界和学术界都逐渐普遍采用构建导热通道的方法来制备新一代高导热界面材料。垂直取向高导热沥青基炭纤维的导热界面材料就有有诸多报道，例如：美国专利US005849130A，US005695847A报道了用机械编制的方法制备垂直取向的炭纤维与聚合物复合成热界面材料。Yamadaetal.报道分析了这类基于机械编制技术的炭纤维垂直取向的热界面材料的导热性能，垂直方向的导热率可达15W/mK。美国导热材料公司Aavid和Btech以及日本导热材料公司Polymatech都有类似的碳纤维定向编排取向的热界面材料上市，并在产品手册里报道了垂直方向导热率最高达20W/mk。值得注意的是基于炭纤维的垂直取向热界面材料缺陷也很明显：由于碳纤维的刚性，高碳纤维含量的界面材料柔顺性差，接触界面热阻也相对较高，对于平整度较差的表面，此类导热垫片适应性差。在学术界，世界各研究小组相继报道了利用各种方法来构建垂直导热通道的热界面材料；例如，Uetani报道了利用静电场植绒的方式垂直取向碳纤维短纤，并灌入热固化弹性体以制备热界面材料，制得了导热率为约20W/mK的导热界面材料；Barako用电化学沉淀法制备垂直排列铜纳米线并与PDMS复合；Loeblein利用镍泡沫模板气相化学沉淀法制备石墨烯三维网和氮化硼3D导热泡沫；Zhang应用机械裁剪法制备垂直排列石墨烯片材/卷，并复合PDMS；Jiang报道了高分子氢键协调氮化硼导热网络；Chen利用垂直排列氮化硼纳米片以制备柔顺性高导热材料；Lian报道了垂直排列石墨烯片以制备高导热环氧热界面材料；等等。目前报道的方法需要依靠复杂的反应，工艺和特殊的设备，因此制备大面积实用性导热材料还需进一步改进工艺或者开发的新的工艺。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种具有沿厚度方向取向设置的片状导热微粒，在导热接触面相互连接形成无规排列的二维网状结构的片状垂直粒子导热界面材料，以及该片状垂直粒子导热界面材料的制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种片状垂直粒子导热界面材料，包括高分子基体，所述高分子基体的内部具有沿厚度方向取向的片状导热微粒，所述片状导热微粒在高分子基体的导热接触面相互连接，形成无规排列的二维网状结构。进一步地，所述片状导热微粒是石墨微片或石墨烯或氮化硼微片。进一步地，所述高分子基体是由聚乙烯或聚氨酯或聚丙烯或聚四氟乙烯含氟或硅橡胶弹性体或含氟弹性体热熔而成的基体，或者是由硅橡胶弹性体液态前驱体或含氟橡胶液态前驱体固化而成的基体。进一步地，该片状垂直粒子导热界面材料主要由以下组分和重量百分比制成：片状导热微粒10％～50％、高分子材料50％～90％。进一步地，所述片状导热微粒是石墨微片、石墨烯和氮化硼微片中的一种，所述高分子导热材料是聚乙烯、聚氨酯、聚丙烯、聚四含氟乙烯、硅橡胶弹性体、含氟弹性体、硅橡胶弹性体液态前驱体、含氟橡胶液态前驱体中的一种。一种片状垂直粒子导热界面材料的制备方法，电植绒法制备片状垂直粒子导热界面材料，具体包括以下步骤：a1.利用电场使片状导热微粒沿电场线取向，呈阵列排布；a2.填充高分子材料；a3.热熔、固化，将高分子材料与阵列排布片状导热微粒复合一体。进一步地，所述“利用电场使片本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种片状垂直粒子导热界面材料，其特征在于，包括高分子基体，所述高分子基体的内部具有沿厚度方向取向的片状导热微粒，所述片状导热微粒在高分子基体的导热接触面相互连接，形成无规排列的二维网状结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种片状垂直粒子导热界面材料，其特征在于，包括高分子基体，所述高分子基体的内部具有沿厚度方向取向的片状导热微粒，所述片状导热微粒在高分子基体的导热接触面相互连接，形成无规排列的二维网状结构。


2.根据权利要求1所述的片状垂直粒子导热界面材料，其特征在于，所述片状导热微粒是石墨微片或石墨烯或氮化硼微片。


3.根据权利要求1或2所述的片状垂直粒子导热界面材料，其特征在于，所述高分子基体是由聚乙烯或聚氨酯或聚丙烯或聚四氟乙烯含氟或硅橡胶弹性体或含氟弹性体热熔而成的基体，或者是由硅橡胶弹性体液态前驱体或含氟橡胶液态前驱体固化而成的基体。


4.根据权利要求1或2所述的片状垂直粒子导热界面材料，其特征在于，主要由以下组分和重量百分比制成：片状导热微粒10％～50％、高分子材料50％～90％。


5.根据权利要求4所述的片状垂直粒子导热界面材料，其特征在于，所述片状导热微粒是石墨微片、石墨烯和氮化硼微片中的一种，所述高分子材料是聚乙烯、聚氨酯、聚丙烯、聚四含氟乙烯、硅橡胶弹性体、含氟弹性体、硅橡胶弹性体液态前驱体、含氟橡胶液态前驱体中的一种。


6.一种片状垂直粒子导热界面材料的制备方法，其特征在于，采用静电植绒法制备片状垂直粒子导热界面材料，具体包括以下步骤：
a1.利用电场使片状导热微粒沿电场线取向，呈阵列排...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢琼丹，辛光红，
申请(专利权)人：三亚学院，
类型：发明
国别省市：海南;46