一种能够低温固化的镓基液态金属热界面材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种能够低温固化的镓基液态金属热界面材料及其制备方法，属于散热材料技术领域。该材料由熔炼后的镓基液态金属和固化剂混合所得；以质量百分比计，镓基液态金属为25％～95％，固化剂为5％～75％；镓基液态金属为纯镓、镓铟合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锡合金、镓铟锌合金或镓铟锡锌合金；固化剂为金属粉末。本发明专利技术材料具有远高于高分子基热界面材料的热导率，能够极大地降低界面接触热阻，且材料使用后能实现完全固化，彻底消除液态金属造成电子器件短路的风险；与金属基热界面材料相比，使用时无需经历高温焊接过程，极大地降低了材料连接工艺难度。本发明专利技术适用于高性能计算机、5G通讯和电子电力等高功率界面传热应用。热应用。

【技术实现步骤摘要】
一种能够低温固化的镓基液态金属热界面材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种热界面材料，具体涉及一种能够低温固化的镓基液态金属热界面材料及其制备方法，属于散热材料


技术介绍

[0002]现今电子系统的发展趋势是微小型化与高性能化，造成集成电路的热设计功耗急剧增加，严重影响电子器件的运行性能与服役可靠性，如何妥善解决电子器件的散热问题变得愈发重要。高端电子器件的散热通常采用加装散热器的方式，虽然芯片与散热器表面看似完全接触，但是实际界面是由许多包围着空气间隙的点接触组成，而空气为热的不良导体，导致散热器的功效发挥率不足30％。用于涂覆在发热单元与散热器件之间，排除界面空气，提高散热效率所使用的材料称为“热界面材料”。
[0003]主流的热界面材料分为两类：一是高分子基材料，以导热硅脂、导热凝胶、导热垫片、相变材料为代表，此类材料使用便捷、价格低廉，但是导热性能较差；二是金属基材料，以低熔点焊料为代表，它们导热性能优越，但是使用时需要进行高温焊接，存在焊接温度高、助焊剂残留或孔洞缺陷等缺点。因此，商用热界面材料愈发难以满足微电子领域高功率界面传热的需求。
[0004]镓基液态金属具有远高于高分子基材料的导热性能，而且与低熔点焊料相比，液态金属在使用时无需经历高温焊接过程，极大地降低了材料连接工艺难度，是一种潜在的理想热界面材料。但是，镓基液态金属流动性太强，容易造成电子器件短路，严重影响其在微电子领域的推广与应用。现有技术通常采用微粉掺杂技术将液态金属调制为膏状物质，或采用高分子复合技术约束液态金属，这些举措能够降低液态金属的流动性，但是由于液态金属仍然处于流体状态，难以从根本上消除液态金属造成电子器件短路的风险。
[0005]中国专利技术专利申请201710686955.0公开了液态金属导热片及其制备方法，其中液态金属导热片的制备方法是：先制备液态金属，将液态金属与聚二甲基硅氧烷PDMS混合；再加入PDMS固化剂固化成型，得到成型的液态金属
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PDMS混合物；经拉伸、切割，得到导热片。该技术中，导热片采用高分子材料作为基体，热导率普遍不超过10W/(m
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K)，因此该技术不适用于发热量大的应用场景，如顶级CPU、电动汽车IGBT模块等；而且，该技术在极端情况下，如发生材料破裂，内部的液态金属仍有溢流风险，容易导致电子元件短路等重大问题。
[0006]中国专利技术专利申请CN202110178186.X公开了一种能够低温固化的液态金属复合热界面材料及制备方法，该低温固化热界面材料包括液态金属、偶联剂、增韧剂、环氧树脂及固化剂。通过将表面处理过的液态金属微纳液滴、增韧剂填充入环氧树脂基体中制成导热膏，加入固化剂制成一种能够低温固化的液态金属导热垫片。该技术主要用于解决液体浸没状态下的传热问题，由于特殊工作环境的需要，该技术采用环氧树脂作为基体，使该热界面材料具有较强粘性，但是基于环氧树脂的热界面材料导热性能将远远低于基于金属的热界面材料，在极端情况下如材料破裂，固态材料内部的液态金属仍有溢流风险。

技术实现思路

[0007]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种能够低温固化的镓基液态金属热界面材料及其制备方法，能够彻底消除液态金属造成电子器件短路的风险。
[0008]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]一种能够低温固化的镓基液态金属热界面材料，由熔炼后的镓基液态金属和固化剂混合所得；以质量百分比计，镓基液态金属为25％～95％，固化剂为5％～75％，两者的质量分数之和为100％；所述的镓基液态金属为纯镓、镓铟合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锡合金、镓铟锌合金或镓铟锡锌合金；所述的固化剂为金属粉末；金属粉末的粒径为0.1～100μm；所述的金属为铜、镍、铁、银、铜合金、镍合金、铁合金或银合金。
[0010]为进一步实现本专利技术目的，优选地，所述的铜合金是以铜为主成分，与锌、锡、镍中的一种或多种组成的合金。
[0011]优选地，所述的镍合金是以镍为主成分，与锰、铜、铬、铁、硅中的一种或多种组成的合金。
[0012]优选地，所述的铁合金是以铁为主成分，与铬、硅、钼、镍、锰、硼中的一种或多种组成的合金。
[0013]优选地，所述的银合金是以银为主成分，与锡、铜、铟中的一种或多种组成的合金。
[0014]优选地，所述的熔炼温度为50～120℃，熔炼时间为0.1～1h。
[0015]优选地，所述的固化剂使用前经过除油、酸洗、清洗、烘干的预处理。
[0016]优选地，所述的预处理包括如下步骤：
[0017](1)用NaOH溶液化学除油，控制温度为20～80℃，时间10～60min；
[0018](2)去离子水清洗，控制时间为1～5min；
[0019](3)用稀硫酸除锈，室温下进行，控制时间为5～30min；
[0020](4)去离子水清洗，控制时间为1～5min；
[0021](5)无水乙醇清洗，控制时间为1～5min；
[0022](6)真空干燥，温度100～150℃下进行，控制时间为10～60min。
[0023]优选地，所述的NaOH溶液的浓度为10～40g/L；所述的稀硫酸的浓度为10～20wt％。
[0024]所述的一种能够低温固化的镓基液态金属热界面材料的制备方法，包括以下步骤：
[0025](1)熔炼得镓基液态金属；
[0026](2)对固化剂进行表面预处理；
[0027](3)在镓基液态金属中添加固化剂，在真空或保护气体环境中，搅拌混合物，得到一种能够低温固化的镓基液态金属热界面材料。
[0028]优选地，所述的搅拌转速为30～3000rpm，搅拌时间为0.1～100min。
[0029]本专利技术中“除油、酸洗、清洗、烘干”为常规金属表面处理方式，仅针对不同金属材料，使用的NaOH溶液和稀硫酸浓度以及有关工艺条件稍有不同。
[0030]本专利技术中镓基液态金属包括镓以及镓与铟、锡、锌中的一种或多种的合金；其中，镓的熔点为29.7℃，虽然其它金属的熔点高于120℃，如铟的熔点为156.5℃，锡的熔点为231.9℃，锌的熔点为419.5℃，但是，在50～120℃熔炼温度条件下，仍然可以溶于金属镓。
[0031]本专利技术中一种能够低温固化的镓基液态金属热界面材料在使用时为液态，实施完成后，静置一段时间才发生固化，因此必须在材料固化前使用镓基液态金属热界面材料。
[0032]相对于现有技术，本专利技术具有如下优点和有益效果：
[0033](1)本专利技术利用铜等金属或合金粉末来固化液态金属，液态金属能够完全转化为固态的金属间化合物，有效避免了现有技术中液态金属仍然以液态形式存在于热界面材料内部，能够解决密封材料破裂而造成的液态金属溢流问题，彻底消除液态金属造成电子器件短路的风险。
[0034](2)本专利技术所得热界面材料的热导率高达100W/(m...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种能够低温固化的镓基液态金属热界面材料，其特征在于：由熔炼后的镓基液态金属和固化剂混合所得；以质量百分比计，镓基液态金属为25％～95％，固化剂为5％～75％；所述的镓基液态金属为纯镓、镓铟合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锡合金、镓铟锌合金或镓铟锡锌合金；所述的固化剂为金属粉末；金属粉末的粒径为0.1～100μm；所述的金属为铜、镍、铁、银、铜合金、镍合金、铁合金或银合金。2.根据权利要求1所述的一种能够低温固化的镓基液态金属热界面材料，其特征在于：所述的铜合金是以铜为主成分，与锌、锡、镍中的一种或多种组成的合金。3.根据权利要求1所述的一种能够低温固化的镓基液态金属热界面材料，其特征在于：所述的镍合金是以镍为主成分，与锰、铜、铬、铁、硅中的一种或多种组成的合金。4.根据权利要求1所述的一种能够低温固化的镓基液态金属热界面材料，其特征在于：所述的铁合金是以铁为主成分，与铬、硅、钼、镍、锰、硼中的一种或多种组成的合金。5.根据权利要求1所述的一种能够低温固化的镓基液态金属热界面材料，其特征在于：所述的银合金粉是以银为主成分，与锡、铜、铟中的一种或多种组成的合金。6.根据权利要求1所述的一种能够低温固化的镓基液态金属热界面材料，其特征在于：所述的熔炼温度为50～120℃，熔炼时间为0.1～1h...

【专利技术属性】
技术研发人员：位松，郑增煌，李望云，杨道国，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：