一种基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面，包括散热部件主体表面和形成于散热部件主体表面的微纳米复合结构；所述微纳米复合结构包括微米乳突阵列和液态金属，其中液态金属封装在微米乳突阵列间隙。该热界面是与散热部件一体化的，能够大幅降低热阻、实现快速均温，热界面可获得接近散热部件主体材质的超高导热效率。同时，该热界面成本低廉、拆装方便、性能稳定、防漏效果好、可应用于任意场景，匹配不同的散热部件，具有良好的应用前景。的应用前景。的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及热传导设备
更具体地，涉及一种基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面。

技术介绍

[0002]随着微电子信息产业的进步和发展，5G时代悄然到来，芯片趋于高集成、大密度、小型化封装，发热密度急剧增加，散热技术成为制约领域发展的关键瓶颈。如果解决不好电子器件的热传导问题，会直接影响性能稳定、降低处理速度、增加功率耗散、减少使用寿命。
[0003]在实际应用中，小尺寸的发热器件往往需要贴合更大面积、更高换热效率的散热部件(如翅片、热沉、热管、冷板、均热板等)强化传热。然而，由于各自表面的平整度和粗糙度差异，二者通常难以完全匹配，其间隙处的微尺度空气(热导率仅约0.024W m
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‑1)会造成非常大的接触热阻，严重阻滞热量传递。
[0004]热界面(英文名Thermal Interface Material，简称TIM)是施加在发热器件与散热部件之间降低接触热阻(作为中间层替代接触界面间隙处空气)的材料总称，主要包含导热硅脂、导热衬垫、导热胶、导热膏、相变材料、石墨片等类型。虽然其导热性能(普遍报道的热导率范围约0.5～40W m
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‑1)较空气大幅提升，但远未达到散热部件(通常为铜、铝等金属材质，铜热导率约400W m
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‑1，铝热导率约235W m
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‑1)量级。即使目前最先进的液态金属热界面(申请公布号CN 101338181 A、CN 106222490 A、CN 106929733 A、CN 107052308 A、CN110330943 A)，在历经混合、掺杂、改性、烧结、熔炼、渗铸、冷轧等复杂制备或调控工序后，热导率也未超过100W m
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‑1。因此，就整个散热系统而言，TIM仍然是传热阻力所在。
[0005]同时，现有液态金属热界面均为“外置式”封装，独立于发热器件和散热部件，给整体系统带来额外的成本负担、装配难度和运维风险，例如：需要大量添加助剂改善液态金属的分散、流动或导热性能(申请公布号CN 107350663 A、CN 108192576 A、CN 108129841 A、CN 110330943 A)，需要严格控制涂抹工艺保障接触界面均匀贴合(申请公布号CN 111945159 A)，需要极力阻止组分熔化侧漏造成短路事故(申请公布号CN 106884107 A、CN 106957980 A、CN107053786 A、CN 107513377 A)等。
[0006]因此，需要提供一种可以避免“外置式”封装带来的成本负担、装配难度和运维风险，并且具有高导热效率的热界面。

技术实现思路

[0007]本专利技术的一个目的在于提供一种基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面，该热界面中液态金属直接封装至散热部件主体表面，受热熔化时可自动填充接触空隙，与发热器件紧密贴合，实现快速均温，获得接近散热部件主体材质的超高导热效率。
[0008]本专利技术的另一个目的在于提供一种基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面的制备方法。
[0009]本专利技术的又一个目的在于提供一种基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面的应用。
[0010]热界面是指施加在发热器件与散热部件之间，作为中间层替代接触界面间隙处空气用以降低接触热阻的材料总称，主要包含导热硅脂、导热衬垫、导热胶、导热膏、相变材料、石墨片等类型。
[0011]液态金属是指呈现不定型、可流动液体状态的金属，可看作由正离子流体和自由电子气体组成的混合物，例如汞、镓、铟、铷、铯等低熔点金属及其合金等，通常具有优异的热学性能和电学性能。
[0012]为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0013]一种基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面，包括散热部件主体表面和形成于散热部件主体表面的微纳米复合结构；所述微纳米复合结构包括微米乳突阵列和液态金属，其中液态金属封装在微米乳突阵列间隙。
[0014]为突破现有热界面材料的导热性能极限，同时大幅减轻因“外置式”设计带来的成本负担、装配难度和运维风险，本专利技术通过调控散热部件主体表面微米乳突阵列的浸润性质，将液态金属直接封装至微米乳突阵列的间隙中，得到与散热部件一体化的热界面。
[0015]将本专利技术中的热界面与发热器件紧密装配后，常温下为固态的封装液态金属受热熔化呈液态，体积略微膨胀，在间隙中流动并快速填充接触空隙(自适应)以排除空气，大幅降低热阻；同时，液态金属受热发生固
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液相变时会伴随瞬时潜热吸收，温度维持在熔点附近，实现快速均温；由于微纳米复合结构中微米乳突阵列仍属散热部件主体，所述热界面最终可获得接近散热部件主体材质的超高导热效率。以最常见的紫铜散热板为例，本专利技术所述热界面能普遍实现370Wm
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‑1以上的热导率，远高于现有热界面材料(不到100W m
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‑1)。
[0016]同时，本专利技术中液态金属是内封装在热界面中的，防漏效果好，性能稳定。“内置式”封装设计本身是对液态金属与复杂外环境的隔绝与保护；此外，微米乳突阵列超亲液态金属的浸润性质以及随散热部件安装时的固有边界压力等共同阻碍液态金属的侧漏流失，杜绝短路隐患。
[0017]在实际的应用中，散热部件与发热器件可以是完全独立分开的，但某些发热器件(如CPU、GPU、MaPU等芯片)实际上自带散热外壳，本领域技术人员可以理解的是，在发热器件自带的散热外壳表面显而易见也是可以设置与本专利技术同样形式或功能的热界面的，本专利技术对于散热部件与发热器件的连接形式不作限定。
[0018]优选地，单个微米乳突的高度为5μm～500μm，当量直径为10μm～1000μm，相邻微米乳突的间距为10μm～1000μm。
[0019]优选地，单个微米乳突的高度为10μm～400μm，当量直径为30μm～800μm，相邻微米乳突的间距为30μm～800μm。
[0020]更优选地，单个微米乳突的高度为30μm～300μm，当量直径为50μm～500μm，相邻微米乳突的间距为50μm～500μm。
[0021]进一步优选地，单个微米乳突的高度为50μm～200μm，当量直径为100μm～200μm，相邻微米乳突的间距为100μm～200μm。
[0022]优选地，所述微米乳突表面具有颗粒状、团簇状、纤维状或褶皱状纳米形貌；微米乳突表面具有的纳米形貌可以增大液态金属封装时的黏附力，使液态金属完全浸润微米乳
突表面。
[0023]优选地，所述颗粒状或团簇状纳米形貌的直径为5nm～500nm，所述纤维状纳米形貌的长度为5nm～500nm，所述褶皱状纳米形貌的厚度为5nm～500nm。
[0024]更优选地，所述颗粒状或团簇状纳米形貌的直径为10nm～400nm，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面，其特征在于，包括散热部件主体表面和形成于散热部件主体表面的微纳米复合结构；所述微纳米复合结构包括微米乳突阵列和液态金属，其中液态金属封装在微米乳突阵列间隙。2.根据权利要求1所述的基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面，其特征在于，微米乳突的高度为5μm～500μm，当量直径为10μm～1000μm，相邻微米乳突的间距为10μm～1000μm；优选地，所述微米乳突表面具有颗粒状、团簇状、纤维状或褶皱状纳米形貌；优选地，所述颗粒状或团簇状纳米形貌的直径为5nm～500nm，所述纤维状纳米形貌的长度为5nm～500nm，所述褶皱状纳米形貌的厚度为5nm～500nm。3.根据权利要求1所述的基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面，其特征在于，所述液态金属的熔点高于室温但低于发热器件的稳定运行温度。4.根据权利要求1所述的基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面，其特征在于，所述液态金属选自镓、铟、锡、铋或其合金，或其与其他金属、其他金属的氧化物、非金属或非金属氧化物的掺杂混合物；所述其他金属选自铜、铝、金、银、钨、铑或铱，所述非金属为碳或硅。5.根据权利要求1所述的基于液态金...

【专利技术属性】
技术研发人员：江雷，白春礼，田野，徐哲，余臻伟，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：