液态金属基高导热界面材料开发与产业化应用

随着电子封装技术和芯片集成技术的高速发展，电子设备的尺寸越来越小，功率部件单位时间、单位面积或单位体积的热流呈指数上升。基于保证电子元器件的运行效率、可靠度、稳定性和使用寿命的需求，半导体封装的热管理技术至关重要，已逐渐成为限制电子产业发展的瓶颈。在芯片的散热设计中，热源和散热器接触界面存在空气间隙，其实际接触面积约只有散热器底座面积的10%。因为空气导热系数仅 0.025 W/(m·K)，导致电子元件与散热器间的存在较大接触热阻，如图1所示。热界面材料的应用可有效填充热源和散热器表面的间隙，将空气排出，在电子元件和散热器间建立有效的热传导通道，大幅度降低界面接触热阻，使散热器的作用得到充分地发挥。如表1所示，传统的热界面材料，包括导热胶、导热硅脂、导热凝胶、导热垫和有机相变导热材料等，大多不超过6W/(m·K)，都存在传热性能较差的缺陷。新型的热界面材料包括石墨片、液态金属（常温液态）等。石墨片导热系数高，常用做均温板，但其脆性大，且与热源表面贴合度不高；液态金属（常温液态）现阶段主要用于替代导热硅脂，降低热源核心温度，但其存在涂抹困难、容易溢出等缺陷，易造成短路风险。这些材料无法满足电子元器件热流密度的增大和非平直表面这两方面的发展需求。本项目拟开发的高导热相变界面材料兼具导热膏和液态金属的优点，室温时为膏状非牛顿流体，可以涂抹于散热片或者功率器件上，导热系数达到12W/(m·K)以上，有利于热源热量的传播和扩散，防止其温度急剧上升，有效缓解器件工作温度，延长使用寿命；此外，该界面材料还具有弹性特征，达到机械冲击、振动等的缓冲效果。

【产品性能优势】基于液态金属开发热界面材料存在的润湿性差、易泄露等主要问题，本项目通过配方改性和成型工艺优化，以提高材料的导热性能、防泄露能力、柔性特征。在配方组成上，使用铟基液态金属对熔点温度进行调控，基于铋、铟、锡、镓等金属共熔特性，分析原子晶格共熔相点配比影响机制，获得可控熔点温度的液态金属配方；其次，调配金属氧化物纳米粒子，使其填充于原子间隙，从而破环液态金属原子价键关系，使其在高于熔点温度时，宏观具有非牛顿流体的膏状特性，低于熔点温度时具有固体特征；同时，使用添加剂配方（如聚丙烯酸酯、乙酸乙酯等）增强低熔点合金熔融后的塑形能力与吸附力。表1热界面材料的特性导热系数材料名称一般特点优点缺点W/(m·K)需固化处理、需做剥层的具有良好的压稳定性测试、固化后的环有机树脂+导热胶 0.85-2.5 缩形变能力和氧树脂有较高的弹性模导热填料稳定性数，导致膨胀系数不匹配，存在热应力问题有机硅酮+ 厚度薄、附着力使用寿命短、长时间使用导热硅脂（导优异导热性 0.4-6 小、易加工、性后老化，导热热阻增大、热膏）能的填充剂价比高存在溢出和相分离问题硅树脂+导导热凝胶（导热填料及粘 2-5 寿命长需要固化处理热泥）结材料良好绝缘性、可聚合物基体导热垫（导热塑性、可裁剪、+高导热填 0.8-3 热阻较大、扣合压力大硅胶片）减震、绝缘、密料封 0.7-1.5 常温下为固态，有机材料有机材料相变材料导热系相变导热材料 (有机) 便于大规模生数较低金属合金 30-50 产石墨片碳分子高结 150-1900 高导热系数、高脆性大，不易弯曲、糙度晶态组成的比热容和低密较大的表面，固相的石墨新兴导热材度分子无法填充孔隙料液态金属（常常温下一般19-39 高导热系数可能会造成短路温液态）为液态