中國粉體網(wǎng)訊 5G商用牌照的發(fā)放,掀起了一場覆蓋眾多產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新革命,電子產(chǎn)品的集成化、微型化和高功率化成為其主要發(fā)展趨勢,由此散熱問題成為各個行業(yè)的熱點問題。電子設(shè)備的熱管理系統(tǒng)比較復(fù)雜,除了需要高導(dǎo)熱、高散熱效率的器件外,降低電子元件與散熱器之間的接觸熱阻也是需要重點關(guān)注的問題。
電子元件與散熱器的表面并不是完全光滑的,二者相互接觸時,接觸界面存在空氣間隙,實際的接觸面積大約是散熱器底座的10%,其余空隙均由空氣填充。而空氣的熱導(dǎo)率很低,常溫下其導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.026W/(m·K),電子元件與散熱器之間的界面熱阻較大,因此,空隙的存在降低了散熱效率,從而降低電子元器件的使用壽命。
填充前后器件界面接觸(圖源:沈陽理工大學(xué)學(xué)報)
為保證發(fā)熱元件的正常工作,需要在發(fā)熱電子元件和散熱裝置之間填充能夠快速有效傳熱、降低界面電阻的材料,這種材料被稱為熱界面材料。熱界面材料應(yīng)該具有較低的厚度、高熱導(dǎo)率、低接觸熱阻以及高延展性等特點。
芯片散熱結(jié)構(gòu)及散熱過程示意圖(圖源:佳日豐泰)
目前市場上的熱界面材料主要有導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱墊片、導(dǎo)熱膠、導(dǎo)熱凝膠和導(dǎo)熱相變材料等。隨著電子元件散熱需求逐年升高,金屬基熱界面材料以優(yōu)異的導(dǎo)熱性能成為備受青睞的散熱材料之一,主要包括低熔點金屬和金屬基復(fù)合材料。
幾種熱界面材料的傳熱特性
(一)低熔點金屬
低熔點金屬指熔點在300℃以下的金屬及其合金,主要有鎵、錫、銦、鉍等及以其為主要成分的合金。許多潛在相變材料的共同缺點是導(dǎo)熱系數(shù)低,比如有機(jī)物,較低的導(dǎo)熱系數(shù)會導(dǎo)致傳熱流體和電子元件表面之間的熱交換不良。低熔點金屬具有很多優(yōu)點,如熱導(dǎo)率高、物理和化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定、沸點較高、無腐蝕性等,低熔點金屬還可以實現(xiàn)固-液相轉(zhuǎn)變,快速吸收和釋放熱量,在熱管理技術(shù)上優(yōu)勢明顯。因此,低熔點金屬被認(rèn)為是具有很大潛力的相變熱界面材料。但是低熔點金屬所具有的過強(qiáng)的流動性也會導(dǎo)致泄漏,引起短路。
(二)金屬基復(fù)合材料
金屬基復(fù)合材料是以金屬為基體,與一種或幾種增強(qiáng)相結(jié)合而制成的復(fù)合材料,增強(qiáng)相材料以無機(jī)非金屬材料為主,也可以采用金屬絲、顆粒等,金屬基復(fù)合材料與聚合物基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料一起構(gòu)成現(xiàn)代復(fù)合材料體系。金屬基復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度高、韌性好,力學(xué)性能優(yōu)異,同時還具有導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐磨、熱膨脹系數(shù)小、無污染等優(yōu)點。
采用金屬基復(fù)合材料制備熱界面材料時,加入的高導(dǎo)熱顆?梢源蠓岣卟牧系臒釋(dǎo)率,改善熱界面材料的性能。在服役溫度高于基體合金的熔點時,加入增強(qiáng)相可提高材料的黏度,減小材料的流動性,有效改善材料流動導(dǎo)致的芯片短路問題。但是,金屬基復(fù)合材料中增強(qiáng)相與基體的潤濕性仍存在較多問題,如何改善兩者的界面結(jié)合,進(jìn)一步提升材料的熱導(dǎo)率、強(qiáng)塑性等性能是發(fā)展新一代熱界面材料的關(guān)鍵。
(三)金屬基復(fù)合材料的制備方法
針對金屬基復(fù)合材料的制備方法已經(jīng)形成了多種體系,包括固相法、液相法、氣態(tài)法、原位生成法等,如下圖所示。
金屬基復(fù)合材料制備方法
與其他金屬基復(fù)合材料相比,“碳金復(fù)材”比較特殊,因為碳材料與金屬基體的浸潤性較差,若制備方法不當(dāng)?shù)玫降膹?fù)合材料的熱導(dǎo)率反而低于金屬基體本身。國內(nèi)外研制“碳金復(fù)材”時,多采用壓力浸滲法,旨在獲得更強(qiáng)的界面結(jié)合強(qiáng)度。壓力浸滲法是指通過施加壓力,突破增強(qiáng)體的表面張力將金屬液體滲透進(jìn)增強(qiáng)體預(yù)制件中,然后凝固成型的方法,其具有適用性高、界面強(qiáng)度高和可定制性高的特點,增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)通?梢赃_(dá)到50%-80%。使用該方法,可以獲得高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱、低膨脹等特性的產(chǎn)品,減少甚至無須進(jìn)行后續(xù)的復(fù)雜加工過程。
參考來源:
[1]劉曉云等,金屬基熱界面材料研究進(jìn)展
[2]樂軼凡等,高導(dǎo)熱柔性界面材料的控制制備及導(dǎo)熱機(jī)制研究
[3]有機(jī)硅基熱界面材料的研究進(jìn)展
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/梧桐)
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