一种热界面材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及高性能电子封装技术领域，提供一种热界面材料及其制备方法。热界面材料由液态金属基体与高导热组元复合而成，所述高导热组元为由同一种高导热碳材料搭接而成或由颗粒状材料与一维碳材料搭接而成的多通道导热构型。所述高导热组元通过表面润湿方式与所述液态金属基体结合；当所述高导热组元由颗粒状材料与一维碳材料搭接而成时，搭接的形态是以颗粒状材料为支撑使一维碳材料保持竖立或斜立的形态。所述高导热碳材料为零维碳材料或一维碳材料，所述颗粒状材料为零维碳材料或金属粉末。本发明专利技术能够形成多通道高通量的高导热体系，提高热界面材料的热导率，同时保证高变形性，且得到的热界面材料能够在高温环境下安全稳定可靠运行。稳定可靠运行。稳定可靠运行。

【技术实现步骤摘要】
一种热界面材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及高性能电子封装
，尤其是涉及一种热界面材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]热界面材料作为电子封装中重要的散热材料，是目前解决电子封装结构散热问题的关键。摩尔定律提出的电子设备发展规律受散热问题制约，已无法达到每两年集成面积缩小一倍的发展速度。散热问题随着电子设备发展愈发凸显，目前已是制约电子设备进一步创新突破的瓶颈问题。得益于日益高涨的解决散热问题的需求，热管理材料在近年高速发展，热管理材料的热导率以及热膨胀匹配度达到了较高的使用水准。但是，只凭借热管理材料的高热导率进行电子封装结构散热完全无法满足高功率器件的散热要求，因为在器件向环境的散热途径中仍然存在瓶颈——热界面处的导热效率无法提高。可以说，只有热界面处的导热性能提高才可以有效地发挥热管理材料的极限散热性能，而目前市面上使用的热界面材料完全无法满足该要求。因此，新型热界面材料的研发是散热问题瓶颈中的瓶颈，设计高热导率、低接触热阻的热界面材料是目前解决电子器件散热问题的重中之重。
[0003]现有技术中，热界面材料首先考虑的是其变形性，该类材料多为有机材料，由于施加压力后产生变形，可以更好地贴合封装结构，减少界面间的空隙，有效降低接触热阻；其次选择本征热导率高的材料作为热界面材料，比如金属类热界面材料、各种形态的碳材料；最后考虑材料的使用安全性，选择的材料应安全、稳定。单一的材料很难达到以上各种性能，因此，开发设计复合热界面材料是目前解决相关问题的最佳的技术路线。公开号为CN113150551A的专利申请公开了一种1000nm以下尺寸的金刚石颗粒与挥发性液态烃材料混合制备的分散体作为热界面材料，而其中金刚石只占0.5~5wt%，其虽然使用了本征热导率较高的金刚石作为导热增强材料，但是热导率仍然很低，只能达到6~10W/（mK）。公开号为CN113275787A的专利申请公开了一种作为热界面材料的无铅焊料膏，其中焊料膏包括：焊料粉；具有比焊料膏的焊接温度更高的熔融温度的颗粒，其中焊料膏具有在5:1和1:1.5之间的焊料粉与高熔融温度颗粒的体积比；和助焊剂；其披露的焊料膏可以有效地贴合封装结构降低界面热阻，但是整体热导率仍很低，最高只能达到6.1W/（mK）。
[0004]由于提高热界面材料本征热导率对提高整体散热部件的导热性能非常重要，通过设计导热构型的方式提高热界面材料本征热导率的方式仍具有极高的可行性。公开号为CN113214583A的专利申请公布了一种具有垂直三明治结构的热界面材料，其设计了导热填料在薄膜基体中取向分布，即在上下表面平行排列，中间部分垂直排列，可在面内和面外方向上形成导热通路，有效提升面内面外热导率，该导热构型有效提高了材料的本征热导率，其面外热导率仅为5.0W/（mK），而面内热导率能达到8.32W/（mK）。公开号为CN111978732A的专利申请公布了一种具有三维导热网络结构的热界面材料，其中所述的一维导热填料包括碳纤维及纤维状纳米碳导热材料，碳纤维的轴向沿热界面材料厚度方向上定向排列，纤维状纳米碳导热材料存在于碳纤维彼此之间，与碳纤维搭接构成三维导热网络，该种导热结
构虽然提高了热导率，但是却降低了变形性能，使热界面材料硬度升高，不利于降低接触热阻。
[0005]可见，目前并没有一种热界面材料在满足高变形性高热导率的同时，还能在高温环境下安全稳定可靠运行。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种热界面材料及其制备方法，能够形成多通道高通量的高导热体系，提高热界面材料的热导率，同时保证高变形性，且得到的热界面材料能够在高温环境下安全稳定可靠运行。
[0007]本专利技术的技术方案为：一种热界面材料，由液态金属基体1与高导热组元复合而成，所述高导热组元为由同一种高导热碳材料搭接而成或由颗粒状材料与一维碳材料搭接而成的多通道导热构型。
[0008]进一步的，所述高导热组元通过表面润湿方式与所述液态金属基体1结合；当所述高导热组元由颗粒状材料与一维碳材料搭接而成时，搭接的形态是以颗粒状材料为支撑使一维碳材料保持竖立或斜立的形态。
[0009]进一步的，所述高导热碳材料为零维碳材料或一维碳材料，所述颗粒状材料为零维碳材料或金属粉末。
[0010]进一步的，当所述高导热组元由颗粒状材料与一维碳材料搭接而成时，若所述颗粒状材料为零维碳材料，所述颗粒状材料与所述一维碳材料的质量比为(5:1)~(10:1)；若所述颗粒状材料为金属粉末，所述颗粒状材料与所述一维碳材料的质量比为(15:1)~(25:1)。
[0011]进一步的，所述零维碳材料为金刚石颗粒2
‑
1或表面金属化的金刚石颗粒，所述金属粉末为银粉或铜粉或银包铜粉，所述一维碳材料为碳纤维2
‑
2或表面金属化的碳纤维。
[0012]进一步的，所述零维碳材料、金属粉末的粒径为50μm~200μm，优选的为50μm~100μm；所述一维碳材料的长度为70μm~200μm、直径为10μm~20μm、长径比为5~20。
[0013]进一步的，所述液态金属为Ga基合金，优选的为GaIn基合金，更优选的为GaIn共晶合金、GaInSn共晶合金、GaInSnZn共晶合金中的至少一种。
[0014]进一步的，所述高导热组元的体积占比为30vol%~60vol%。
[0015]一种所述的热界面材料的制备方法，包括下述步骤：液态金属基体熔炼；高导热组元制备；液态金属基体与高导热组元混合。
[0016]进一步的，所述液态金属基体熔炼包括：将所述液态金属的金属单质在真空环境中熔炼，熔炼结束后冷却至室温，得到液态金属基体；所述高导热组元制备包括：对高导热组元的组成材料同时施加机械搅拌与超声分散搅拌30min~60min，得到高导热组元粉体；所述液态金属基体与高导热组元混合包括：将液态金属基体与高导热组元粉体混合后在隔绝水与氧气的惰性气体保护环境下加热至70℃~100℃并保持恒温，同时机械搅拌30min~60min。
[0017]本专利技术的有益效果为：（1）本专利技术通过设置液态金属基体、由同一种高导热碳材料搭接而成或由颗粒状材料与一维碳材料搭接而成的高导热组元并由二者复合形成热界面材料，形成多通道高通量的高导热体系，能够提高热界面材料的热导率，同时保证高变形性，且能够在高温环境下安全稳定可靠运行。具体的，一方面，使用液态金属相作为膏状热界面复合材料中的连续相，起到基体的作用，既能保证该金属基热界面材料的热导率远高于有机热界面材料的热导率，又能保证热界面材料的优秀变形性；另一方面，同一种高导热碳材料搭接或颗粒状材料与一维碳材料搭接形成多通道高通量的导热构型作为导热增强相，既能与单一液态金属热界面复合材料相比极大提高热界面材料的本征热导率，又能吸附住液态金属相防止其在装配使用中溢流，有效降低液态金属热界面材料的泵出效应。
[0018]（2）本专利技术通过将高导热组元通过表面润湿方式与液态金属基体结合，并当高导本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热界面材料，其特征在于，由液态金属基体（1）与高导热组元复合而成，所述高导热组元为由同一种高导热碳材料搭接而成或由颗粒状材料与一维碳材料搭接而成的多通道导热构型。2.根据权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述高导热组元通过表面润湿方式与所述液态金属基体（1）结合；当所述高导热组元由颗粒状材料与一维碳材料搭接而成时，搭接的形态是以颗粒状材料为支撑使一维碳材料保持竖立或斜立的形态。3.根据权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述高导热碳材料为零维碳材料或一维碳材料，所述颗粒状材料为零维碳材料或金属粉末。4.根据权利要求3所述的热界面材料，其特征在于，当所述高导热组元由颗粒状材料与一维碳材料搭接而成时，若所述颗粒状材料为零维碳材料，所述颗粒状材料与所述一维碳材料的质量比为(5:1)~(10:1)；若所述颗粒状材料为金属粉末，所述颗粒状材料与所述一维碳材料的质量比为(15:1)~(25:1)。5.根据权利要求3所述的热界面材料，其特征在于，所述零维碳材料为金刚石颗粒（2
‑
1）或表面金属化的金刚石颗粒，所述金属粉末为银粉或铜粉或银包铜粉，所述一维碳材料为碳纤维（2
‑
2）或表面金属化的碳纤维。6.根据权利要求3所述的热界面材...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭宏，杜世杰，谢忠南，解浩峰，米绪军，
申请(专利权)人：有研工程技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：