专利名称：一种金属纳米颗粒基热界面材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及ー种金属纳米颗粒基热界面材料及其制备方法，微电子封装材料及其制备技术领域。
背景技术：
当今电子产品不断向小型化、高密度化、大功率化方向发展，随之而来，电子器件工作过程中所产生的热量的密度越来越高，尤其是高功率器件如高功率ニ极管激光器、高亮度发光二极管和高功率传感器等。由于工作温度对于电子产品的寿命和可靠性有着非常重要的作用，因此，散热已然成为新一代电子产品迫切需要解决的问题。解决电子器件的散热问题，可以通过优化系统设计的方法来减少电子系统热量的产生，还可以利用強制冷却技术降低电子器件工作时的温度。然而，最直接、简单、有效的办法则是利用具有优异导热能力的热界面材料快速地将热量传导到外界环境。现有的热界面材料主要有导热膏、导热凝胶、相变热界面材料、高分子基复合热界面材料和金属热界面材料等几类。其中金属热界面材料的研发主要集中在低熔点金属 (铟、锡等)，而对于在热传导方面极具优势的铜、银等金属材料因为其较高的熔点而被忽视。近年来，普通的热界面材料(如导热膏、导热凝胶、高分子基复合热界面材料等) 已然不能满足电子技术中集成度和功率密度进ー步提高对散热提出的要求，利用新的理念和技术将具有高导热能力的金属开发成热界面材料以满足电子技术进ー步发展对散热的需求，已成为当今热界面材料发展的ー个非常重要的方向。
发明内容
本发明的目的是提供ー种金属纳米颗粒基热界面材料及其制备方法。本发明所提供的ー种金属纳米颗粒基热界面材料的制备方法，包括如下步骤金属纳米颗粒经放电等离子体烧结即得所述热界面材料；所述金属纳米颗粒为银纳米颗粒、铜纳米颗粒或银锡纳米颗粒。上述的制备方法中，所述金属纳米颗粒的粒径可为5nm IOOnm,具体可为7nm、 20nm 或 30nm。上述的制备方法中，所述放电等离子体烧结的温度可为150°C 300°C，具体可为 200°C或250°C，真空度可为6Pa 10Pa，具体可为6Pa或10Pa，升温速率可为50°C /min 80°C /min,具体可为 50°C /min。上述的制备方法中，所述金属纳米颗粒可按照包括如下步骤的方法制备以水作为溶剤，こ酸金属盐在还原剂和表面活性剂存在的条件下进行反应即得产品；所述こ酸金属盐可为こ酸银、こ酸铜或こ酸錫。上述的制备方法中，所述还原剂可为抗坏血酸或硼氢化钠；所述表面活性剂可为聚丙烯酸钠或聚こ烯基吡咯烷酮。
上述的制备方法中，所述反应的温度可为9(TC 95 °C，具体可为95 °C，时间可为20min 30min,具体可为30min ;所述こ酸金属盐、还原剂、表面活性剂和水的质量份数比可为(0. 5 2. 5) (0.5 10) (2. 5 20) (100 150)，具体可为
2.5 5. 3 16. 7 100。上述的制备方法中，所述金属纳米颗粒还可按照包括如下步骤的方法制备以甲醇作为溶剂，所述金属纳米颗粒的前驱体在还原剂和表面活性剂存在的条件下进行反应即得产品；所述金属纳米颗粒的前驱体可为硝酸银、硝酸铜或辛酸亚锡。上述的制备方法中，所述还原剂可为硼氢化钠；所述表面活性剂可为聚こ烯基吡咯烷酮。上述的制备方法中，所述反应的温度可为0°C 20°C，具体可为0°C，时间可为 20min 30min,具体可为30min ;所述金属纳米颗粒的前驱体、还原剂、表面活性剂和甲醇的质量份数比可为(I. 5 3.0) (0.6 I. 6) (1.0 3. 5) (100 150)，具体可为 2.9 I. 5 2. 5 142。本发明进ー步提供了由上述方法制备的热界面材料。本发明具有以下有益效果本发明实现了高导热金属在较低温度下的融合，制备成的热界面材料具有高导热、可靠性好、实验重复性好等特点，能很好地应用到电子封装中的散热，为下一代高功率电子产品的散热提供了很好的解决方案。
图I为热界面材料的典型应用模式。图2为本发明实施例I和2中热界面材料使用的示意图，其中铜片模拟典型应用模式中的电子工作模块和散热片。图3为实施例I中获得的20nm的银纳米颗粒的扫描电镜照片。图4为实施例I中制备的银纳米颗粒基热界面材料模拟使用时的三层结构的扫描电镜照片。图5为实施例I中不同温度下利用放电等离子体烧结技术制备的银纳米颗粒基热界面材料的热导率。
具体实施例方式下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。实施例I、热界面材料的制备(I)首先，将0.53g的抗坏血酸溶解在4. 76g的三重蒸馏水中，配成摩尔浓度为0. 65mol/L的水溶液，待用；然后，将2. 49g的こ酸银溶解在IOOml的三重蒸馏水中， 并将溶液加热到95°C ;接着，在加热保持溶液温度的情况下，加入16. 69g质量分数为 45wt. %的聚丙烯酸钠溶液，并充分搅拌15分钟使聚丙烯酸钠和こ酸银均匀地溶解分散在溶液中；再接着，以I滴/秒的速度将配置好的0. 65mol/L的抗坏血酸溶液全部逐滴加入反应溶液中(该体系中，こ酸银、抗坏血酸、聚丙烯酸钠和三重蒸馏水的质量份数比为 2.5 5.3 16.7 100)，并恒温搅拌30分钟；最后，以15000rpm的转速离心10分钟将银纳米颗粒分离出来，并用三重蒸馏水清洗，如此重复离心-清洗6次。(2)首先，将分离得到的银纳米颗粒均匀地涂覆在两层经过打磨的铜片(粗糙度为120nm)之间，并将其并将其置于石墨模具中；然后，利用放电等离子体烧结(SPS)技木， 在真空6Pa的环境下以50°C /min的升温速率从室温加热到250°C，并保温30分钟，同时在加热的过程中一直施加30MPa的压力，最終两层铜片经过融合后的银纳米颗粒热界面材料牢固地粘结起来。本实施例得到的银纳米颗粒的扫描电镜照片如图3所示，可知其粒径为20nm ;本实施例制备的热界面材料模拟使用时的三层结构的扫描电镜照片如图4所示，可知，利用放电等离子体烧结(SPS)技术制备的经过银纳米颗粒融合制备得到热界面材料，其厚度为 5 20 y m ;另外，银纳米颗粒热界面材料与铜片之间的粘结非常紧密。本实施例制备的热界面材料的传热性能如图5所示；其中将放电等离子体烧结的温度变化为150°C和200°C，其余条件与本实施例相同，制备得到的热界面材料的传热性能如图5所示；其中将粒径为30nm和IOOnm的银纳米颗粒用与本实施例相同的方法制备得到的热界面材料的传热性能如图5所示，由图5可知，在200°C以下的温度下将20nm的银纳米颗粒制备成热界面材料，应用到三层结构的模拟体系时，热导率不到150W/(mK);将250で 温度下将20nm和30nm的银纳米颗粒制备的热界面材料应用到三层结构的模拟体系，热导率均超过了铜片的热导率-352. IWパmK)，甚至最高值达到372. 4WパmK)，这说明本发明制备的银纳米颗粒基热界面材料的热传导性能非常优异，应用到新一代高功率电子产品中将能很好的解决散热问题。实施例2、热界面材料的制备(I)首先，将2. 5g的聚こ烯基吡咯烷酮(PVP)溶解在180ml的甲醇中，并将溶液置于冰浴中；接着，先后向甲醇溶液中加入2. 4g的硝酸银和0. 4ml的辛酸亚锡，并充分搅拌15分钟使聚こ烯基吡咯烷酮、硝酸银和辛酸亚锡均匀地分散在甲醇溶液中；再接着，向甲醇溶液中加入I. 5g的硼氢化钠(该体系中，硝酸银和辛酸亚锡、硼氢化钠、聚こ烯基吡咯烷酮和甲醇的质量份数比为2. 9 1.5 2.5 142)，冰浴反应并搅拌30分钟；最后， 以12000rpm的转速离心10分钟将银锡合金纳米颗粒分离出来，并用甲醇清洗，如此重复离心_清洗6次。(2)首先，将分离得到的银锡纳米颗粒均匀地涂覆在两层经过打磨的铜片(粗糙度为120nm)之间，并将其并将其置于石墨模具中；然后，利用放电等离子体烧结(SPS)技术，在真空6Pa的环境下以50°C /min的升温速率从室温加热到200°C，同时施加30MPa的压力，保温30分钟，最終两层铜片经过融合后的银锡纳米颗粒热界面材料牢固地粘结起来。本实施例得到了粒径为7nm的银锡合金纳米颗粒，其中银锡纳米合金颗粒表现出了比银纳米颗粒更低的融合温度，进而能在保证与银纳米颗粒相当的导热能力的情况下， 有效地降低放电等离子体烧结过程所需的温度，促进金属纳米颗粒基热界面材料在电子封装领域更好的应用。
权利要求
1.ー种金属纳米颗粒基热界面材料的制备方法，包括如下步骤金属纳米颗粒经放电等离子体烧结即得所述热界面材料；所述金属纳米颗粒为银纳米颗粒、铜纳米颗粒或银锡合金纳米颗粒。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述金属纳米颗粒的粒径为5nm IOOnm0
3.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于所述放电等离子体烧结的温度为 200°C 300°C，真空度为6Pa 10Pa，升温速率为50°C /min 80°C /min。
4.根据权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于所述金属纳米颗粒按照包括如下步骤的方法制备以水作为溶剤，こ酸金属盐在还原剂和表面活性剂存在的条件下进行反应即得产品；所述こ酸金属盐为こ酸银、こ酸铜或こ酸錫。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述还原剂为抗坏血酸或硼氢化钠；所述表面活性剂为聚丙烯酸钠或聚こ烯基吡咯烷酮。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于所述反应的温度为90°C 95°C，时间为20min 30min ;所述こ酸金属盐、还原剂、表面活性剂和水的质量份数比为(0. 5 2.5) (0. 5 10) (2. 5 20) (100 150)。
7.根据权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于所述金属纳米颗粒按照包括如下步骤的方法制备以甲醇作为溶剂，所述金属纳米颗粒的前驱体在还原剂和表面活性剂存在的条件下进行反应即得产品；所述金属纳米颗粒的前驱体为硝酸银、硝酸铜、辛酸亚锡。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述还原剂为硼氢化钠；所述表面活性剂为聚こ稀基卩比略烧丽。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于所述反应的温度为0°C 20°C，时间为20min 30min ;所述金属纳米颗粒的前驱体、还原剂、表面活性剂和甲醇的质量份数比为(I. 5 3.0) (0.6 I. 6) (1.0 3. 5) (100 150)。
10.权利要求1-9中任一所述方法制备的热界面材料。
全文摘要
本发明公开了一种金属纳米颗粒基热界面材料及其制备方法。该制备方法包括如下步骤金属纳米颗粒经放电等离子体烧结即得所述热界面材料；所述金属纳米颗粒为银纳米颗粒、铜纳米颗粒或银锡合金纳米颗粒。本发明实现了高导热金属在较低温度下的融合，制备成的热界面材料具有高导热、可靠性好、实验重复性好等特点，能很好地应用到电子封装中的散热，为下一代高功率电子产品的散热提供了很好的解决方案。
文档编号C09K5/14GK102601362SQ20121007463
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月20日 优先权日2012年3月20日
发明者余晖, 张玉骏, 李亮亮 申请人:清华大学