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CN116606636A - 基于液态金属增强传热的复合热界面材料及其制备方法 - Google Patents

基于液态金属增强传热的复合热界面材料及其制备方法 Download PDF

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CN116606636A
CN116606636A CN202310580422.XA CN202310580422A CN116606636A CN 116606636 A CN116606636 A CN 116606636A CN 202310580422 A CN202310580422 A CN 202310580422A CN 116606636 A CN116606636 A CN 116606636A
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CN
China
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liquid metal
gallium
gasket
thermally conductive
conductive filler
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Application number
CN202310580422.XA
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位松
杨易仁
谌思宇
李望云
杨道国
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Guilin University of Electronic Technology
Original Assignee
Guilin University of Electronic Technology
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Abstract

本发明公开了基于液态金属增强传热的复合热界面材料及其制备方法，由镓基液态金属增强导热垫片以及设置在镓基液态金属增强导热垫片上下面以及四周的封装垫片组成；镓基液态金属增强导热垫片是由小粒径混合物料颗粒铺平后压制成型，再均匀填充高分子聚合物并交联固化所得；封装垫片是将高分子聚合物与导热填料搅拌均匀，得混合物料；采用成型工艺将混合物料固定在镓基液态金属增强导热垫片的上下以及四周，再将高分子聚合物交联固化所得；本发明封装垫片能够防止内部液态金属从上下方及四周渗漏，避免液态金属与散热基底的直接接触，从而消除液态金属造成短路和腐蚀问题，提高传热的可靠性。

Description

基于液态金属增强传热的复合热界面材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及热界面材料技术领域，具体涉及一种基于液态金属增强传热的复合热界面材料及其制备方法。
背景技术
随着微电子技术的高速发展，芯片的功率密度急剧增高，芯片局部过热区域的热通量现已达到300W/cm2，温升过高会严重影响电子设备的电学参数，制约其电学性能发挥，甚至造成电子元器件的失效，降低器件的可靠性。因此，对电子设备尤其是芯片的热管理变得越来越重要。在某种意义上，通过降低电子元件的热阻，特别是不同材料之间的界面热阻，能够有效防止芯片及电子元件过热问题。电子设备工作时热源产生的热量需要通过热沉散发出去，而采用热界面材料则可以填充至热源与热沉之间的空隙，提高电子设备的散热效率。
传统的热界面材料包括导热硅脂、相变材料和导热硅胶片等，通常由聚合物材料与导热填料组成，每颗导热填料都被聚合物基质隔离，其分布类似于“海岛”结构。此类材料已广泛应用于电子设备和散热器之间的热连接，但导热填料颗粒之间存在着巨大的热阻，造成其导热性能较差，难以满足更高的散热需求。
从材料力学和传热学方面来看，理想的热界面材料必须具有聚合物材料的弹性体基质，以满足柔软性、顺应性以及支撑强度的要求；而导热填料应通过连续通道进行连接，以消除聚合物较高热阻的影响。此外，传热通道必须具有足够的变形能力，否则复合材料不能满足良好的相容性要求。基于上述两个方面的要求，考虑到镓基液态金属具备高导热性、优异的流动性、低粘度和无毒性等优点，使用镓基液态金属有可能实现热界面材料传热性能的大幅提高。然而，在服役过程中，由于镓基液态金属往往存在着渗出外溢的问题，尤其是液态金属在遇到一些金属散热基底时会发生腐蚀现象，导致器件与热沉之间的热连接失效，严重影响器件散热的可靠性。
现有基于液态金属强化传热的复合热界面材料无法同时满足高热导和防泄露的要求。中国发明专利CN108912683B公开了一种基于低熔点金属\导热粒子复合导热网络的热界面材料及其制备方法，由低熔点金属、导热粒子和高分子聚合物组成，导热粒子之间以低熔点金属为连接剂，各导热粒子通过低熔点金属相连接后形成三维导热网络通道；三维导热网络通道之间的孔隙由高分子聚合物填充；所述低熔点金属的熔点低于80℃，其化学成分中含有镓、铋、镉、锡、铅、镝和铟元素中的一种或几种；导热粒子为金属导热填料和/或无机非金属导热填料，无机非金属导热填料表面能够进行金属化处理；金属导热填料为纯金属或合金材料，无机非金属导热填料为金刚石、氮化硼、氧化铝、氮化铝、氮化硅、石墨、纳米碳管和石墨烯中的一种或几种。该技术利用镓基液态金属与导热粒子构建高效三维导热通道，且在使用过程中，低熔点金属与金属基底的界面形成冶金互连，高分子聚合物与基底产生粘接作用，两种连接方式限制了低熔点合金的溢流问题，但是液态金属在遇到一些金属散热基底时会发生腐蚀现象，导致器件与热沉之间的热连接失效，严重影响器件散热的可靠性，因此不宜将含有液态金属的复合导热热界面材料与散热基底进行直接接触。
中国发明专利CN110643331B公开了一种液态金属导热膏及其制备方法和应用，该发明使用聚合物材料将液态金属包裹其中，并且采用粘度调节剂增加复合材料粘度，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，但是该复合热界面材料采用共混法制备，大部分导热填料都被聚合物基质隔离，导致材料导热性能较差。因此，亟需开发兼顾高热导和防泄露特点的基于液态金属强化传热的复合热界面材料。
发明内容
针对现有热界面材料存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于液态金属增强传热的复合热界面材料及其制备方法，制备的热界面材料具有极高的热导率、良好的柔软性与热连接可靠性。
为达到上述目的，本发明所提供的技术方案如下：
一种基于液态金属增强传热的复合热界面材料，由镓基液态金属增强导热垫片以及设置在镓基液态金属增强导热垫片上下面以及四周的封装垫片组成；所述的镓基液态金属增强导热垫片是由粒径为1-1000μm小粒径混合物料颗粒铺平后压制成型，再均匀填充高分子聚合物并交联固化所得；所述的小粒径混合物料是镓基液态金属与导热填料搅拌均匀，粉碎制粒，筛分所得；所述的封装垫片是将高分子聚合物与导热填料搅拌均匀，得混合物料；采用成型工艺将混合物料固定在镓基液态金属增强导热垫片的上下以及四周，再将高分子聚合物交联固化所得；
所述的液态金属为纯镓、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；所述高分子聚合物为环氧树脂、有机硅树脂或聚氨酯树脂。
为进一步实现本发明目的，优选地，以体积百分比计，所述的所述液态金属增强导热垫片中，镓基液态金属占5％-40％，导热填料占35％-75％，高分子聚合物占20％-60％。
优选地，所述的导热填料为金属导热填料和/或无机非金属导热填料，导热填料的粒径为0.1-300μm；所述的均匀填充高分子聚合物是通过真空浸渗工艺将液态高分子聚合物填充到小粒径混合物料颗粒铺平后压制成型的三维网络结构材料的孔隙当中。。
优选地，所述的金属导热填料为铜、镍、钼、钨、铜合金、镍合金、钼合金或钨合金中的一种或多种；所述无机非金属导热填料为氮化硼、氧化铝、氮化铝、氮化硅、石墨、金刚石、石墨烯和纳米碳管中的一种或多种；所述的真空浸渗工艺的真空度为1-1000Pa。
优选地，所述的采用成型工艺将混合物料固定在镓基液态金属增强导热垫片的上下以及四周通过如下方法实现：
将高分子聚合物与导热填料置于混料机中，反复搅拌，直至高分子聚合物与导热填料充分混合，得到混合物料；采用网版印刷工艺将混合物料涂覆于塑料薄膜上；将第一张涂覆混合物料的塑料薄膜置于的镓基液态金属增强导热垫片的上方；真空压制成型，实现液态金属增强导热垫片与第一面封装垫片结合；
将镓基液态金属增强导热垫片结合第一面封装垫片的像对面朝上，在镓基液态金属增强导热垫片的外周设置环形槽模具，在环形槽模具中填充混合物料；将另一张涂覆高分子混合物料的塑料薄膜置于镓基液态金属增强导热垫片的上方，真空压制成型，将混合物料在镓基液态金属增强导热垫片的上表面和四周与封装垫片结合。
优选地，所述的真空压制是在真空贴合机内先制造真空环境，并在压强作用下将混合物料贴在镓基液态金属增强导热垫片上；所述的环形槽的空心环形的宽度为2～5mm。
优选地，所述的压强为10kPa-500kPa，保持时间为0.1min-60min；真空贴合机抽取的真空度为1-1000Pa。
优选地，所述的网版印刷工艺的网版厚度为0.1-1mm。
优选地，所述的交联固化的温度为20℃-200℃，保持时间为0.1min-60min。
所述的基于液态金属增强传热的复合热界面材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将镓基液态金属与导热填料搅拌均匀；粉碎制粒，筛分，得粒径为1-1000μm小粒径混合物料颗粒；
2)将所述的小粒径混合物料颗粒铺平，压制成型，得液态金属/导热填料三维网络结构材料；通过真空浸渗工艺将液态高分子聚合物填充到所述液态金属/导热填料三维网络结构材料的孔隙当中；交联固化后获得镓基液态金属增强导热垫片；
3)将高分子聚合物与导热填料搅拌均匀，得到高分子聚合物与导热填料混合物料；采用成型工艺将高分子聚合物与导热填料混合物料固定在镓基液态金属增强导热垫片的上下以及四周，将高分子聚合物交联固化，得基于液态金属增强传热的复合热界面材料。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：
1)本发明的封装垫片设置在镓基液态金属增强导热垫片的上下面以及四周，而且通过一体的成型工艺保证了镓基液态金属增强导热垫片的密封性，有效避免了含有液态金属的复合导热热界面材料与散热基底进行直接接触，提高了安全性，可防止内部液态金属分别从导热垫片上下方以及四周泄露，并起到液态金属与散热基底之间的隔离作用，以防液态金属对散热器表面产生腐蚀。
2)本发明封装垫片作为液态金属逸流阻挡介质同时也是传热介质；而封装垫片主要是由高分子聚合物与导热填料形成；而镓基液态金属增强导热垫片也包括高分子聚合物与导热填料，这样的原料有效保证了封装垫片与镓基液态金属增强导热垫片的传热以及避免受热后应力过大的问题，导致封装垫片与镓基液态金属增强导热垫片结合不紧密以及传热不及时。
3)本发明由于采用了具备填充导热垫片周围功能的模具，可将高分子聚合物与导热填料混合物填充至液态金属增强导热垫片的周围，因此导热垫片不仅能够防止内部液态金属从导热垫片的上下方渗漏，避免液态金属与散热基底直接接触而发生腐蚀的问题，还能有效阻挡液态金属从导热垫片的四周溢出，完全杜绝了液态金属造成电子器件短路的风险。
4)液态金属增强导热垫片由镓基液态金属、导热填料与高分子聚合物组成，由液态金属、导热填料构建的高效三维导热通道使复合材料拥有极高的热导率，高分子聚合物则赋予材料良好的支撑强度与柔韧性；
5)本发明液态金属增强导热垫片具有“液态金属/导热填料”三维骨架与高分子聚合物双连续相结构，导热填料通过液态金属桥接后形成三维导热网络通道，而三维导热网络通道之间的连续贯通孔隙由柔性高分子聚合物填充。
6)本发明封装垫片与液态金属增强导热材料的结合采用了网版印刷及真空贴合技术，能够实现导热垫片厚度的灵活控制，并有效抑制其内部产生气孔，大大降低液态金属产生溢流的风险。
7)本发明由液态金属、导热填料构建的高效三维导热通道使复合材料拥有极高的热导率，高分子聚合物则赋予材料良好的支撑强度与柔韧性。
8)本发明基于液态金属增强传热的复合热界面材料兼具高热导和防渗漏的优点，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。
附图说明
图1为本发明基于液态金属增强传热的复合热界面材料的制备方法过程示意图。
图2是实施例中液态金属增强导热垫片的三维显微组织照片。
图3为普通导热垫片第二次与液态金属增强导热垫片真空贴合时所使用的模具；
图4为本发明复合热界面材料的实物展示。
图5为导热系数测试平台的结构原理图。
图6为本发明复合热界面材料的密封性测试试验；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，实施例仅用来说明本发明，但不是对本发明保护范围构成限定。
实施例1
如图1所示，一种基于液态金属增强传热的复合热界面材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)材料准备：纯镓(纯度99.99wt％，东北有色金属公司，中国)、铬涂层金刚石粉末(平均粒径40μm，HFD-D型，河南黄河旋风公司(中国)、有机硅树脂(PDMS，Caster 1010，中国)。
(2)取液态金属镓与导热填料铬涂层金刚石粉末按照体积比1:1.6混合，置于研钵中，反复搅拌直至获得导热填料完全被液态金属润湿的充分混合物料；将所得混合物料置于恒温炉中，在200℃温度条件下保温2h，使液态金属与导热填料之间形成牢固的冶金结合。
(3)将液态金属与导热填料混合物料进行粉碎制粒、通过不同孔径的标准筛进行分级分离，得到表面包覆液态金属的细粒径导热填料颗粒，颗粒直径在100μm以下；将筛选后的细粒径颗粒粉体铺平后，以1.16×106Pa的压强(保持30min)将其压实成型，得到由液态金属裹覆互连的导热填料三维网络结构材料。
(4)将所得的带有连续空隙的三维网络结构材料置于冰箱或液氮低温环境中，使液态金属镓凝固；再将所得材料浸没于液态有机硅树脂中并置于真空炉内(真空度10Pa)，通过真空浸渗的工艺将液态高分子聚合物有机硅树脂填充到所得材料的孔隙当中。
(5)将填充有液态有机硅树脂的三维网络结构材料表面多余残留的树脂清除干净，将样品放入恒温箱内，在120℃温度条件下使高分子聚合物交联固化，时间为40min；固化后使用刀具限定其厚度为1.5mm，最后得到镓基液态金属增强导热垫片，其显微组织照片如图2所示。由图可看出，该液态金属增强导热垫片由液态金属镓与金刚石导热填料构建的三维导热网络通道以及在其空隙中填充的有机硅树脂构成。
(6)将有机硅树脂与氧化铝颗粒按照体积比1：1置于研钵中，反复搅拌直至获得高分子聚合物与导热填料充分混合的物料，随后采用0.2mm厚度的网版将上述混合物料以网版印刷的方式涂覆于塑料薄膜上，制作两份，以满足上下面的结合需求。
(7)将第一张涂覆高分子聚合物与导热填料混合物料的塑料薄膜置于上述液态金属增强导热垫片的上方，并使用橡皮泥使其悬空，并置于真空贴合机中抽真空至10Pa，随后在1.16×106Pa的压强下将其压紧结合(保持时间30min)。
(8)将样品放入恒温箱内在120℃温度条件下待有机硅树脂交联固化，固化时间为40min。
(9)将所得的液态金属增强导热垫未涂覆面朝上，把图3所示的环形槽模具放置于液态金属增强导热垫片上表面，在距离垫片外径2mm处填充一圈高分子聚合物与导热填料混合物料；随后取走模具，将第二张涂覆高分子聚合物与导热填料混合物料的塑料薄膜置于上述液态金属增强导热垫片的上方悬空，置于真空贴合机中抽真空至10Pa，再次在1.16×106Pa的压强下将其压紧结合(保持时间30min)，在压力作用下，混合物料即可覆盖在镓基液态金属增强导热垫片表面，并填充至其周围；混合物料在镓基液态金属增强导热垫片的上下面以及四周形成封装垫片。
(10)将样品放入恒温箱内在120℃温度条件下待有机硅树脂交联固化，固化时间为40min，最终可得到如图4所示的复合热界面材料。
实施例2
(1)材料准备：镓铟锡合金(镓、铟、锡质量比7：2：1，东北有色金属公司，中国)、氮化硼颗粒(粒径≈5μm，纯度99.9％，河南黄河旋风公司(中国)、环氧树脂(PDMS，Caster1010，中国)。
(2)采用磁控溅射技术在氮化硼颗粒表面镀覆金属铬薄膜，这一过程中通过超声振动平台实现氮化硼粉体的自由翻转，保证导热填料表面均覆盖金属薄膜。在本步骤中，可由真空蒸镀、化学镀、电镀等工艺方法代替磁控溅射技术，可以起到类似的效果。
(3)取液态镓铟锡合金与氮化硼导热填料按照体积比1:1.6混合，置于研钵中，反复搅拌直至获得导热填料完全被液态金属润湿的充分混合物料；将所得混合物料置于恒温炉中，在200℃温度条件下保温2h，使液态金属与导热填料之间形成牢固的冶金结合。
(4)将液态金属与导热填料混合物料进行粉碎制粒、通过不同孔径的标准筛进行分级分离，得到表面包覆液态金属的细粒径导热填料颗粒，颗粒直径在100μm以下；将筛选后的细粒径颗粒粉体铺平后，以1.16×106Pa的压强(保持30min)将其压实成型，得到由液态金属裹覆互连的导热填料三维网络结构材料。
(5)将所得的带有连续空隙的三维网络结构材料置于冰箱或液氮低温环境中，使液态镓铟锡合金凝固；再将材料浸没于液态环氧树脂中并置于真空炉内(真空度10Pa)，通过真空浸渗的工艺将液态高分子聚合物填充到材料的孔隙当中。
(6)将填充有液态环氧树脂的三维网络结构材料表面多余残留的树脂清除干净，将样品放入恒温箱内，在120℃温度条件下使高分子聚合物交联固化，时间为40min；固化后使用刀具限定其厚度为1.5mm，，得到镓基液态金属增强导热垫片。
(7)将有机硅树脂与氧化铝颗粒按照体积比1：1置于研钵中，反复搅拌直至获得高分子聚合物与导热填料充分混合的物料，随后采用0.2mm厚度的网版将上述混合物料以网版印刷的方式涂覆于塑料薄膜上，样品需制作两份以满足上下面的结合需求。
(8)将第一张涂覆高分子聚合物与导热填料混合物料的塑料薄膜置于上述液态金属增强导热垫片的上方，并使用橡皮泥使其悬空，并置于真空贴合机中抽真空至10Pa，随后在1.16×106Pa的压强下将其压紧结合(保持时间30min)。
(9)将样品放入恒温箱内在120℃温度条件下待环氧树脂交联固化，固化时间为40min。
(10)将所得的液态金属增强导热垫未涂覆面朝上，把图3所示的环形槽模具放置于液态金属增强导热垫片上表面，在距离垫片外径2mm处填充一圈高分子聚合物与导热填料混合物料；随后取走模具，将第二张涂覆高分子聚合物与导热填料混合物料的塑料薄膜置于上述镓基液态金属增强导热垫片的上方悬空，置于真空贴合机中抽真空至10Pa，再次在1.16×106Pa的压强下将其压紧结合(保持时间30min)，在压力作用下，混合物料即可在覆盖镓基液态金属增强导热垫片表面，并填充至其周围；混合物料在镓基液态金属增强导热垫片的上下面以及四周形成封装垫片。
(11)将样品放入恒温箱内在120℃温度条件下待环氧树脂交联固化，固化时间为40min，最终得到液态金属增强传热的复合热界面材料。
实施例3
(1)材料准备：纯镓(纯度99.99wt％，东北有色金属公司，中国)、铬涂层金刚石粉末(平均粒径40μm，HFD-D型，河南黄河旋风公司(中国)、有机硅树脂(PDMS，Caster 1010，中国)。
(2)取液态镓金属与金刚石导热填料按照体积比1:1.6混合，置于研钵中，反复搅拌直至获得导热填料完全被液态金属润湿的充分混合物料；将所得混合物料置于恒温炉中，在200℃温度条件下保温2h，使液态金属与导热填料之间形成牢固的冶金结合。
(3)将液态金属与导热填料混合物料进行粉碎制粒、通过不同孔径的标准筛进行分级分离，得到表面包覆液态金属的细粒径导热填料颗粒，颗粒直径在100μm以下；将筛选后的细粒径颗粒粉体铺平后，以1.16×106Pa的压强(保持30min)将其压实成型，得到由液态金属裹覆互连的导热填料三维网络结构材料。
(4)将所得的带有连续空隙的三维网络结构材料置于冰箱或液氮低温环境中，使液态金属镓凝固；再将材料浸没于液态有机硅树脂中并置于真空炉内(真空度10Pa)，通过真空浸渗的工艺将液态高分子聚合物填充到材料的孔隙当中。
(5)将填充有液态有机硅树脂的三维网络结构材料表面多余残留的树脂清除干净，将样品放入恒温箱内，在120℃温度条件下使高分子聚合物交联固化，时间为40min；固化后使用刀具限定其厚度为1.5mm，，得到镓基液态金属增强导热垫片。
(6)将环氧树脂与金刚石颗粒按照体积比1：1置于研钵中，反复搅拌直至获得高分子聚合物与导热填料充分混合的物料，随后采用0.2mm厚度的网版将上述混合物料以网版印刷的方式涂覆于塑料薄膜上，样品需制作两份以满足上下面的结合需求。
(7)将第一张涂覆高分子聚合物与导热填料混合物料的塑料薄膜置于上述液态金属增强导热垫片的上方，并使用橡皮泥使其悬空，并置于真空贴合机中抽真空至10Pa，随后在1.16×106Pa的压强下将其压紧结合(保持时间30min)。
(8)将样品放入恒温箱内在120℃温度条件下待有机硅树脂交联固化，固化时间为40min。
(9)将所得的液态金属增强导热垫未涂覆面朝上，把图3所示的环形槽模具放置于液态金属增强导热垫片上表面，在距离垫片外径2mm处填充一圈高分子聚合物与导热填料混合物料；随后取走模具，将第二张涂覆高分子聚合物与导热填料混合物料的塑料薄膜置于上述液态金属增强导热垫片的上方悬空，置于真空贴合机中抽真空至10Pa，再次在1.16×106Pa的压强下将其压紧结合(保持时间30min)，在压力作用下，混合物料即可在覆盖镓基液态金属增强导热垫片表面，并填充至其周围；混合物料在镓基液态金属增强导热垫片的上下面以及四周形成封装垫片。
(10)将样品放入恒温箱内在120℃温度条件下待有机硅树脂交联固化，固化时间为40min，最终得到液态金属增强传热的复合热界面材料。
以实施例1为例，采用导热系数测试仪(湘潭湘仪公司中国公司生产的DRL-IV型热阻测试仪)进行实验，主要采用ASTM D5470稳态热流法评估复合材料的导热系数。测试时，将热源温度设置为125℃，冷源温度设置为5℃，使得测试时样品处的平均温度为60℃。计算机系统将完成数据的采集、数据处理以及仪器的控制，实现全自动测试。测试设备的结构原理如图5所示。
将测试参数结果导出后，导热系数λS可按如下公式计算：
式中：λs——测定样品的导热系数
λcu——铜热极平均温度的导热系数
Acu——垂直于热流方向的热极截面积
As——垂直于热流方向的样品截面积
t1、t2——热电偶T1、T2的温度
t3、t4——热电偶T3、T4的温度
Ls——样品的长度
L1——热电偶1和热电偶2之间的距离
L2——热电偶2和热源端面之间的距离
经过测试可得：所述复合热界面材料的整体的导热系数为23.4W/(m·K)。
在中国发明专利CN108912683B中，其实施例1所提及的镓基液态金属增强导热垫片的导热系数为29.28W/(m·K)，本实施例中由于引入了两侧导热垫片，复合材料的整体到热性能会降低；但传统的热界面材料包括导热硅脂、相变材料和导热硅胶片等，其热导率仅为1-8W/(m·K)，本发明的复合热界面材料的导热性能虽不及直接使用液态金属增强导热垫片，但其导热性能已远远高于传统热界面材料，且与现有复合热界面材料的导热性能差距较小。
同样以实施例1为例，如图6所示，进行液态金属增强传热的复合导热垫片的防泄露测试：
1.将导热垫片徒手弯折超过45°，未发生液态金属泄露情况。
2.使用重物在导热垫片垂直方向施加载荷，所用重物为铁块，尺寸为50mm×50mm
×30mm，重量600g；将样品置于两片亚克力板间，顶部放置铁块，静置后样品未发生任何泄露。
从上述实施例可见，本发明的封装垫片设置在镓基液态金属增强导热垫片的上下面以及四周，而且通过一体的成型工艺保证了镓基液态金属增强导热垫片的密封性，有效避免了含有液态金属的复合导热热界面材料与散热基底进行直接接触，提高了安全性，可防止内部液态金属分别从导热垫片上下方以及四周泄露，并起到液态金属与散热基底之间的隔离作用，以防液态金属对散热器表面产生腐蚀。本发明由于采用了具备填充导热垫片周围功能的模具，可将高分子聚合物与导热填料混合物填充至液态金属增强导热垫片的周围，因此导热垫片不仅能够防止内部液态金属从导热垫片的上下方渗漏，避免液态金属与散热基底直接接触而发生腐蚀的问题，还能有效阻挡液态金属从导热垫片的四周溢出，完全杜绝了液态金属造成电子器件短路的风险。
本发明封装垫片作为液态金属逸流阻挡介质同时也是传热介质；而封装垫片主要是由高分子聚合物与导热填料形成；而镓基液态金属增强导热垫片也包括高分子聚合物与导热填料，这样的原料有效保证了封装垫片与镓基液态金属增强导热垫片的传热以及避免受热后应力过大的问题，导致封装垫片与镓基液态金属增强导热垫片结合不紧密以及传热不及时。
本发明镓基液态金属增强导热垫片由镓基液态金属、导热填料与高分子聚合物组成，由液态金属、导热填料构建的高效三维导热通道使复合材料拥有极高的热导率，高分子聚合物则赋予材料良好的支撑强度与柔韧性。
本发明基于液态金属增强传热的复合热界面材料兼顾高导热性能与液态金属防渗漏功能，并有效解决了中国发明专利CN108912683B中液态金属与散热器直接接触问题的，实现液态金属更好的密封，极大提高了导热材料的可用性。

Claims (10)

1.基于液态金属增强传热的复合热界面材料，其特征在于，由镓基液态金属增强导热垫片以及设置在镓基液态金属增强导热垫片上下面以及四周的封装垫片组成；所述的镓基液态金属增强导热垫片是由粒径为1-1000μm小粒径混合物料颗粒铺平后压制成型，再均匀填充高分子聚合物并交联固化所得；所述的小粒径混合物料是镓基液态金属与导热填料搅拌均匀，粉碎制粒，筛分所得；所述的封装垫片是将高分子聚合物与导热填料搅拌均匀，得混合物料；采用成型工艺将混合物料固定在镓基液态金属增强导热垫片的上下以及四周，再将高分子聚合物交联固化所得；
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；所述高分子聚合物为环氧树脂、有机硅树脂或聚氨酯树脂。
2.根据权利要求1所述的基于液态金属增强传热的复合热界面材料，其特征在于，以体积百分比计，所述的所述液态金属增强导热垫片中，镓基液态金属占5％-40％，导热填料占35％-75％，高分子聚合物占20％-60％。
3.根据权利要求1所述的基于液态金属增强传热的复合热界面材料，其特征在于，所述的导热填料为金属导热填料和/或无机非金属导热填料，导热填料的粒径为0.1-300μm；所述的均匀填充高分子聚合物是通过真空浸渗工艺将液态高分子聚合物填充到小粒径混合物料颗粒铺平后压制成型的三维网络结构材料的孔隙当中。。
4.根据权利要求3所述的基于液态金属增强传热的复合热界面材料，其特征在于，所述的金属导热填料为铜、镍、钼、钨、铜合金、镍合金、钼合金或钨合金中的一种或多种；所述无机非金属导热填料为氮化硼、氧化铝、氮化铝、氮化硅、石墨、金刚石、石墨烯和纳米碳管中的一种或多种；所述的真空浸渗工艺的真空度为1-1000Pa。
5.根据权利要求1所述的基于液态金属增强传热的复合热界面材料，其特征在于，所述的采用成型工艺将混合物料固定在镓基液态金属增强导热垫片的上下以及四周通过如下方法实现：
将高分子聚合物与导热填料置于混料机中，反复搅拌，直至高分子聚合物与导热填料充分混合，得到混合物料；采用网版印刷工艺将混合物料涂覆于塑料薄膜上；将第一张涂覆混合物料的塑料薄膜置于的镓基液态金属增强导热垫片的上方；真空压制成型，实现液态金属增强导热垫片与第一面封装垫片结合；
将镓基液态金属增强导热垫片结合第一面封装垫片的像对面朝上，在镓基液态金属增强导热垫片的外周设置环形槽模具，在环形槽模具中填充混合物料；将另一张涂覆高分子混合物料的塑料薄膜置于镓基液态金属增强导热垫片的上方，真空压制成型，将混合物料在镓基液态金属增强导热垫片的上表面和四周与封装垫片结合。
6.根据权利要求5所述的基于液态金属增强传热的复合热界面材料，其特征在于，所述的真空压制是在真空贴合机内先制造真空环境，并在压强作用下将混合物料贴在镓基液态金属增强导热垫片上；所述的环形槽的空心环形的宽度为2～5mm。
7.根据权利要求6所述的基于液态金属增强传热的复合热界面材料，其特征在于，所述的压强为10kPa-500kPa，保持时间为0.1min-60min；真空贴合机抽取的真空度为1-1000Pa。
8.根据权利要求5所述的基于液态金属增强传热的复合热界面材料，其特征在于，所述的网版印刷工艺的网版厚度为0.1-1mm。
9.根据权利要求1所述的基于液态金属增强传热的复合热界面材料，其特征在于，所述的交联固化的温度为20℃-200℃，保持时间为0.1min-60min。
10.权利要求1-9任一项所述的基于液态金属增强传热的复合热界面材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将镓基液态金属与导热填料搅拌均匀；粉碎制粒，筛分，得粒径为1-1000μm小粒径混合物料颗粒；
2)将所述的小粒径混合物料颗粒铺平，压制成型，得液态金属/导热填料三维网络结构材料；通过真空浸渗工艺将液态高分子聚合物填充到所述液态金属/导热填料三维网络结构材料的孔隙当中；交联固化后获得镓基液态金属增强导热垫片；
3)将高分子聚合物与导热填料搅拌均匀，得到高分子聚合物与导热填料混合物料；采用成型工艺将高分子聚合物与导热填料混合物料固定在镓基液态金属增强导热垫片的上下以及四周，将高分子聚合物交联固化，得基于液态金属增强传热的复合热界面材料。
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