鎵基液態(tài)金屬復合硅膠熱界面材料的實驗研究

摘要：采用掃描電子顯微鏡和穩(wěn)態(tài)法界面接觸熱阻測試裝置分別對鎵基液態(tài)金屬復合硅膠熱界面材料的微觀組織和界面接觸熱阻進行了表征和測試。通過對材料微觀組織的分析發(fā)現(xiàn)該材料由液態(tài)金屬微觀液滴、硅膠基體以及混合態(tài)組織構(gòu)成。同時，在穩(wěn)態(tài)熱流輸入的條件下對材料在不同壓力、不同溫度和不同厚度條件下的界面接觸熱阻進行了測試并發(fā)現(xiàn)了三者之間的關(guān)聯(lián)性，而通過100 ℃下的長周期老化實驗則證實了材料在240 h周期的界面接觸熱阻是十分穩(wěn)定可靠的。

關(guān)鍵詞：液態(tài)金屬;熱界面材料;界面接觸熱阻;導熱性能;老化實驗

0? ? 引言

近年來，熱管理在諸如消費類電子、新能源汽車、高功率發(fā)熱光源以及新一代電驅(qū)動模組等領(lǐng)域電子設(shè)備的冷卻系統(tǒng)中扮演著十分重要的角色[1-3]。隨著在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用需求中發(fā)熱功率以及能量密度的逐步升級，對于熱管理系統(tǒng)的散熱需求也將大幅度增加，因此國際電子制造協(xié)會（IEMI）在2013年宣布開始將熱管理列為未來優(yōu)先發(fā)展的研究方向[4-5]。熱界面材料在熱管理系統(tǒng)中通常會占據(jù)較大的比重，其作用是使熱量高效地在熱端和冷端之間傳輸。傳統(tǒng)的熱界面材料包括硅脂、相變材料、凝膠以及熱墊等，主要是以高分子基材料為主，導熱系數(shù)在0.5～10 W/（m·K），界面接觸熱阻在0.1～1 cm2·K/W，其熱物理性能已經(jīng)被應(yīng)用到相對瓶頸的狀態(tài)，無法滿足更高的應(yīng)用需求。鎵基液態(tài)金屬由于其具備更高的導熱性能[導熱系數(shù)通常在20 W/（m·K）以上]、更低的界面接觸熱阻（通常在0.05 cm2·K/W左右）以及優(yōu)秀的粘合順應(yīng)性和潤濕性，同時又具備較低的成本且對環(huán)境無危害，因此作為新的熱界面材料越來越受到關(guān)注[6-8]。

在目前的實際工程應(yīng)用中，為了滿足更為廣泛的應(yīng)用需求，鎵基液態(tài)金屬合金更多地會與導熱性能相對較好的銀、銅、鎢等金屬顆粒以及其他非金屬材料進行復合形成熱界面復合材料，其中金屬顆粒復合在實際應(yīng)用中使用比較廣泛，為此國內(nèi)外研究者圍繞著鎵基液態(tài)金屬復合材料展開了大量的研究[9-12]。而對于鎵基液態(tài)金屬復合非金屬熱界面材料方面的研究還相對較少，M. I. Raphs等人[13]對液態(tài)金屬和固態(tài)金屬復合硅基材料的熱導性能進行了研究，Liu Han等人[14]對鎵基液態(tài)金屬與氮化鋁和聚二甲基硅氧烷三元熱界面材料在電子設(shè)備散熱中的應(yīng)用進行了研究，梅生福[15]等人對液態(tài)金屬填充型硅脂導熱性能進行了實驗研究。基于此，本研究將對鎵基液態(tài)金屬復合硅膠熱界面材料的微觀組織和界面接觸熱阻性能進行研究。

1? ? 材料與測試方法

本研究中所采用的鎵基液態(tài)金屬合金成分選取Galinstan三元Ga-In-Sn共晶合金成分，其化學元素成分（質(zhì)量分數(shù)，%）為68.5Ga，21.5In，10.0Sn，液體硅膠材料選用黏度為100 Pa·s的有機硅膠材料。液態(tài)金屬合金熔煉前，將原料表面進行機械拋光，并在無水乙醇中進行超聲波清洗，采用精密的電子天平對原料進行稱重。合金熔煉采用水浴加熱的方式，將原料放置在密閉的玻璃容器內(nèi)加熱至120 ℃并保溫40 min，然后將制得的液態(tài)金屬合金與液體硅膠以10：1的比例進行混合。圖1是本研究中的鎵基液態(tài)金屬復合硅膠熱界面材料的樣品照片。混合時，先將液體硅膠放入混合容器內(nèi)，后將液態(tài)金屬放入。采用離心式混料機進行混料，轉(zhuǎn)速被設(shè)置為120 r/min，混料時間為30 min。

在本研究中采用掃描電子顯微鏡（Sirion 200，美國FEI公司生產(chǎn)）對材料的微觀組織進行觀察和分析，采用自主設(shè)計和開發(fā)的穩(wěn)態(tài)法界面接觸熱阻測試系統(tǒng)分別對材料在不同溫度下（60～100 ℃）、不同壓力下（0.3～0.5 MPa）和不同厚度下（0.3～0.7 mm）的界面接觸熱阻進行測試，并對材料在100 ℃下的240 h長周期老化性能進行評估。

2? ? 結(jié)果分析與討論

圖2是本研究中鎵基液態(tài)金屬復合硅膠熱界面材料在SEM下的微觀組織。由圖可以很明顯地觀察到3種不同的微觀組織區(qū)域的存在，其中A區(qū)域顯示為較為光亮的金屬光澤，B區(qū)域顯示為較為黑暗的顏色，C區(qū)域則顯示為A區(qū)域與B區(qū)域混合下的狀態(tài)。

表1顯示了不同微觀組織區(qū)域下的化學成分組成。根據(jù)不同微觀組織區(qū)域的化學成分組成可以發(fā)現(xiàn)，A區(qū)域為液態(tài)金屬的微觀小液滴，其尺寸在30～50 μm，顯示為不規(guī)則的形態(tài);而B區(qū)域為硅膠基體材料;C區(qū)域的化學成分介于液態(tài)金屬與硅膠成分之間，因此可以證明在高速的離心混合條件下能夠?qū)⒁簯B(tài)金屬液滴破碎從而形成更為細小的混合態(tài)微觀組織。

圖3顯示了本研究中穩(wěn)態(tài)法界面接觸熱阻測試的原理，實驗根據(jù)ASTM D5470測試標準設(shè)計[16]，采用4個溫度傳感器分別對銅盤中心位置的溫度進行測量，其中溫度傳感器1和2之間與溫度傳感器3和4之間的間距均為d，溫度傳感器2和3距離銅盤表面的距離均為D。

當熱量從熱端向冷端傳輸時，銅熱盤和銅冷盤中的熱流Qhot和Qcold可由數(shù)學表達式（1）和（2）表示：

圖4（a）和（b）分別顯示了在不同溫度條件下鎵基液態(tài)金屬復合硅膠熱界面材料的界面接觸熱阻。可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，材料在不同厚度下的界面接觸熱阻都呈現(xiàn)了上升的趨勢，而隨著樣品厚度的增加，材料在不同溫度下的界面接觸熱阻也都呈現(xiàn)了上升趨勢。100 ℃時，0.4 MPa的壓力下材料在0.3 mm、0.5 mm和0.7 mm厚度時的界面接觸熱阻分別為0.141 2 K·cm2/W、0.198 3 K·cm2/W和0.251 7 K·cm2/W;80 ℃時，0.156 3 K·cm2/W、0.211 4 K·cm2/W和0.259 1 K·cm2/W;而在60 ℃時，則為0.178 8 K·cm2/W、0.230 4 K·cm2/W和0.268 9 K·cm2/W，如圖4（a）所示。

同時，隨著壓力的增加，材料在不同溫度下（厚度為0.5 mm）的界面接觸熱阻則呈現(xiàn)了下降的趨勢。0.3 MPa壓力下，材料在60 ℃、80 ℃和100 ℃下的界面接觸熱阻分別為0.251 4 K·cm2/W、0.236 7 K·cm2/W和0.211 5 K·cm2/W;0.4 MPa壓力下，分別為0.230 4 K·cm2/W、0.211 4 K·cm2/W和0.198 3 K·cm2/W;而在0.5 MPa壓力下，則分別為0.207 8 K·cm2/W、0.189 9 K·cm2/W、0.173 2 K·cm2/W，如圖4（b）所示。

為了驗證鎵基液態(tài)金屬復合硅膠熱界面材料在銅熱端應(yīng)用的可靠性，本研究在穩(wěn)態(tài)熱流輸入條件（熱端恒溫100 ℃）下對材料進行較長周期（240 h）的界面接觸熱阻老化實驗。測試采用0.5 mm厚的樣品進行，樣品壓力被設(shè)置為0.4 MPa，圖5顯示了材料在長周期老化實驗中界面接觸熱阻的變化情況。可以發(fā)現(xiàn)，材料的界面接觸熱阻在最初的24 h內(nèi)出現(xiàn)了小幅度的波動（0.228 1 K·cm2/W至0.233 2 K·cm2/W），隨后開始處于穩(wěn)定的狀態(tài)，樣品在整個240 h的老化實驗周期內(nèi)，界面接觸熱阻均可以穩(wěn)定在（0.231 0±0.003）K·cm2/W的范圍內(nèi)。因此，可以證明鎵基液態(tài)金屬復合硅膠熱界面材料在240 h周期的界面接觸熱阻是十分穩(wěn)定可靠的。

3? ? 結(jié)語

鎵基液態(tài)金屬復合硅膠熱界面材料的微觀組織由液態(tài)金屬微觀液滴、硅膠基體以及混合態(tài)組織構(gòu)成。在穩(wěn)態(tài)熱流輸入條件下，隨著溫度的降低（從100 ℃至60 ℃），材料在不同厚度下的界面接觸熱阻都呈現(xiàn)了上升的趨勢;而隨著樣品厚度的增加（從0.3 mm至0.5 mm），材料在不同溫度下的界面接觸熱阻也都呈現(xiàn)了上升趨勢;隨著壓力的增加（從0.3 MPa至0.5 MPa），材料在不同溫度下（厚度為0.5 mm）的界面接觸熱阻則呈現(xiàn)了下降的趨勢。100 ℃下長周期老化實驗可以證明材料在240 h周期的界面接觸熱阻是十分穩(wěn)定可靠的。

[參考文獻]

[1] PROKHORENKO V Y，ROSHCHUPKIN V V，POKRASIN M A，et al. Liquid Gallium：Potential Uses as a Heat-Transfer Agent[J].High Temperature，2000，38（6）：954-968.

[2] DENG Y G，LIU J.A liquid metal cooling system for the thermal management of high power LEDs[J].Interna-tional Communications in Heat & Mass Transfer，2010，37（7）：788-791.

[3] ROY C K，BHAVNANI S，HAMILTON M C，et al.Investigation into the application of low melting temperature alloys as wet thermal interface materials[J].Interna-tional Journal of Heat and Mass Transfer，2015，85： 996-1002.

[4] MARTIN Y，KESSEL T V.High performance Liquid Metal Thermal Interface for Large Volume Production[C]// IMAPS Thermal and Power Management，San Jose CA，2007.

[5] PFAHL B，F(xiàn)U H，CHUCK R.Highlights of iNEMI 2013 technology roadmaps[C]// 2012 35th IEEE/CPMT Internatiional Electronic Manufacturing Technology Symposium（IEMT），2012.

[6] ROY C K，BHAVNANI S，HAMILTON M C，et al.Thermal performance of low melting temperature alloys at the interface between dissimilar materials[J].Applied Thermal Engineering，2016，99：72-79.

[7] 謝開旺，馬坤全，劉靜，等.二元室溫金屬流體熱導率的理論計算與實驗研究[J].工程熱物理學報，2009，30（10）：1763-1766.

[8] ROY C K，BHAVNANI S，HAMILTON M C，et al.Accelerated aging and thermal cycling of low melting temperature alloys as wet thermal interface materials[J]. Microelectronics Reliability，2015，55（12）：2698-2704.

[9] 高云霞，劉靜，王先平，等.鎵基液態(tài)金屬熱界面材料的性能研究[J].工程熱物理學報，2017，38（5）：1077-1081.

[10] BOOTH R B，GRUBE G W，GRUBER P A，et al.Liquid metal matrix thermal paste：US5198189 A[P].1993-03-30.

[11] 李根，紀玉龍，孫玉清，等.新型銅顆粒填充的液態(tài)金屬熱界面材料導熱性能實驗研究[J].西安交通大學學報，2016，50（9）：61-65.

[12] TANG J B，ZHAO X，LI J，et al.Gallium-Based liquid metal amalgams：transitional-state metallic mixtures （transM2ixes）with enhanced and tunable electrical， thermal，and mechanical properties[J].ACS Applied Materials & Interfaces，2017，9（41）：35977-35987.

[13] RALPHS M I，KEMME N，VARTAK P B，et al.In Situ Alloying of Thermally Conductive Polymer Composites by Combining Liquid and Solid Metal Microadditives[J].ACS Applied Materials & Interfaces，2018，10（2）：2083-2092.

[14] LIU H，LIU H Q，LIN Z Y，et al.AlN/Ga-based liquid metal/PDMS ternary thermal grease for heat dissipa-tion in electronic devices[J].Rare Metal Materials and Engineering，2018，47（9）：2668-2674.

[15] 梅生福，高云霞，鄧中山，等.液態(tài)金屬填充型硅脂導熱性能實驗研究[J].工程熱物理學報，2015，36（3）：624-626.

[16] Standard Test Method for Thermal Transmission Proper-ties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials：ASTM D5470-17[S].ASTM International，West Conshohocken，PA，2017.

收稿日期：2020-03-24

作者簡介：姜珂（1984—），男，遼寧沈陽人，博士研究生，工程師，主要從事先進功能材料的應(yīng)用研究工作。