一种具有低表面张力和优异热导率的液态金属热界面材料

来源 | jmr&t Journal of Materials Research and Technology

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背景介绍

热管理对于芯片、发光二极管(LED)、5G通信等电子电气设备的发展至关重要。电子器件产生的热量必须迅速运走，从而防止设备运行过程中出现故障。由于器件之间表面接触不完全，因此在热源与散热器的界面处总是出现气隙，此时空气的导热系数(Tc)仅为0.026 W/(mK)，阻碍了热量从热源向散热器的有效传递。通过应用热界面材料(TIMs)填充气隙，可以降低界面处的接触电阻。

由于聚合物低的固有导热系限制了材料的应用，因此聚合物基TIMs通过填充导热颗粒以提高材料的导热性能，常见的导热填料如AlN (360 W/(mK))，BN(250-300W/(mK))，碳纤维(1100 W/(mK))，碳纳米管(3000 W/(mK))和石墨烯(5300 W/(mK))。镓(Ga)基液态金属(LM)由于其高导热性而引起了热管理领域的广泛关注，LM也被应用于电子领域的TIMs。

然而，LM的表面张力过高，无法湿润热源和散热器的表面，并且LM泄漏导致器件短路的风险很大。因此，芯片表面涂漆困难和漏电引起的短路成为液态金属应用的瓶颈。目前研究人员采用Cu、Fe、Ni、Mg、Ag、W等金属颗粒作为填料，以减少泄漏，提高LM的导热系数。但是，目前报道的大多数金属颗粒会形成金属间化合物，导致LM基TIM失效。

在LM中填充高导热半导体，如金刚石和Al2O3，可以提高粘度和导热性，同时也可以解决LM泄漏问题。然而，BN与液态金属复合材料尚未成功制备，这可能是由于Ga的高表面张力与BN的低表面能不匹配。为了克服LM的高表面张力问题，目前的研究重点是利用氧化镓(Ga2O3)降低LM的表面张力，但这会降低LM的导热系数。因此如何调节表面张力而且不影响LM的导热系数是目前的研究方向之一。

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成果掠影

近期，

天津理工大学赵云峰教授、苏州泰吉诺新材料有限公司李兆强联合河北工业大学邓齐波教授在制备具有低表面张力和优异热导率的LM取得新进展。

高表面张力使得LM和填料难以很好地混合以制备用于热界面应用的复合浆料。该团队研究发现掺杂钨(W)纳米粒子可以使LM在氮化硼(BN)丸表面的接触角从133°降低到105°，表明掺杂W纳米粒子可以降低LM的表面张力。LM、W和BN的加入顺序会影响复合材料的最终形态，而W纳米粒子必须先与LM (LM+W)混合才能得到复合浆料(LM +W-BN)。相比之下，其他添加序列或不添加W纳米颗粒只能得到复合粉末。LM +W-BN的导热系数高达14.49 W/(mK)，并对LM +W-BN材料在压力、高温、热冲击和高湿条件下的稳定性进行了详细研究，样品具有良好的

综合

性能。通过在发光二极管(LED)模块中的应用，LM +W-BN浆料显示出作为热界面材料(TIM)的优异热管理能力。这种方法也被扩展到其他导热填料，包括碳纤维和石墨烯。这项工作提供了一种简单的方法来降低LM表面张力，也可能使其他填料的结合，扩大LM的使用，如集成电路和柔性电子产品。

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

该成果是苏州泰吉诺新材料有限公司在高性能热界面材料产学研方面的一个缩影，泰吉诺将坚守企业责任，以客户需求为导向，不断在高性能热界面材料领域开展前沿研究，为客户提供性能更优良的原创产品。

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图文导读

图1.液态金属的制备流程示意图。

 

图2.(a)理想固体基质上的一滴液体，(b) BN，(c) BN + W，(d) W，(e) BN-LM- W液态金属的润湿角。

 

图3.不同倍数的 LM-BN-W的SEM微观结构以及EDS能谱。

 

图4.不同倍数的 LM+W-BN的SEM微观结构以及EDS能谱。

图5.(a)不同复合材料的导热系数图，(b)LM+W-BN复合材料的导热系数BN含量为0-12 wt%，(c) BN含量为0-12 wt%时LM+W-BN复合材料的热阻，(d)LM+W-BN复合材料的导热系数的温度依赖性。

 

图6.(a) LM- CF的SEM图像，(b) LM + W-CF的SEM图像，(c) LM- CF和 LM + W-CF复合材料的导热系数，(d) LM- CF和 LM + W-CF复合材料的热阻。

 

图7.(a) LM- GR的SEM图像，(b) LM + W-GR的SEM图像，(c) LM- GR和 LM + W-GR复合材料的导热系数，(d) LM- GR和 LM + W-GR复合材料的热阻。

 

图9.(a)高温， (b)热冲击， (C)高温高湿条件下LM+W-BN材料3周的老化实验图。

 

图10.(a)不加TIM、LM- BN和LM+ W-BN时的LED芯片温度变化情况，(b)不加TIM、LM- BN和LM+ W-BNN时的表面温度变化情况。

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审核编辑 黄宇