CN110643331B - 一种液态金属导热膏及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于液态金属热界面材料技术领域，具体涉及一种液态金属导热膏及其制备方法和应用。所述液态金属导热膏，包括：液态金属、导热增强颗粒及粘度调节剂；其中，所述导热增强颗粒选自铜粉、碳化硅粉、银粉或氧化铝粉中的一种或多种；所述粘度调节剂选自气相二氧化硅和/或不饱和聚羧酸胺盐。本发明通过增加经过表面处理过的导热增强颗粒以及粘度调节剂来提高液态金属导热膏的导热性能，同时使得液态金属导热膏粘度增加，避免液态金属的泄露，从而保证在使用过程中导热膏更加稳定、安全。

Description

一种液态金属导热膏及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于液态金属热界面材料技术领域，具体涉及一种液态金属导热膏及其制备方法和应用。

背景技术

随着微电子技术的发展，使得电子器件的热流密度不断增加，据统计55％的电子设备失效是由于温度过高引起的，这样势必对电子器件有更高的散热要求，因此有效地解决散热问题已成为电子设备必须解决的关键技术。

CPU作为计算机核心部件，超快的运算带来大量的热量，因此为保证CPU处于合适温度，需对其加装散热装置。目前采用由散热片、导热膏及CPU构成的三明治结构来实现散热；其中，导热膏目前采用硅脂制作，其热导率只有8W/m·K，在芯片发热量较小时，能满足性能要求；但当芯片发热量较大，则无法满足芯片的散热要求。

液态金属作为一种新型材料，因其具备较高的热导率，目前已有采用液态金属来制作导热膏的趋势。采用液态金属制作的导热膏相比传统导热硅脂具有不挥发、热导率高等优点。

但液态金属导热膏在长期使用过程中会存在液态金属泄露问题，致使热导率降低，从而影响电子产品使用寿命；另一方面，液态金属的泄露可能使电子产品短路而损坏。

因此，寻找解决液态金属泄露及导热率下降问题的方法，保证液态金属导热膏长期可靠工作，是液态金属热界面材料领域重要的研究方向。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明提供一种新型高传热性能的液态金属导热膏。本发明所述的液态金属导热膏相较于其他液态金属导热膏，具有导热性能高、工作稳定***露、长期放置不分层的特点。

所述液态金属导热膏，包括：液态金属、导热增强颗粒及粘度调节剂；其中，

所述导热增强颗粒选自铜粉、碳化硅粉、银粉或氧化铝粉中的一种或多种；

所述粘度调节剂选自气相二氧化硅和/或不饱和聚羧酸胺盐。

本发明发现，在液态金属中添加特定的导热增强颗粒有利于提高导热膏的导热性；同时选择合适的粘度调节剂使导热增强颗粒在体系中分散更加均匀，不仅使导热增强颗粒最大程度发挥作用，而且还有助于防止液态金属从导热膏中分离及避免导热膏在使用过程中液态金属的泄露。

为了进一步提高液态金属导热膏的综合性能，本发明还对上述液态金属导热膏的组成进行优化。

所述液态金属导热膏中，所述导热增强颗粒的质量分数为1％-50％，优选5％-30％。在此范围内，可以保证导热膏中导热增强颗粒的分散性更好，避免团聚现象，更有利于导热膏热导率和粘度的提高。

所述导热增强颗粒的粒径为1μm-100μm。通过控制粒径尺寸，可以避免导热增强颗粒的团聚现象及最大化提高热导率。

所述粘度调节剂的质量分数为0.1％-4％。通过调整导热增强颗粒、粘度调节剂与液态金属之间合适的配比，使所得导热膏中导热增强颗粒分散更均匀，同时进一步提高导热膏的粘度，从而使所得导热膏具有超高热导率，适宜的粘度，更有利于涂抹，同时工作状态更加稳定可靠，液态金属***露的优点。

所述液态金属选自镓基合金、锡基合金或铋基合金中的一种或多种。

其中，所述镓基合金选自熔点低于50℃的合金；优选镓与铟、锡、锌、铝、铜、镁或铋中的一种或多种金属制备得到的低熔点合金；进一步优选为镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锌合金或镓铟锡锌合金中的一种或多种。

其中，所述锡基合金选自锡铋合金、锡铋铟合金或锡铋铟锌合金中的一种或多种。

其中，所述铋基合金选自熔点低于100℃的合金，优选铋铟合金、铋铟锡合金、铋铟锌或铋铟锡锌合金中的一种或多种。

本发明还提供上述液态金属导热膏的制备方法，包括：

(1)导热增强颗粒的表面预处理；

(2)将步骤(1)处理后的导热增强颗粒与液态金属混合，均质搅拌，得到混合物A；

(3)向混合物A中加入粘度调节剂，搅拌使粘度调节剂在混合物A中均匀分散，同时将液态金属充分氧化，得到液态金属导热膏。

本发明按次序向液态金属中加入导热增强颗粒、粘度调节剂，并通过均质搅拌，使导热增强颗粒在液态金属中充分分散并氧化，同时利用粘度调节剂进一步调节导热膏的粘度，从而获得具有上述优点的液态金属导热膏，避免了现有导热膏在使用过程中液态金属易泄露，导热率不高的缺陷。

所述步骤(1)中，所述表面预处理包括：先利用表面处理剂去除导热增强颗粒的表面氧化物，再用去离子水洗涤至中性并烘干。其中，所述表面处理剂选自盐酸、硫酸、硝酸、磷酸或碳酸中的一种。通过预处理，可使导热增强颗粒更好的分散于液态金属中，更有利于提高导热膏的热导率。

所述步骤(2)和步骤(3)中，所述均质搅拌的条件为：搅拌速度100-5000rpm/min，优选100-1000rpm/min；搅拌时间为2.5小时；搅拌温度高于所述液态金属的熔点10～50℃，优选高于10～30℃。

本发明还提供上述液态金属导热膏在电子器件散热装置中的应用。

所述应用具体包括：

(1)当液态金属导热膏为Ga基纳米液态金属导热膏时，其在室温下呈现膏状，用于铜基材、钛基材、陶瓷基材或不锈钢基材的发热散热场景；

(2)当液态金属导热膏为Bi基纳米液态金属导热膏时，用于铜基材、铝基材、陶瓷基材或不锈钢基材的发热散热场景；使用前需要预热。

本发明还提供一种电子器件散热装置，其由散热片、上述液态金属导热膏及CPU构成的三明治结构。

本发明的有益效果如下：

本发明通过添加经过表面处理过的导热增强颗粒以及粘度调节剂，既提高了导热膏的导热性能，又避免了液态金属在使用过程中泄露(适宜的粘度范围)，从而保证导热膏在使用过程中更加稳定、安全。

采用本发明所述的导热膏制成的散热装置能够解决目前大发热量芯片的散热问题，保证其温度处于正常范围内，提高其使用寿命。同时，由于本发明所述的导热膏热导率较高，在芯片相同发热量下，相比常规纯液态金属导热膏，能减少液态金属用量，降低导热膏成本。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

以下实施例中，所述热导率的检测方法采用ASTM D5470测试标准进行测试。

实施例1

本实施例提供一种液态金属导热膏的制备方法，包括：

(1)取5g粒径是1μm的铜粉加到0.5mol/L的稀盐酸中搅拌、过滤及清洗，去除铜粉表面的氧化物，再放入真空干燥箱中恒温50℃，干燥12小时。

(2)将干燥后的铜粉与30克镓铟合金用均质机以500rpm/min速度混合均匀得到第一混合物。

(3)然后向第一混合物中加入0.05g气相二氧化硅，用均质机以1000rpm/min的速率搅拌20分钟，搅拌过程使温度保持高于液态金属熔点20℃，使铜粉充分分散在液态金属中并使液态金属氧化，得到粘度适宜的液态金属导热膏。

经检测，所得导热膏的热导率为20w/m·k，粘度为4200mPa·s，静置100h不存在液态金属分离现象。

实施例2

本实施例提供一种液态金属导热膏的制备方法，与实施例1的区别在于：增加铜粉含量至其质量分数为20％，同时铜粉粒径为10μm。

经检测，所得导热膏的热导率为23w/m·k，粘度为4500mPa·s，静置100h不存在液态金属分离现象。

实施例3

本实施例提供一种液态金属导热膏的制备方法，与实施例1的区别在于：将0.05g气相二氧化硅换为0.08g不饱和聚羧酸胺盐；液体金属换为镓锌合金。

经检测，所得导热膏的热导率为18w/m·k，粘度为4300mPa·s，静置100h不存在液态金属分离现象。

实施例4

本实施例提供一种液态金属导热膏的制备方法，与实施例1的区别在于：将铜粉换为银粉与氧化铝颗粒混合颗粒，银粉与氧化铝质量比率为4:6，其他条件不变。

经检测，所得导热膏的热导率为26w/m·k，粘度为4200mPa·s，静置100h不存在液态金属分离现象。

实施例5

本实施例提供一种液态金属导热膏的制备方法，与实施例1的区别在于：将镓铟合金更换为铋铟锡合金，搅拌过程中对合金进行加热，加热温度为80℃。

由此方法制备的Bi基纳米导热膏，熔点60℃，使用时需要对导热膏进行加热至60℃以上，使其融化，方可使用。

经检测，所值得导热膏热导率为21w/m·k。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (13)

1.一种液态金属导热膏，其特征在于，由液态金属、导热增强颗粒及粘度调节剂制成；其中，

所述导热增强颗粒选自铜粉、碳化硅粉、银粉或氧化铝粉中的一种或多种；

所述粘度调节剂选自气相二氧化硅和/或不饱和聚羧酸胺盐；

所述导热增强颗粒的质量分数为1％-50％，所述导热增强颗粒的粒径为1μm-100μm；

所述粘度调节剂的质量分数为0.1％-4％；

所述液态金属选自镓基合金、锡基合金或铋基合金中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的液态金属导热膏，其特征在于，所述导热增强颗粒的质量分数为5％-30％。

3.根据权利要求1所述的液态金属导热膏，其特征在于，所述镓基合金选自熔点低于50℃的合金。

4.根据权利要求3所述的液态金属导热膏，其特征在于，所述镓基合金选自镓与铟、锡、锌、铝、铜、镁或铋中的一种或多种金属制备得到的低熔点合金。

5.根据权利要求3所述的液态金属导热膏，其特征在于，所述镓基合金选自镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锌合金或镓铟锡锌合金中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的液态金属导热膏，其特征在于，所述锡基合金选自锡铋合金、锡铋铟合金或锡铋铟锌合金中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的液态金属导热膏，其特征在于，所述铋基合金选自熔点低于100℃的合金。

8.根据权利要求7所述的液态金属导热膏，其特征在于，所述铋基合金选自铋铟合金、铋铟锡合金、铋铟锌或铋铟锡锌合金中的一种或多种。

9.权利要求1-8任一所述液态金属导热膏的制备方法，其特征在于，包括：

(1)导热增强颗粒的表面预处理；

(2)将步骤(1)处理后的导热增强颗粒与液态金属混合，均质搅拌，得到混合物A；

(3)向混合物A中加入粘度调节剂，搅拌使粘度调节剂在混合物A中均匀分散，同时将液态金属充分氧化，得到液态金属导热膏。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述表面预处理包括：先利用表面处理剂去除导热增强颗粒的表面氧化物，再用去离子水洗涤至中性并烘干；其中，所述表面处理剂选自盐酸、硫酸、硝酸、磷酸或碳酸中的一种；

和/或，所述步骤(2)和步骤(3)中，所述均质搅拌的条件为：搅拌速度100-5000rpm/min；

和/或，所述步骤(2)和步骤(3)中，所述搅拌的温度高于所述液态金属的熔点10～50℃。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌速度为100-1000rpm/min。

12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌的温度高于所述液态金属的熔点10～30℃。

13.权利要求1-8任一所述的液态金属导热膏在电子器件散热装置中的应用。