一种热界面材料及其制备方法与流程

本发明涉及散热材料技术领域，尤其涉及一种用于散热器的热界面材料及其制备方法。

背景技术：

目前的热界面材料主要采用导热硅脂，导热硅脂俗称散热膏，导热硅脂以有机硅酮为主要原料，添加耐热、导热性能优异的颗粒材料，制成的导热型有机硅脂状复合物，用于功率放大器、晶体管、电子管、cpu等电子元器件的导热及散热，从而保证电子仪器、仪表等的电气性能的稳定。

但是导热硅脂导热颗粒的热膨胀系数小，有机物的热膨胀系数大，有机物和导热颗粒的热形变差异大，导致在使用过程中两者之间因剥离内部形成众多空隙或孔洞，复合材料的热量传导能力下降。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于的热界面材料及其制备方法，以解决现有技术中导热硅脂导热颗粒的热膨胀系数小，有机物的热膨胀系数大，有机物和导热颗粒的热形变差异大，导致在使用过程中两者之间因剥离内部形成众多空隙或孔洞，复合材料的热量传导能力下降的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于散热器的热界面材料，所述热界面材料包括：

基底材料层，采用正热膨胀系数材料或负热膨胀系数材料制成；

第一接触层，覆盖于基底材料层的一面并与热源接触；

第二接触层，覆盖于基底材料层的另一面并与散热器接触；

掺杂材料，混合于基底材料层中，掺杂材料的热膨胀系数与基底材料层的热膨胀系数的数值相反，且掺杂材料的浓度由基底材料层的中心面分别向第一接触层、第二接触层呈预设梯度递增。

作为本发明的进一步改进，所述基底材料层采用有机材料制成，包括硅烷、聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂中的一种或多种。

作为本发明的进一步改进，所述掺杂材料包括锰三相合金、反钙钛矿、硅酸盐、钨酸盐、钼酸盐、理霞石、钒酸锆、钨酸锆中的一种或多种。

作为本发明的进一步改进，所述掺杂材料的浓度的递增区间为(0％,50％]。

作为本发明的进一步改进，所述第一接触层与所述第二接触层的厚度范围均为0.1微米至4.0微米。

作为本发明的进一步改进，所述基底材料层的厚度范围为1.0微米至200.0微米。

作为本发明的进一步改进，所述热界面材料还包括均匀混合于所述基底材料层中的导热材料，所述导热材料包括氮化铝、氮化硅、碳化硅中的一种或多种。

作为本发明的进一步改进，所述基底材料层中还添加有固化剂，所述固化剂与所述基底材料层的质量比范围为1:1.1至1:1.4。

作为本发明的进一步改进，所述基底材料层中还添加有表面张力调节剂，所述表面张力调节剂的质量百分比范围为0.5％至6％。

为了解决上述问题，本发明还提供一种热界面材料的制备方法，其包括如下步骤：

将所述基底材料等分为预设份数；

按照预设梯度浓度依次在每一份基底材料中加入掺杂材料；

在每一份基底材料中分别加入等质量的导热材料，形成混合材料；

分别将每一份混合材料进行流延成型为预设厚度的流延膜；

按照所述预设梯度浓度依次叠加贴合每一份流延膜，形成一份半成品；

将两份所述半成品各自浓度最低的一面相互贴合，固化后形成热界面材料本体；

分别在所述热界面材料本体的两面上涂覆或贴片低熔点合金作为第一接触层和第二接触层，固化后形成所述热界面材料。

本发明通过在基底材料中混合掺杂材料，且掺杂材料的浓度由所述基底材料层的中心面分别向所述第一接触层、所述第二接触层呈预设梯度递增，保证了热界面材料在热源温度较高时，有机物和导热颗粒的热形变差异小，避免了有机物和导热颗粒发生剥离形成内部孔洞导致热量传导能力下降，使得热界面材料的性能稳定，使用寿命长。

附图说明

图1为本发明用于散热器的热界面材料一个实施例的结构示意图；

图2为本发明用于散热器的热界面材料的制备方法一个实施例的流程示意图；

图3为本发明用于散热器的热界面材料的制备方法一个实施例的流程示意图；

图4为本发明用于散热器的热界面材料的制备方法一个实施例的界面接触热阻的测试结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用来限定本发明。

图1展示了本发明用于散热器的热界面材料的一个实施例，参见图1，在本实施例中，所述热界面材料包括基底材料层1、第一接触层2、第二接触层3和掺杂材料4。

其中，基底材料层1采用正热膨胀系数材料或负热膨胀系数材料制成，第一接触层2覆盖于基底材料层1的一面并与热源接触；第二接触层3覆盖于基底材料层1的另一面并与散热器接触；掺杂材料4混合于基底材料层1中，掺杂材料4的热膨胀系数与基底材料层1的热膨胀系数的数值相反，且掺杂材料4的浓度由基底材料层1的中心面分别向第一接触层2、第二接触层3呈预设梯度递增。

需要说明的是，基底材料层的中心面为穿过基底材料层的中点，并与基底材料的上表面、下表面均平行的虚拟面，虚拟面不一定真实存在，其用于方便描述掺杂材料4的浓度呈梯度递增。

具体地，若基底材料层采用正膨胀系数材料制成，则掺杂材料采用负膨胀系数材料制成；若基底材料层采用负膨胀系数材料制成，则掺杂材料采用正膨胀系数材料制成。

优选地，基底材料的膨胀系数数值与掺杂材料的膨胀系数数值之和约为零，以保证热界面材料受热时不会大幅度膨胀或大幅度缩小。

优选地，掺杂材料4的浓度包括第一梯度41(5wt％)、第二梯度42(10wt％)、第三梯度43(15wt％)、第四梯度44(20wt％)、第五梯度45(25wt％)。

具体地，所述基底材料层1为有机材料，包括硅烷、聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂中的一种或多种。

进一步地，所述掺杂材料4包括锰三相合金、反钙钛矿、硅酸盐、钨酸盐、钼酸盐、理霞石、钒酸锆、钨酸锆中的一种或多种。

进一步地，所述掺杂材料4的浓度的递增区间为(0％至50％]。

进一步地，第一接触层2与第二接触层3的厚度范围均为0.1微米至4.0微米。

进一步地，所述基底材料层1的厚度范围为1.0微米至200.0微米。

进一步地，所述热界面材料还包括均匀混合于基底材料层1中的导热材料，导热材料包括氮化铝、氮化硅、碳化硅中的一种或多种。

进一步地，所述基底材料层1中还添加有固化剂，固化剂与基底材料层1的质量比范围为1:1.1至1:1.4。

进一步地，所述基底材料层1中还添加有表面张力调节剂，表面张力调节剂的质量百分比范围为0.5％至6％。

本实施例通过在基底材料层1中混合掺杂材料4，且掺杂材料4的浓度由所述基底材料层1的中心面分别向所述第一接触层2、所述第二接触层3呈预设梯度递增，保证了热界面材料在热源温度较高时，有机物和导热颗粒的热形变差异小，避免了有机物和导热颗粒发生剥离形成内部孔洞导致热量传导能力下降，使得热界面材料的性能稳定，使用寿命长。

图2和图3展示了本发明用于散热器的热界面材料的制备方法的一个实施例，参见图2，在本实施例中，所述制备方法包括如下步骤：

步骤s1，在环氧树脂中分别加入第一预设质量比的固化剂、第二预设质量比的表面张力调节剂、第三预设质量比的黏度调节剂，形成基底材料。

步骤s2，将所述基底材料等分为预设份数。

步骤s3，按照预设梯度浓度依次在每一份基底材料中加入掺杂材料。

步骤s4，在每一份基底材料中分别加入等质量的导热材料，形成混合材料。

步骤s5，分别将每一份混合材料进行流延成型为预设厚度的流延膜。

步骤s6，按照所述预设梯度浓度依次叠加贴合每一份流延膜，形成一份半成品。

步骤s7，将两份所述半成品各自浓度最低的一面相互贴合，固化后形成热界面材料本体。

步骤s8，分别在所述热界面材料本体的两面上涂覆低熔点合金作为第一接触层和第二接触层，固化后形成所述热界面材料。

具体地，参见图3，本实施例热界面材料的制备方法具体实施方式为如下：

步骤s101，优选e51环氧树脂为基体，确保环氧树脂基本有更好的固化性能和更佳的机械性能。

步骤s102，加入固化剂mhhpa，控制环氧树脂与固化剂的比例在1.1:1至1.4:1。

步骤s103，添加占基体总质量0.5wt％至6wt％的表面张力调节剂，所述表面张力调节剂包括共溶剂、表面活性剂、调节表面张力的小分子化合物中的一种或多种。其中，调节表面张力的小分子化合物包括咪唑及其衍生物、苯酚、对苯二酚。

步骤s104，添加质量分数含量范围为0.1％至5％的黏度调节剂，所述黏度调节剂包括醇、醚、酯、酚、胺中的一种或多种。

步骤s105，添加占基本总质量0.2wt％至0.6wt％的促进剂2e4mz-cn以加速固化，形成处理后环氧树脂。

步骤s106，将上述的处理后环氧树脂分为5等份。

步骤s107，分别在每一份处理后环氧树脂加入占总质量5wt％、10wt％、15wt％、20wt％、25wt％的掺杂材料mnnige合金，所述掺杂材料还包括锂霞石(lialsio4)、zrv2o7(钒酸锆)、钨酸锆(zrw2o8)中的一种或多种。

具体地，mnnige合金采用高纯度mn、ni和ge为原料，按化学计量比称取锰粉、镍粉和锗粉，充分研磨后装入自制模具中，利用液压机在10t的压力下保压2min压成片。之后放置于真空烧结炉在氩气保护下进行烧结，升温速率为10℃/min，升至800℃保温5h，随炉冷却，取出样品，放在研钵中再次研磨、压片和烧结，升温速率为10℃/min，升至1000℃保温5h，随炉冷却。

需要说明的是，烧结之后由于马氏体相变，产生很大的晶格收缩，成相的mnnige降至室温后自然破碎为尺寸较大的粉末状样品。

进一步地，将所得粉体放置于不锈钢球磨罐中(为防止粉末被氧化，球磨罐中充有惰性保护气体氩气)，进行球磨处理，以氧化锆球为陪磨球(料球比为1：2)、无水乙醇为球磨介质，球磨机转速为400转/分钟，球磨时间为1h，球磨结束后将球磨罐内的物质真空干燥以去除无水乙醇，干燥条件为-0.1mpa、40℃，干燥时间为8h，并将干燥后的粉体过400目筛，得到负热膨胀系数较大的mnnige合金。

需要说明的是，lialsio4、zrv2o7、zrw2o8具有负热膨胀系数，但相比于mnnige合金的负热膨胀系数要高，为了使混合材料具有接近0的热膨胀系数，需要加入较大的量，但在实际应用中，较少的添加量有利于保持环氧树脂的优异性能。

步骤s108，加入掺杂材料的同时加入占总质量10wt％的导热材料颗粒sic，在混料机中以及真空条件下混合至完全均匀的状态。

优选地，在混合状态中保持真空状态，以使浆料混合过程中形成的气泡排出。

步骤s109，采用流延成型分别制备出五份厚度为10微米至200微米厚的流延膜：掺杂材料为5wt％的1号流延膜、掺杂材料为10wt％的2号流延膜、掺杂材料为15wt％的3号流延膜、掺杂材料为20wt％的4号流延膜、掺杂材料为25wt％的5号流延膜。

步骤s110，将每一个流延膜按掺杂材料的质量百分比从低到高往两个相对的方向叠加，即掺杂材料的浓度以极低材料为中心面向两边梯度递增。

步骤s111，将叠加后的流延膜放置于模具中，将模具置于160℃的干燥箱中进行时长为3h的固化，经固化后脱模即得到热界面材料本体。

步骤s112，在热界面材料本体的两个面上分别涂覆第一接触层和第二接触层，其中，第一接触层和第二接触层均为低熔点材料。

优选地，低熔点材料为：52in+48sn(52份铟+48份锡的铟锡合金，下同)、80sn+10bi+5zn、63sn+37pb、91.2sn+8.8zn中的一种。

优选地，可以采用涂覆的方法制成接触层，也可以将合金先成型为薄片，在粘贴在混合材料上共同形成热界面材料。

进一步地，本实施例采用导热测试仪对制备得到的热界面材料的导热率进行测试：

将制备好的混合材料加工成25.4×25.4mm大小的方块薄片，上下两面均匀地涂抹导热膏，然后放置于测试平台加压进行测试，测试结果计算机自动数据撷取。测试5个样品取平均值为0.83wm^-1k^-1，而室温下掺杂等量的导热材料颗粒sic的环氧树脂的热导率仅为0.42wm^-1k^-1，由此得出本方案制备的热界面材料的热导率提高了1倍。

进一步地，本实施例还采用拉伸测试仪对制备得到的热界面材料的剪切强度进行测试：

将为固化的热界面材料均匀涂抹于两块钢板之间进行固化搭接，钢板之间的重叠长度、搭接宽度和混合材料胶层厚度分别保持在12.5毫米、25毫米和(0.1至0.5)毫米。测试5个样品取平均值为29.63mpa，而室温下掺杂等量的导热材料颗粒sic的环氧树脂的剪切强度仅为7.26mpa，本方案制备的热界面材料的剪切强度提高接近4倍。

进一步地，本实施例还采用稳态法对制备得到的热界面材料的界面接触热阻进行测试：

以铜热盘和铜冷盘分别模拟热源和热沉材料，在铜热盘和铜冷盘的不同厚度位置上分别设置有温度传感器温度，根据通过界面导热材料样品的总热量和铜热盘、铜冷盘表面温度计算界面接触热阻。设定测量条件为：样品厚度为0.2mm，压力0.4mpa，温度分别为80℃、100℃和120℃，测试结果分别为：0.1562k·cm²/w、0.1424k·cm²/w、0.1398k·cm²/w。在相同条件下，掺杂等量的导热材料颗粒sic的环氧树脂的测试结果为：0.2312k·cm²/w、0.2114k·cm²/w、0.2074k·cm²/w。

为了验证该界面材料的应用可靠性，以热端恒温120℃对界面材料进行240h的界面接触热阻老化试验，测试采用0.4mm厚的样品，样品压力设置为0.4mpa。测试结果如图4。

如图4所示，热界面材料在长周期的老化试验过程中的界面接触电阻处于稳定状态，稳定在0.225-0.235k·cm²/w之间。由此可知，本实施例的热界面材料在120℃下240h周期内的界面接触电阻稳定可靠。

以上对发明的具体实施方式进行了详细说明，但其只作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施方式。对于本领域的技术人员而言，任何对该发明进行的等同修改或替代也都在本发明的范畴之中，因此，在不脱离本发明的精神和原则范围下所作的均等变换和修改、改进等，都应涵盖在本发明的范围内。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除