一种聚合物基金属气凝胶复合热界面材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种聚合物基金属气凝胶复合热界面材料及其制备方法，所述聚合物基金属气凝胶复合热界面材料，其特征在于：其包括金属气凝胶形成的骨架，以及填充并包覆所述骨架的复合高分子聚合物，所述复合高分子聚合物包括聚合物和导热填料；所述金属气凝胶的材料包括金属纳米线。采用本发明专利技术技术方案的聚合物基金属气凝胶复合热界面材料具有优秀的热导率，基于金属气凝胶构筑的骨架结构能够发挥优异的导热性能，降低热界面复合材料的界面热阻；由于纳米材料的尺寸效应在低温下可以与散热器、发热器件表面发生冶金互连，进一步提高了导热胶的热导率。

【技术实现步骤摘要】
一种聚合物基金属气凝胶复合热界面材料及其制备方法
本专利技术属于高分子复合材料
，尤其涉及一种聚合物基金属气凝胶复合热界面材料及其制备方法。
技术介绍
随着半导体行业的快速发展，集成电路逐渐向小型化、高密度化和高功率化方向发展，导致元器件的散热成为亟需解决的重要问题，热界面材料可以作为发热器件与散热器的热通道，降低两者之间的接触热阻，实现发热器件的高效散热。然而，传统的热界面材料相对较低的导热率，难以完全填充发热器件与散热器间隙的缺陷，严重影响了发热器件的散热效率。因此为了保证电子元器件的工作性能和使用寿命，开发高导热的新型热界面材料具有重要意义。聚合物材料具有良好的柔韧性、低成本和良好的可加工性，被广泛应用于热界面材料中。然而，聚合物的本征导热率普遍过低，在实际应用中单独使用时难以达到有效的传热效果。因此，通常要向聚合物中添加导热填料（如金属、陶瓷和碳材料）。
技术实现思路
针对以上技术问题，本专利技术公开了一种聚合物基金属气凝胶复合热界面材料及其制备方法，具有更好的散热效果，可以适用更多的散热场合。对此，本专利技术采用的技术方案为：一种聚合物基金属气凝胶复合热界面材料，其包括金属气凝胶形成的骨架，以及填充并包覆所述骨架的复合高分子聚合物，所述复合高分子聚合物包括聚合物和导热填料；所述金属气凝胶的材料包括金属纳米线。金属气凝胶是一种由金属纳米线通过交联搭接而成的凝胶材料，其固相尺寸及孔隙大小均为纳米量级，除此之外，独特的加工工艺使气凝胶具有连续可调的密度和孔隙率以及接近块体金属的热导率。本专利技术的热界面复合材料中，金属气凝胶承担主要热传导作用，与常规的向聚合物中添加金属颗粒、纳米线或碳材料相比，金属气凝胶形成的三维导热网络大幅度提高了复合材料的导热系数，因此，基于金属气凝胶构筑的骨架结构一方面能够发挥优异的导热性能、降低热界面复合材料的界面热阻，另一方面作为填料与高分子基体之间互相协同配合，对高分子基体起到增强增韧的效果，从而提高热界面复合材料整体的强度、韧性等机械强度。作为本专利技术的进一步改进，所述金属纳米线包括银、铜、镍、金、锡纳米线中的一种或多种。进一步优选的，所述金属纳米线为银纳米线。银的导热性能最佳，以银为导热填料制备的热界面材料具备更优异的导热性能。作为本专利技术的进一步改进，所述金属纳米线的直径为30~1000nm，金属气凝胶中，线间空隙尺寸为40nm~10μm，使用该直径和空隙尺寸的纳米线可以保证气凝胶具有更好的结构稳定性，并保证液态聚合物在填充气凝胶时较好的流动性。纳米线过细或空隙尺寸过大，则易在高分子流体作用下发生断裂；纳米线过粗或空隙尺寸过小，则会导致纳米线空间密度提高，导致难以填充高分子聚合物或网络密度下降。作为本专利技术的进一步改进，所述金属气凝胶的密度为1~600mg/cm3。使用该密度的金属气凝胶可以保证气凝胶具有更好的结构稳定性，并保证液态聚合物在填充气凝胶时较好的流动性。气凝胶密度过小，则热界面复合材料传热性能不佳；气凝胶密度过大，导致难以填充高分子聚合物或网络密度下降。作为本专利技术的进一步改进，所述导热填料包括Al2O3、AlN、BN、SiC、金刚石粉或石墨粉中的一种或几种的混合物。进一步的，所述导热填料为纳米填料。进一步的，所述导热填料的粒径为10nm~10μm。作为本专利技术的进一步改进，所述聚合物包括环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、聚酰亚胺、脲醛树脂或有机硅树脂中的一种。进一步优选的，所述聚合物为环氧树脂。高分子基体的选择主要基于其机械性能和化学稳定性两方面的考虑。本专利技术中选择的高分子基体的材质为热固性聚合物，具有机械强度高、韧性好、加工性能好等优点，并且化学性质稳定，耐腐蚀、耐高温，能够与金属气凝胶相互配合形成性能优异的热界面材料。本专利技术在优选方案中进一步筛选了环氧树脂，环氧树脂密度低、耐腐蚀、化学性质稳定、弹性良好，能够满足热界面复合材料对于高分子基体的性能要求。作为本专利技术的进一步改进，以所述热界面复合材料总体积为100%计，所述复合高分子聚合物的体积百分比为80%~99%。作为本专利技术的进一步改进，如上所述的聚合物基金属气凝胶复合热界面材料的制备方法，其包括以下步骤：步骤S1，制备金属纳米线水凝胶，通过溶剂置换的方法进行表面处理，采用冷冻干燥或超临界干燥，得到金属气凝胶；进一步的，采用液相诱发还原法制备金属纳米线水凝胶；进一步的，还包括根据散热结构将金属气凝胶切割成特定尺寸；步骤S2，将导热填料、液态聚合物与固化剂混合后进行脱泡处理后固化，得到液态聚合物基体混合物；步骤S3，将步骤S2得到的液态聚合物基体混合物与步骤S1得到的金属气凝胶混合，进行抽滤、预固化，得到所述的热界面复合材料。此技术方案将金属气凝胶完全浸入液态高分子聚合物中并进行抽滤、固化，所得热界面材料的导热性能与聚合物相比大幅提升，提升了力学性能。上述高分子聚合物基金属气凝胶复合热界面材料制备方法简单，工艺流程成熟、可靠，设备及环境要求低，金属气凝胶的三维导热网络将极大地提高热界面材料的导热率，有望解决目前电子封装中大功率元器件的散热难题。作为本专利技术的进一步改进，将PVP、AgNO3、乙二醇等反应物充分混合并搅拌均匀，在120~150oC的条件下反应3~5h，诱发纳米线的生长、交联，得到金属纳米线水凝胶。作为本专利技术的进一步改进，步骤S1中，所述表面处理为添加偶联剂或沉积防氧化层，改善材料稳定性和界面耦合状态。作为本专利技术的进一步改进，步骤S2中，所述脱泡处理为真空脱泡处理，所述真空脱泡处理的时间为10~30min，所述固化剂和液态聚合物的质量比为2~50:90~110，所述固化的方法为加热固化，所述加热固化的温度为100~250℃，固化时间为0.5~7h。作为本专利技术的进一步改进，步骤S3中，所述抽滤的温度为30~50℃；抽滤时间为2~4h，并施加真空。本专利技术还公开了如上任意一项所述的聚合物基金属气凝胶复合热界面材料的封装方法，其包括以下步骤：步骤S11，将发热器件、散热器与所述的聚合物基金属气凝胶复合热界面材料待连接表面进行镀层处理；步骤S12，将处理的聚合物基金属气凝胶复合热界面材料放置在发热器件与散热器之间，在温度和压力的条件下，进行金属气凝胶与发热器件、散热器之间的冶金连接。其中，所述发热器件是指CPU、电源模块等高功率器件。采用此技术方案，金属纳米线由于纳米材料的尺寸效应具有远低于块体材料的熔点，在低温条件（80-200℃）下就可与发热器件以及散热器的金属镀层发生冶金连接，发热器和散热器与热界面材料之间的固态互连将大大提高散热效率。作为本专利技术的进一步改进，所述镀层处理是指根据发热器件和散热器材料的不同，采用电镀、化学镀、化学气相沉积或物理气相沉积的方法在表面镀Ni、Au、Ag、Sn或Cu金属材料。采用此技术方案，对于不同种类的金属气凝胶，在发热器件、散热器表面采用相应类型的金属镀层，可以保证热界面材料适用于不同材质的发热器件与散热器。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚合物基金属气凝胶复合热界面材料，其特征在于：其包括金属气凝胶形成的骨架，以及填充并包覆所述骨架的复合高分子聚合物，所述复合高分子聚合物包括聚合物和导热填料；所述金属气凝胶的材料包括金属纳米线。/n

【技术特征摘要】
1.一种聚合物基金属气凝胶复合热界面材料，其特征在于：其包括金属气凝胶形成的骨架，以及填充并包覆所述骨架的复合高分子聚合物，所述复合高分子聚合物包括聚合物和导热填料；所述金属气凝胶的材料包括金属纳米线。


2.根据权利要求1所述的聚合物基金属气凝胶复合热界面材料，其特征在于：所述金属纳米线包括银、铜、镍、金、锡纳米线中的一种或两种以上；所述金属纳米线的直径为30~1000nm，金属气凝胶中，线间空隙尺寸为40nm~10μm，所述金属气凝胶的密度为1~600mg/cm3。


3.根据权利要求2所述的聚合物基金属气凝胶复合热界面材料，其特征在于：所述导热填料包括Al2O3、AlN、BN、SiC、金刚石粉或石墨粉中的一种或两种以上的混合物，所述导热填料的粒径为10nm~10μm。


4.根据权利要求1所述的聚合物基金属气凝胶复合热界面材料，其特征在于：所述聚合物包括环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、聚酰亚胺、脲醛树脂或有机硅树脂中的任意一种。


5.根据权利要求4所述的聚合物基金属气凝胶复合热界面材料，其特征在于：所述复合高分子聚合物的体积百分比为80%~99%。


6.如权利要求1~5任意一项所述的聚合物基金属气凝胶复合热界面材料的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤S1，制备金属纳米线水凝胶，通过溶剂置换的方法进行表面处理，采用冷冻干燥或超临界干燥，得到金属气凝胶；
步骤S2，将导热填料、液态聚合物与固化剂混合后进...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明雨，彭飞，祝温泊，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：广东;44