一种铜/低熔点合金复合热界面材料及其制备方法、应用技术

本发明专利技术涉及热界面材料技术领域，具体涉及一种由铜和低熔点合金构成的复合热界面材料及其制备方法、应用。本发明专利技术提供的铜/低熔点合金复合热界面材料，包括：铜基片及包覆于所述铜基片上下表面的低熔点合金涂层；其中，所述铜基片具有有序排列的通孔结构；所述低熔点合金涂层通过所述铜基片的通孔相连。本发明专利技术提供的新型结构的铜与低熔点合金复合材料，其具有热阻低、导热系数高，结构稳定性高的优点，可承受更多次的循环热冲击，大大降低材料泄漏的风险。而且该复合材料的生产成本低、制备方法简单、易于操作，并且不用考虑合金配比的可加工性，可大大拓宽导热片的种类。可大大拓宽导热片的种类。可大大拓宽导热片的种类。

【技术实现步骤摘要】
一种铜/低熔点合金复合热界面材料及其制备方法、应用


[0001]本专利技术涉及热界面材料
，具体涉及一种由铜和低熔点合金构成的复合热界面材料及其制备方法、应用。

技术介绍

[0002]随着电子元器件集成程度和组装密度的不断提高，其工作功耗和发热量也在急剧增大。在架构紧凑、操作狭窄的空间内，有效地带走高密度功率所产生的热量，较好的进行温度控制，已经成为热界面材料设计中至关重要的挑战之一。
[0003]基于液态金属等低熔点合金的热界面材料在较低工况温度下能熔化成液态，润湿并填充于两个固体界面的空隙，显著降低两界面间的接触热阻，突破了传统导热硅脂、导热硅胶等界面材料较低热导率的限制，在热管理领域中开辟了一条颇有希望的新途径。
[0004]然而低熔点合金导热片的成型需要进行金属熔炼、浇铸成锭、压制成片等制备工序，对设计合金配比有一定的要求，在满足工况熔点、高散热性能的同时还需要具备可加工性，但某些满足实际应用场景性能需求的金属配比，由于脆性大不适用于压片工艺，不能加工成片材，这就极大的限制了低熔点合金在热界面材料的市场应用。
[0005]并且，低熔点合金导热片在相变传热过程中保持了较好的流动性，振动条件下会发生局部团聚，长时间的热冲击循环后会破坏导热片自身的结构稳定性，不利于高效、稳定的热传导持续进行，严重时还会发生金属泄漏，破坏构件的结构功能。
[0006]可见，单一纯金属导热片的制作存在某些低熔点合金配比脆性大、无法压片成型、在振动条件下自身稳定性差等问题。
[0007]铜具有良好的热导率(导热系数为401W/m
·
K)、延展性和可塑性，机械强度高，易机械加工，易焊接，与低熔点合金之间的固固接触热阻小，将二者结合起来既可以保证高热导，金属铜还可以为复合材料提供力学支撑。因此，在低熔点合金中复合导热性能好的骨架支撑材料，确保导热片的稳定性具有很重要的现实意义。
[0008]现有研究将低熔点金属和泡沫金属铜复合来制备高导热、不易溢出的热界面材料，如CN113201660A，但这些多孔材料的内部孔洞是随机分布的，导热路径长，热阻通常较大，不利于热导率的提高；而且，其采用渗铸的方法让液态金属靠自身重力作用渗入尺寸较小的纳米孔洞中，会使得内部孔洞的液态金属填充率较低，不利于散热效果的提高；此外，该复合材料还要经过轧制，因而对液态金属的选择要求较高，须具备可加工性，避免脆性大的合金材料无法轧制成形；同时整个生产工艺较为繁琐、耗时长，不利于工业化应用。
[0009]此外，部分研究结果显示还可采用抽真空的方式，通过负压把低熔点金属熔渗进泡沫金属内部，以提高填充率，但由于液态金属表面张力大，使得内部孔洞的填充率仍然较低，并且由于材料自身技术条件的限制，获得超薄且柔软的导热片材难度较大，加上制备条件苛刻，使得其工业化应用意义不大。

技术实现思路

[0010]本专利技术提供一种新型结构的铜与低熔点合金复合材料，其具有热阻低、导热系数高，结构稳定性高的优点，可承受更多次的循环热冲击，大大降低材料泄漏的风险。而且该复合材料的生产成本低、制备方法简单、易于操作，并且不用考虑合金配比的可加工性，可大大拓宽导热片的种类。
[0011]本专利技术提供的铜/低熔点合金复合热界面材料，其结构包括：铜基片及包覆于所述铜基片上下表面的低熔点合金涂层；其中，所述铜基片具有有序排列的通孔结构；所述低熔点合金涂层通过所述铜基片的通孔相连。
[0012]本专利技术以具有上下贯通的通孔结构铜片作为热界面材料的骨架支撑，除了避免低熔点合金导热片对低熔点合金的配比的限制要求，以及低熔点合金导热片在相变传热过程中局部团聚的发生以外，有序排列的通孔结构还能够让低熔点合金涂层通过通孔实现上下贯通，更好的填充界面的间隙，实现100％孔洞填充，使得复合热界面材料具有更低的热阻及更高的导热性能；同时该结构可使复合材料通过热涂布方式实现制备，避免了现有复合材料采用轧制等加工方式时对材料可加工性的限制，也大大简化了生产工艺，缩短生产周期。此外，通过通孔结构填充低熔点合金材料还有助于提高涂层与铜基片的结合强度，延长使用寿命。
[0013]进一步地，本专利技术所述铜基片的孔隙率为10％
‑
95％，孔径为0.01
‑
5mm。通过合理控制通孔孔隙率及孔径，以保证低熔点合金能够顺利填满孔隙内部，实现填充率100％，从而实现低熔点合金上下贯通；同时还可实现热涂布工艺制备涂层。优选地，所述孔隙率为20
‑
50％，孔径为0.01
‑
1.5mm。
[0014]进一步地，所述铜基片的厚度为20
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200μm，具体厚度可根据实际需要调整。优选地，所述铜基片的厚度为20
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50μm。
[0015]作为本专利技术优选的实施方式之一，所述铜基片的厚度为40
‑
50μm，孔隙率为20
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30％，孔径为1
‑
1.5mm；或者所述铜基片的厚度为20
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30μm，孔隙率为20
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40％，孔径为0.01
‑
0.02mm；研究表明，通过合理控制铜基片的厚度及孔结构之间的关系，更有助于降低复合材料的热阻。
[0016]进一步地，所述低熔点合金由镓、铟、锡、铋、锌、金、银、铜或铝中的一种及两种以上的金属单质组成；所述低熔点合金的熔点在5
‑
200℃之间。所述低熔点合金的具体选择可根据实际应用工况环境而确定。
[0017]进一步地，本专利技术所述低熔点合金涂层的单层厚度可在20
‑
100μm范围内。同时本专利技术研究发现，通过优化低熔点合金涂层的厚度与铜基片的通孔尺寸的匹配关系，可以进一步降低复合材料的热阻。为此，本专利技术优选所述低熔点合金涂层的单层厚度为30
‑
60μm。
[0018]本专利技术还提供一种铜/低熔点合金复合热界面材料的制备方法，包括：通过热涂布方式将所述低熔点合金材料包覆于所述铜基片表面。
[0019]本专利技术基于具有有序排列的通孔结构特点，采用热涂布的方式实现对铜基片的低熔点合金材料的全包覆；相比于现有复合材料的轧制等加工方式，本专利技术提出的热涂布方法更具有生产成本低、方法简单、易于操作等优点，适用工业化应用，并且不用考虑合金配比的可加工性问题，大大拓宽了低熔点合金的种类。
[0020]所述热涂布的温度高于低熔点合金材料的熔点即可，通常高于熔点10
‑
30℃。
[0021]所述热涂布可通过具有加热功能的网纹辊快换以实现不同的涂布厚度，或是通过热喷涂的方式来实现双面涂布。
[0022]在采用具有加热功能的网纹辊快换实现涂布的过程中，先将铜基片浸泡于熔融的低熔点合金液体中5
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20s，再以不超过3m/min的速度将铜基片通过低熔点合金液体，并控制涂布厚度。在具体实施过程中可采用常规热涂布机实现，并通过调整本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铜/低熔点合金复合热界面材料，包括：铜基片及包覆于所述铜基片上下表面的低熔点合金涂层；其特征在于：所述铜基片具有有序排列的通孔结构；所述低熔点合金涂层通过所述铜基片的通孔相连。2.根据权利要求1所述的铜/低熔点合金复合热界面材料，其特征在于，所述铜基片的孔隙率为10％
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95％，孔径为0.01
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5mm；优选地，所述孔隙率为20
‑
50％，孔径为0.01
‑
1.5mm。3.根据权利要求2所述的铜/低熔点合金复合热界面材料，其特征在于，所述铜基片的厚度为20
‑
200μm；优选地，所述铜基片的厚度为20
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50μm。4.根据权利要求1
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3任一项所述的铜/低熔点合金复合热界面材料，其特征在于，所述低熔点合金由镓、铟、锡、铋、锌、金、银、铜或铝中的一种及两种以上的金属单质组成；所述低熔点合金的熔点在5
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200℃之间。5.根据权利要求4所述的铜/低熔点合金复合热界面材料，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜旺丽，耿成都，安健平，邓中山，蔡昌礼，
申请(专利权)人：云南科威液态金属谷研发有限公司，
类型：发明
国别省市：