一种基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及热传导设备技术领域。更具体地，涉及一种基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面。


背景技术：

2.随着微电子信息产业的进步和发展，5g时代悄然到来，芯片趋于高集成、大密度、小型化封装，发热密度急剧增加，散热技术成为制约领域发展的关键瓶颈。如果解决不好电子器件的热传导问题，会直接影响性能稳定、降低处理速度、增加功率耗散、减少使用寿命。
3.在实际应用中，小尺寸的发热器件往往需要贴合更大面积、更高换热效率的散热部件(如翅片、热沉、热管、冷板、均热板等)强化传热。然而，由于各自表面的平整度和粗糙度差异，二者通常难以完全匹配，其间隙处的微尺度空气(热导率仅约0.024w m
‑1k
‑1)会造成非常大的接触热阻，严重阻滞热量传递。
4.热界面(英文名thermal interface material，简称tim)是施加在发热器件与散热部件之间降低接触热阻(作为中间层替代接触界面间隙处空气)的材料总称，主要包含导热硅脂、导热衬垫、导热胶、导热膏、相变材料、石墨片等类型。虽然其导热性能(普遍报道的热导率范围约0.5～40w m
‑1k
‑1)较空气大幅提升，但远未达到散热部件(通常为铜、铝等金属材质，铜热导率约400w m
‑1k
‑1，铝热导率约235w m
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‑1)量级。即使目前最先进的液态金属热界面(申请公布号cn 101338181 a、cn 106222490 a、cn 106929733 a、cn 107052308 a、cn110330943 a)，在历经混合、掺杂、改性、烧结、熔炼、渗铸、冷轧等复杂制备或调控工序后，热导率也未超过100w m
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‑1。因此，就整个散热系统而言，tim仍然是传热阻力所在。
5.同时，现有液态金属热界面均为“外置式”封装，独立于发热器件和散热部件，给整体系统带来额外的成本负担、装配难度和运维风险，例如：需要大量添加助剂改善液态金属的分散、流动或导热性能(申请公布号cn 107350663 a、cn 108192576 a、cn 108129841 a、cn 110330943 a)，需要严格控制涂抹工艺保障接触界面均匀贴合(申请公布号cn 111945159 a)，需要极力阻止组分熔化侧漏造成短路事故(申请公布号cn 106884107 a、cn 106957980 a、cn107053786 a、cn 107513377 a)等。
6.因此，需要提供一种可以避免“外置式”封装带来的成本负担、装配难度和运维风险，并且具有高导热效率的热界面。


技术实现要素：

7.本发明的一个目的在于提供一种基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面，该热界面中液态金属直接封装至散热部件主体表面，受热熔化时可自动填充接触空隙，与发热器件紧密贴合，实现快速均温，获得接近散热部件主体材质的超高导热效率。
8.本发明的另一个目的在于提供一种基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面的制备方法。
9.本发明的又一个目的在于提供一种基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面的应用。
10.热界面是指施加在发热器件与散热部件之间，作为中间层替代接触界面间隙处空气用以降低接触热阻的材料总称，主要包含导热硅脂、导热衬垫、导热胶、导热膏、相变材料、石墨片等类型。
11.液态金属是指呈现不定型、可流动液体状态的金属，可看作由正离子流体和自由电子气体组成的混合物，例如汞、镓、铟、铷、铯等低熔点金属及其合金等，通常具有优异的热学性能和电学性能。
12.为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
13.一种基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面，包括散热部件主体表面和形成于散热部件主体表面的微纳米复合结构；所述微纳米复合结构包括微米乳突阵列和液态金属，其中液态金属封装在微米乳突阵列间隙。
14.为突破现有热界面材料的导热性能极限，同时大幅减轻因“外置式”设计带来的成本负担、装配难度和运维风险，本发明通过调控散热部件主体表面微米乳突阵列的浸润性质，将液态金属直接封装至微米乳突阵列的间隙中，得到与散热部件一体化的热界面。
15.将本发明中的热界面与发热器件紧密装配后，常温下为固态的封装液态金属受热熔化呈液态，体积略微膨胀，在间隙中流动并快速填充接触空隙(自适应)以排除空气，大幅降低热阻；同时，液态金属受热发生固
‑
液相变时会伴随瞬时潜热吸收，温度维持在熔点附近，实现快速均温；由于微纳米复合结构中微米乳突阵列仍属散热部件主体，所述热界面最终可获得接近散热部件主体材质的超高导热效率。以最常见的紫铜散热板为例，本发明所述热界面能普遍实现370wm
‑
1 k
‑1以上的热导率，远高于现有热界面材料(不到100w m
‑1k
‑1)。
16.同时，本发明中液态金属是内封装在热界面中的，防漏效果好，性能稳定。“内置式”封装设计本身是对液态金属与复杂外环境的隔绝与保护；此外，微米乳突阵列超亲液态金属的浸润性质以及随散热部件安装时的固有边界压力等共同阻碍液态金属的侧漏流失，杜绝短路隐患。
17.在实际的应用中，散热部件与发热器件可以是完全独立分开的，但某些发热器件(如cpu、gpu、mapu等芯片)实际上自带散热外壳，本领域技术人员可以理解的是，在发热器件自带的散热外壳表面显而易见也是可以设置与本发明同样形式或功能的热界面的，本发明对于散热部件与发热器件的连接形式不作限定。
18.优选地，单个微米乳突的高度为5μm～500μm，当量直径为10μm～1000μm，相邻微米乳突的间距为10μm～1000μm。
19.优选地，单个微米乳突的高度为10μm～400μm，当量直径为30μm～800μm，相邻微米乳突的间距为30μm～800μm。
20.更优选地，单个微米乳突的高度为30μm～300μm，当量直径为50μm～500μm，相邻微米乳突的间距为50μm～500μm。
21.进一步优选地，单个微米乳突的高度为50μm～200μm，当量直径为100μm～200μm，相邻微米乳突的间距为100μm～200μm。
22.优选地，所述微米乳突表面具有颗粒状、团簇状、纤维状或褶皱状纳米形貌；微米乳突表面具有的纳米形貌可以增大液态金属封装时的黏附力，使液态金属完全浸润微米乳
突表面。
23.优选地，所述颗粒状或团簇状纳米形貌的直径为5nm～500nm，所述纤维状纳米形貌的长度为5nm～500nm，所述褶皱状纳米形貌的厚度为5nm～500nm。
24.更优选地，所述颗粒状或团簇状纳米形貌的直径为10nm～400nm，所述纤维状纳米形貌的长度为10nm～400nm，所述褶皱状纳米形貌的厚度为10nm～400nm。
25.进一步优选地，所述颗粒状或团簇状纳米形貌的直径为30nm～300nm，所述纤维状纳米形貌的长度为30nm～300nm，所述褶皱状纳米形貌的厚度为30nm～300nm。本发明中微米乳突的高度决定了微米乳突阵列间隙中封装的液态金属的厚度，基于工艺技术，可以获得厚度在5μm～500μm的液态金属，这是“外置式”热界面无法实现的超薄厚度，因此用料俭省，成本更低廉。
26.相邻微米乳突的间距为10μm～1000μm，本领域技术人员可以理解的是，该间距决定了微米乳突阵列中间隙的大小。
27.优选地，所述液态金属的熔点高于室温但低于发热器件的稳定运行温度。这样热界面中的液态金属在常温下为固态，在工作状态时则转化为液态，排除气体且相变吸热，实现降低热阻、快速匀温，并获得超高导热效率。
28.优选地，所述液态金属选自镓、铟、锡、铋或其合金，或其与其他金属、其他金属的氧化物、非金属或非金属氧化物的掺杂混合物；所述其他金属选自铜、铝、金、银、钨、铑或铱，所述非金属为碳或硅。
29.进一步优选地，所述碳包括但不限于金刚石、石墨烯或碳纳米管等。
30.本发明中液态金属中掺杂其他物质的目的是为了调节其熔点，使其可以满足常温下固态，工作状态下液态。为了与不同运行温度的发热器件相匹配，在实际应用中，所述掺杂混合物中各元素的组成和配比为符合要求的任意组成和配比。
31.本发明中液态金属的掺杂其他物质只是为了调节其熔点，相对现有技术中需要添加昂贵的助剂来改善液态金属的性能来说，成本更低廉。
32.优选地，所述微米乳突阵列的间隙全部被液态金属填充。为了最大限度的排除热界面与发热器件中的空气，所述液态金属的封装液位与微米乳突的高度持平，即间隙全部被液态金属填充，保证热界面的平整，误差不超过
±
0.5mm。
33.优选地，所述微米乳突阵列的表面具有超亲液态金属的浸润性质，即在空气或无氧环境中对液态金属微滴的静态接触角小于10
°
，受液态金属润湿后微米乳突阵列表面形成均匀的液态金属层。
34.优选地，所述述散热部件主体材质包括铜或其合金、铝或其合金、金、银、铁或其合金或不锈钢、硅或其氧化物或其掺杂半导体；所述散热部件具体形式包括但不限于翅片、热沉、热管、冷板、均热板等。
35.一种如上所述基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面的制备方法，包括如下步骤：散热部件主体表面刻蚀形成微米乳突阵列、微米乳突阵列浸润性质的调控、液态金属的封装。
36.优选地，散热部件主体表面刻蚀形成微米乳突阵列的刻蚀方法包括但不限于电化学腐蚀、化学腐蚀、3d打印、等离子体刻蚀、光刻技术或激光一体化刻蚀等。其中，能较大范围满足所述微米乳突阵列尺寸要求的技术方案为激光一体化刻蚀，参见申请人已授权专利
(申请公布号cn 109974512 a)。
37.本发明中调控微米乳突阵列浸润性质的目的在于使散热部件主体表面的微米乳突结构获得超亲液态金属(易于浸润铺展)的性质，以便液态金属均匀浸润微米乳突并完全填充阵列间隙。优选地，微米乳突阵列浸润性质的调控方法包括但不限于化学试剂改性、功能介质沉积、等离子体处理、臭氧处理或紫外光照等。
38.进一步优选地，所述化学试剂改性使用的化学试剂包括但不限于，例如氢氧化钠、氢氧化钾、氢氟酸、硫酸、硝酸、盐酸、醋酸、过氧化氢、过硫酸钠、有机硅烷、离子液体等。优选地，功能介质沉积的方法包括但不限于如化学气相沉积、物理气相沉积、真空蒸镀或原子层沉积等。
39.优选地，所述液态金属封装包括以下步骤：将微米乳突阵列预热，将熔化状态的液态金属浸润填充至微米乳突阵列间隙中，然后降温固化完成液态金属的封装；
40.优选地，将微米乳突阵列预热至高于液态金属熔化温度20℃及以上，可防止因液态金属部分或完全固化而干扰或阻滞其在阵列间隙中的浸润填充。
41.当液态金属为金属单质或合金时，熔化后可以直接进行浸润过程；若液态金属为掺杂混合物时，则需要先将金属单质或合金加热熔化，然后补充待掺杂的其他金属或非金属物质，同时利用物理研磨或机械搅拌等方法使充分均匀混合后使用。
42.优选地，所述液态金属浸润填充的方法包括但不限于自然浸润填充、真空或压力辅助浸润填充、光或电或磁的诱导浸润填充等。
43.优选地，降温固化的温度至少要低于液态金属凝固温度5℃，确保液态金属的完全固化。
44.本发明提供的基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面明确适合传统“外置式”热界面所涉及的任意使用场合，可广泛满足电子信息、航天热控、先进能源等领域的应用需求。
45.本发明的有益效果如下：
46.本发明提供的基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面，该热界面中液态金属直接封装至散热部件主体表面，受热熔化时可自动填充接触空隙与发热器件紧密贴合，快速均温，获得接近散热部件主体材质的超高导热效率。
47.同时，该热界面成本低廉、拆装方便、性能稳定、防漏效果好、可应用于任意场景，匹配不同的散热部件，因此，具有良好的应用前景。
附图说明
48.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
49.图1示出基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面散热系统示意图。
50.图2示出基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面宏观表面示意图。
51.图3示出微纳米复合结构微区放大剖面主视图。
52.图4示出微纳米复合结构微区放大表面俯视图。
具体实施方式
53.为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说
明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
54.本发明实施例中制备得到的基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面的结构如图1
‑
4所示，其中，1
‑
热界面；2
‑
散热部件；3
‑
发热器件；4
‑
散热部件主体表面；5
‑
微纳米复合结构；6
‑
微米乳突；7
‑
微米乳突阵列间隙；8
‑
液态金属。
55.实施例1
56.选取厚度2mm紫铜(热导率约400w m
‑1k
‑1)板为散热部件，使用单质镓(熔点约30℃，热导率约29w m
‑1k
‑1)为内封装液态金属，制备了一系列基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面，具体方案如下：
57.在2cm
×
2cm区域内通过激光一体化刻蚀微米乳突阵列，其中，微米乳突的高度分别约5μm、15μm、25μm、35μm、45μm，圆柱状微米乳突当量直径约30μm，微米乳突表面的褶皱状纳米形貌的厚度约500nm，相邻微米乳突间距约为30μm。配制1.0mol l
‑1氢氧化钠溶液调控微米乳突阵列浸润性质，在50℃恒温水浴加热(比液态金属熔化温度高20℃)环境下电诱导(直流电压5.0v)单质镓浸润填充微米乳突阵列间隙，均匀封装后在25℃室温(比液态金属凝固温度低5℃)环境下自然降温固化12h。
58.本实施例所述基于液态金属浸润的内封装自适应型均温系列热界面在温度50℃环境下测试获得的热导率分别为394.0w m
‑1k
‑1、393.2w m
‑1k
‑1、392.7w m
‑1k
‑1、391.8w m
‑1k
‑1、390.8w m
‑1k
‑1。
59.本实施例所制备基于液态金属浸润的内封装自适应型均温系列热界面在50℃环境下均可3s内完成所述2cm
×
2cm区域的温度均匀分布，与长宽高2cm
×
2cm
×
0.5mm的单晶硅片(模拟发热器件)简单机械紧固(100g砝码重压)后，置于50℃恒温干燥箱中持续受热12h均未见液态金属侧漏渗出。
60.本实施例所述散热部件主体材质为最常用的紫铜(即纯铜)，液态金属为最简单的镓单质，内封装液态金属仅形成厚度低于50μm的超薄层，充分体现本发明用料俭省、成本低廉等优势。
61.实施例2
62.选取厚度2mm紫铜板为散热部件，使用铟锡铋合金(铟50％、锡20％、铋30％，熔点约60℃)为内封装液态金属，通过掺杂不同质量比重0:10、1:9、3:7、5:5的金刚石碳粉(平均粒度50μm，热导率约500w m
‑1k
‑1)制备了一系列基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面，具体方案如下：
63.在3cm
×
3cm区域内通过3d打印制备微纳米乳突阵列，其中，微米乳的高度为200μm，圆锥状微米乳突当量直径约100μm，微米乳突表面的颗粒状纳米形貌的直径约50nm，相邻微米乳突间距约为150μm。配制1.0mol l
‑1盐酸调控微米乳突阵列浸润性质，在100℃恒温油浴加热环境下将所述不同质量比重0:10、1:9、3:7、5:5铟锡铋合金和掺杂金刚石碳粉利用500r/min机械搅拌均匀混合2h，得到预制的液态金属掺杂混合物。在80℃恒温水浴加热(比液态金属熔化温度高20℃)环境下真空辅助(真空度100pa)所述液态金属掺杂混合物浸润填充微米乳突阵列间隙，均匀封装后在0℃冷藏(比液态金属凝固温度低60℃)环境下降温固化2h。
64.本实施例所述基于液态金属浸润的内封装自适应型均温系列热界面在温度80℃
环境下测试获得近乎一致的热导率383.2w m
‑1k
‑1、383.7w m
‑1k
‑1、384.0w m
‑1k
‑1、384.5w m
‑1k
‑1。本实施例从侧面反映对本发明而言掺杂混合的目的仅着眼于调节熔点，而非直接贡献超高导热性效率。
65.本实施例所制备基于液态金属浸润的内封装自适应型均温系列热界面在80℃环境下均可10s内完成所述3cm
×
3cm区域的均匀温度分布，与长宽高3cm
×
3cm
×
0.5mm的单晶硅片(模拟发热器件)简单机械紧固(100g砝码重压)后，置于100℃恒温干燥箱中持续受热30d均未见液态金属侧漏渗出。
66.实施例3
67.选取厚度5mm紫铜板为散热部件，使用镓铟合金(镓25％、铟75％，熔点约90℃)为内封装液态金属，制备了一系列基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面，具体方案如下：
68.在3cm
×
3cm区域内通过激光一体化刻蚀结合电化学腐蚀(电压5.0v，电解质0.5mol l
‑1硫酸和0.5mol l
‑1硫酸铜溶液)制备微米乳突阵列，其中，微米乳突的高度为500μm，立方状微米乳突当量直径分别约100μm、300μm、700μm，微米乳突表面的纤维状纳米形貌的长度仅约5nm，相邻微米乳突间距约100μm。通过原子层沉积超薄二氧化钛涂层，用波长365nm紫外光源持续照射1h，完成对微米乳突阵列浸润性质的调控。在120℃恒温油浴加热(比液态金属熔化温度高30℃)环境下熔化所述液态金属合金，使其自然浸润填充微米乳突阵列间隙，均匀封装后在
‑
10℃冷冻(比液态金属凝固温度低100℃)环境下降温固化1h。
69.本实施例所述基于液态金属浸润的内封装自适应型均温系列热界面在温度100℃环境下测试获得的热导率分别为374.5w m
‑1k
‑1、382.5w m
‑1k
‑1、387.0w m
‑1k
‑1。本实施例进一步证实，对本发明而言，微米乳突阵列是贡献超高导热效率的主要因素。
70.本实施例所述基于液态金属浸润的内封装自适应型均温系列热界面在100℃环境下均可8s内完成所述3cm
×
3cm区域的均匀温度分布，与长宽高3cm
×
3cm
×
0.5mm的单晶硅片(模拟发热器件)简单机械紧固(100g砝码重压)后，置于120℃恒温干燥箱中持续受热30d均未见液态金属侧漏渗出。
71.实施例4
72.选取0.5mm铝片(热导率约235w m
‑1k
‑1)、0.5mm硅片(热导率约150w m
‑1k
‑1)、0.5mm铁片(热导率约80w m
‑1k
‑1)为散热部件，使用铟锡铋合金(铟50％、锡20％、铋30％，熔点约60℃)为内封装液态金属，制备了一系列基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面，具体方案如下：
73.在2cm
×
2cm区域内通过电化学(阳极氧化)腐蚀、传统光刻技术、激光一体化刻蚀分别获得铝、硅、铁表面微米乳突阵列，使得微米乳突高度为50μm，圆锥状微米乳突当量直径约30μm，微米乳突表面的褶皱状纳米形貌的厚度约5～50nm，相邻微米乳突间距为30μm。利用等离子体处理(功率200w，时长1200s)调控铝片、铁片表面微米乳突阵列浸润性质，配制3:1的浓硫酸和过氧化氢混合液调控硅片表面微米乳突阵列浸润性质。在80℃恒温水浴加热(比液态金属熔化温度高20℃)环境下熔化所述液态金属合金，使其自然浸润填充微米乳突阵列间隙，均匀封装后在0℃冷藏(比液态金属凝固温度低60℃)环境下降温固化2h。
74.本实施例所述基于液态金属浸润的内封装自适应型均温系列热界面在温度80℃环境下测试获得的热导率分别为223.5w m
‑1k
‑1、144.6w m
‑1k
‑1、77.0w m
‑1k
‑1，且80℃环境下
分别可在1s、4s、8s内完成所述2cm
×
2cm区域内的温度均匀分布。本实施例进一步证实本发明可实现快速均温，并获得接近不同散热部件主体材质的超高导热效率。
75.实施例5
76.选取带翅片热沉(铝合金材质)、均热板(铜材质)、热管(铜材质，带平面底座)等商用散热部件，使用单质镓(熔点约30℃，热导率约29w m
‑1k
‑1)为内封装液态金属，制备了一系列基于液态金属浸润的内封装自适应型均温热界面，具体方案如下：
77.通过激光一体化刻蚀微米乳突阵列，其中，微米乳突的高度为50μm，圆锥状微米乳突当量直径约30μm，微米乳突表面的褶皱状纳米形貌的厚度约500nm，相邻微米乳突间距为30μm。配制1.0mol l
‑1氢氧化钠溶液调控对微米乳突阵列浸润性质，在50℃恒温水浴加热(比液态金属熔化温度高20℃)环境下电诱导(直流电压5.0v)单质镓浸润填充微米乳突阵列间隙，均匀封装后在
‑
10℃冷冻(比液态金属凝固温度低30℃)环境下降温固化1h。
78.本实施例所述基于液态金属浸润的内封装自适应型均温系列热界面因所依托的实际散热部件形态复杂，难以直接测量热导率，但在50℃环境下均可5s内完成2cm
×
2cm区域的温度均匀分布，与长宽高2cm
×
2cm
×
0.5mm的单晶硅片(模拟发热器件)简单机械紧固(100g砝码重压)后，置于120℃恒温干燥箱中持续受热30d均未见液态金属侧漏渗出。本实施例证实本发明具有装卸便捷、普适性强和天然防漏等特征。
79.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。