一種具有低表面張力和優(yōu)異熱導(dǎo)率的液態(tài)金屬熱界面材料

來源|jmr&t Journal of Materials Research and Technology

01

背景介紹

熱管理對于芯片、發(fā)光二極管(LED)、5G通信等電子電氣設(shè)備的發(fā)展至關(guān)重要。電子器件產(chǎn)生的熱量必須迅速運走，從而防止設(shè)備運行過程中出現(xiàn)故障。由于器件之間表面接觸不完全，因此在熱源與散熱器的界面處總是出現(xiàn)氣隙，此時空氣的導(dǎo)熱系數(shù)(Tc)僅為0.026 W/(mK)，阻礙了熱量從熱源向散熱器的有效傳遞。通過應(yīng)用熱界面材料(TIMs)填充氣隙，可以降低界面處的接觸電阻。

由于聚合物低的固有導(dǎo)熱系限制了材料的應(yīng)用，因此聚合物基TIMs通過填充導(dǎo)熱顆粒以提高材料的導(dǎo)熱性能，常見的導(dǎo)熱填料如AlN (360 W/(mK))，BN(250-300W/(mK))，碳纖維(1100 W/(mK))，碳納米管(3000 W/(mK))和石墨烯(5300 W/(mK))。鎵(Ga)基液態(tài)金屬(LM)由于其高導(dǎo)熱性而引起了熱管理領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，LM也被應(yīng)用于電子領(lǐng)域的TIMs。

然而，LM的表面張力過高，無法濕潤熱源和散熱器的表面，并且LM泄漏導(dǎo)致器件短路的風險很大。因此，芯片表面涂漆困難和漏電引起的短路成為液態(tài)金屬應(yīng)用的瓶頸。目前研究人員采用Cu、Fe、Ni、Mg、Ag、W等金屬顆粒作為填料，以減少泄漏，提高LM的導(dǎo)熱系數(shù)。但是，目前報道的大多數(shù)金屬顆粒會形成金屬間化合物，導(dǎo)致LM基TIM失效。

在LM中填充高導(dǎo)熱半導(dǎo)體，如金剛石和Al2O3，可以提高粘度和導(dǎo)熱性，同時也可以解決LM泄漏問題。然而，BN與液態(tài)金屬復(fù)合材料尚未成功制備，這可能是由于Ga的高表面張力與BN的低表面能不匹配。為了克服LM的高表面張力問題，目前的研究重點是利用氧化鎵(Ga2O3)降低LM的表面張力，但這會降低LM的導(dǎo)熱系數(shù)。因此如何調(diào)節(jié)表面張力而且不影響LM的導(dǎo)熱系數(shù)是目前的研究方向之一。

02

成果掠影

近期，

天津理工大學趙云峰教授、蘇州泰吉諾新材料有限公司李兆強聯(lián)合河北工業(yè)大學鄧齊波教授在制備具有低表面張力和優(yōu)異熱導(dǎo)率的LM取得新進展。

高表面張力使得LM和填料難以很好地混合以制備用于熱界面應(yīng)用的復(fù)合漿料。該團隊研究發(fā)現(xiàn)摻雜鎢(W)納米粒子可以使LM在氮化硼(BN)丸表面的接觸角從133°降低到105°，表明摻雜W納米粒子可以降低LM的表面張力。LM、W和BN的加入順序會影響復(fù)合材料的最終形態(tài)，而W納米粒子必須先與LM (LM+W)混合才能得到復(fù)合漿料(LM +W-BN)。相比之下，其他添加序列或不添加W納米顆粒只能得到復(fù)合粉末。LM +W-BN的導(dǎo)熱系數(shù)高達14.49 W/(mK)，并對LM +W-BN材料在壓力、高溫、熱沖擊和高濕條件下的穩(wěn)定性進行了詳細研究，樣品具有良好的

綜合

性能。通過在發(fā)光二極管(LED)模塊中的應(yīng)用，LM +W-BN漿料顯示出作為熱界面材料(TIM)的優(yōu)異熱管理能力。這種方法也被擴展到其他導(dǎo)熱填料，包括碳纖維和石墨烯。這項工作提供了一種簡單的方法來降低LM表面張力，也可能使其他填料的結(jié)合，擴大LM的使用，如集成電路和柔性電子產(chǎn)品。

研究成果以“Enhanced thermal conductivity of liquid metal composite with lower surface tension as thermal interface materials”為題發(fā)表于《jmr&t Journal of Materials Research and Technology》。

該成果是蘇州泰吉諾新材料有限公司在高性能熱界面材料產(chǎn)學研方面的一個縮影，泰吉諾將堅守企業(yè)責任，以客戶需求為導(dǎo)向，不斷在高性能熱界面材料領(lǐng)域開展前沿研究，為客戶提供性能更優(yōu)良的原創(chuàng)產(chǎn)品。

03

圖文導(dǎo)讀

圖1.液態(tài)金屬的制備流程示意圖。

圖2.(a)理想固體基質(zhì)上的一滴液體，(b) BN，(c) BN + W，(d) W，(e) BN-LM- W液態(tài)金屬的潤濕角。

圖3.不同倍數(shù)的 LM-BN-W的SEM微觀結(jié)構(gòu)以及EDS能譜。

圖4.不同倍數(shù)的 LM+W-BN的SEM微觀結(jié)構(gòu)以及EDS能譜。

圖5.(a)不同復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)圖，(b)LM+W-BN復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)BN含量為0-12 wt%，(c) BN含量為0-12 wt%時LM+W-BN復(fù)合材料的熱阻，(d)LM+W-BN復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)的溫度依賴性。

圖6.(a) LM- CF的SEM圖像，(b) LM + W-CF的SEM圖像，(c) LM- CF和 LM + W-CF復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，(d) LM- CF和 LM + W-CF復(fù)合材料的熱阻。

圖7.(a) LM- GR的SEM圖像，(b) LM + W-GR的SEM圖像，(c) LM- GR和 LM + W-GR復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，(d) LM- GR和 LM + W-GR復(fù)合材料的熱阻。

圖9.(a)高溫， (b)熱沖擊， (C)高溫高濕條件下LM+W-BN材料3周的老化實驗圖。

圖10.(a)不加TIM、LM- BN和LM+ W-BN時的LED芯片溫度變化情況，(b)不加TIM、LM- BN和LM+ W-BNN時的表面溫度變化情況。

END

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審核編輯黃宇