一种金属热界面材料的制备装置及方法
【专利摘要】本发明具体涉及一种金属热界面材料的制备装置及方法。本发明制备装置包括磁铁、底板、外电极以及内电极；所述磁铁设置于所述底板下方；所述外电极为柱形圆环，所述内电极为柱形，且所述内电极的半径小于所述外电极的内半径；所述外电极和所述内电极固定于所述底板上，且所述内电极位于所述外电极圆环内。所述外电极与所述内电极之间还可设置加热棒。通过内电极和外电极之间的环形空间形成液态金属的搅拌运动通道，安培力作用到金属流体内部的每个体积元上，使得金属流体整体受力运动，加热棒在加热的同时也起到搅拌的作用。同时施加可变方向电压，可以变换搅拌方向；电压加大时，液态金属表面会扭曲翻滚，提高了掺混效率和材料的均匀度。
【专利说明】
一种金属热界面材料的制备装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及材料制备技术领域，具体涉及一种金属热界面材料的制备装置及方法。
【背景技术】
[0002]随着电子技术越来越向集成化、微型化的方向发展，电子元器件的封装密度在不断提高，集成电路的功耗显著增大，器件内部积累的大量热量使得器件温度迅速升高，因此如何将器件热量迅速传导至散热片，提高接触界面的换热能力成为研究的热点。
[0003]表面光滑的界面在微观尺度上是凸凹不平的，致使两个固体界面不能完全接触，从而存在接触热阻，由于界面间隙中的空气是热的不良导体，使得接触热阻很大。
[0004]热界面材料是一种填充两固体界面之间的空隙、减小接触热阻、提高接触界面换热能力的高导热材料，这种材料通常需要具有较高的热导率，以及和所接触的固体表面之间良好的润湿性。热界面材料分为导热硅脂、相变型导热胶、导热凝胶、金属热界面材料等。其中，金属热界面材料包括各种低熔点金属、焊料、金属纳米流体等。金属的热导率通常都远高于其它有机/无机物，因此作为导热材料具有天然的优势。金属热界面材料的制备可以通过使低熔点金属氧化来提高其润湿性，也可以通过向低熔点金属中添加高熔点高热导率的金属纳米颗粒来制得金属纳米流体。目前，金属热界面材料的制备主要是以人工或机械搅拌方式来推动搅拌子转动来进行，或者采用磁力搅拌器的方式进行混合，存在的问题主要是搅拌时间长，难以混合均匀。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中通过人工或机械搅拌方式来推动搅拌子转动来进行，或者采用磁力搅拌器的方式进行混合，存在搅拌时间长、难以混合均匀的缺陷，本发明提供了一种金属热界面材料的制备装置及方法。
[0006]—方面，本发明提供的一种金属热界面材料的制备装置，包括:
[0007]磁铁、底板、外电极以及内电极；
[0008]所述磁铁设置于所述底板下方；所述外电极为柱形圆环，所述内电极为柱形，且所述内电极的半径小于所述外电极的内半径；所述外电极和所述内电极固定于所述底板上，且所述内电极位于所述外电极圆环内。
[0009]进一步地，所述装置还包括加热棒，所述加热棒设置于所述外电极与所述内电极之间。
[0010]进一步地，所述底板为绝缘材料。
[0011]进一步地，所述外电极和所述内电极的材料为导电金属材料或导电非金属材料。
[0012]进一步地，所述外电极和所述内电极采用密封方式固定于所述底板上。
[0013]另一方面，本发明还提供一种采用上述装置制备金属热界面材料的方法，包括:
[0014]将制备金属热界面材料所需的原料放入所述外电极和所述内电极之间；
[0015]在所述外电极和所述内电极上施加电压，驱使所述制备金属热界面材料所需的原料旋转搅拌，搅拌一段时间即制得所述金属热界面材料。
[0016]进一步地，所述在所述外电极和所述内电极上施加电压之前还包括:
[0017]在所述制备金属热界面材料所需的原料表面覆盖一层水或者电解质溶液。
[0018]进一步地，所述在所述外电极和所述内电极上施加电压之前还包括:
[0019]将所述金属热界面材料的制备装置放入恒气箱内，所述恒气箱内充有空气或者氧气。
[0020]进一步地，所述制备金属热界面材料所需的原料为低恪点金属或低恪点金属和纳米粒子的混合物。
[0021]进一步地，所述在所述外电极和所述内电极上施加的电压为直流电压，且可以变换方向。
[0022]本发明提供的一种金属热界面材料的制备装置及方法，通过内电极和外电极之间的圆环形空间为液体金属的搅拌运动通道，在内电极和外电极施加直流电压，所产生的安培力作用到金属流体内部的每个体积元上，使得金属流体整体受力运动，加热棒在加热的同时也起到搅拌的作用。同时所施加电压方向可变，可以变换搅拌方向；电压加大时，液态金属表面会扭曲翻滚，提高了掺混效率和材料的均匀度。
【附图说明】
[0023]通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中:
[0024]图1是本发明一个实施例中金属热界面材料的制备装置的结构示意图；
[0025]图2是本发明一个实施例中金属热界面材料的制备装置的俯视结构示意图；
[0026]图3是本发明一个实施例中金属热界面材料的制备装置的剖视结构示意图；
[0027]图4是本发明一个实施例中金属热界面材料的制备方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0028]现结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步详细阐述。
[0029]图1示出了本实施例中金属热界面材料的制备装置的结构示意图，如图1所示，本实施例提供的一种金属热界面材料的制备装置，包括:
[0030]磁铁1、底板2、外电极3以及内电极4 ;
[0031]所述磁铁I设置于所述底板2下方；所述外电极3为柱形圆环，所述内电极4为柱形，且所述内电极4的半径小于所述外电极3的内半径；所述外电极3和所述内电极4固定于所述底板2上，且所述内电极4位于所述外电极3圆环内。优选的，所述外电极3的轴线和所述内电极4的轴线位于同一条直线上。
[0032]所述装置进一步还包括加热棒5，所述加热棒5设置于所述外电极3与所述内电极4之间。
[0033]所述金属热界面材料的制备装置的俯视结构示意图如图2所示，所述金属热界面材料的制备装置的剖视结构示意图如图3所示。
[0034]其中，所述磁铁I可选择钕铁硼、钕镍钴、钐钴或铁氧体等材料制成的永久磁铁或者电磁铁。所述磁铁I的厚度一般为0-10cm。
[0035]同时，所述底板2为绝缘材料，例如采用塑料、玻璃、木材或者石板等绝缘材料制成。
[0036]所述外电极3和所述内电极4的材料为导电金属材料或导电非金属材料，所述导电金属材料例如铂、金或者锌等；所述导电非金属材料例如石墨等。所述加热棒5的外表面绝缘，并且均匀分布在所述内电极4的周围。
[0037]进一步地，为了防止液态金属泄露，所述外电极3和所述内电极4采用密封方式固定于所述底板上，例如可采用粘合固定的方式。
[0038]另一方面，如图4所示，本实施例还提供一种采用上述装置制备金属热界面材料的方法，所述方法包括:
[0039]SI，将制备金属热界面材料所需的原料放入所述外电极和所述内电极之间。
[0040]其中，制备金属热界面材料所需的原料可以为低恪点金属或低恪点金属和纳米粒子的混合物，例如，选取体积为0-0.5m3的金属和体积为0-0.02m 3的纳米粒子的混合物，金属熔点在500°C以下。需要说明的是，放入所述外电极和所述内电极之间的制备金属热界面材料所需的原料必须与所述外电极和所述内电极接触，因此原料量不宜过少。
[0041]所述纳米粒子为金属粒子或者非金属粒子，所述金属粒子包括银或者铜；所述非金属粒子包括碳纳米管。
[0042]S2，在所述外电极和所述内电极上施加电压，驱使所述制备金属热界面材料所需的原料旋转搅拌，搅拌一段时间即制得所述金属热界面材料。
[0043]如果所述金属常温时为液态，则可采用没有加热棒的制备装置，如果所述金属常温时为固态，则制备装置必须包括加热棒。在所述外电极和所述内电极上施加电压后，加热棒首先产生热量使固态金属融化为液态。
[0044]进一步地，所述在所述外电极和所述内电极上施加电压之前还包括:
[0045]在所述制备金属热界面材料所需的原料表面覆盖一层水或者电解质溶液。施加电压后，所述水或者电解质溶液会发生电解反应产生氧气，在液态金属和纳米粒子表面迅速生成一层金属氧化物。可提高金属界面材料的黏附性以及制备速度。水或电解质溶液的体积选取O-1m3之间。
[0046]其中，所述电解质溶液为酸性溶液、中性溶液或者碱性溶液，例如，HCl等酸性溶液，NaCl、NaSO4等中性溶液或KOH等碱性溶液，pH值为0_14之间全部可用。
[0047]进一步地，所述在所述外电极和所述内电极上施加电压之前还包括:
[0048]将金属热界面材料的制备装置放入恒气箱内，所述恒气箱内充有空气或者氧气；所述恒气箱的内部空间体积一般为0.001m3-4m3。
[0049]所述在所述外电极和所述内电极上施加的电压为直流电压，且为了能够产生更好的混合效果所述直流电压为可以变换方向电压。在所述外电极和所述内电极上施加电压时，为了有效控制通过液态金属的电流大小，可串联一个大小为1mQ-1kQ的限流电阻。所述直流电压一般为0-50V之间。
[0050]实施例1:以镓铟合金基磁纳米流体热界面材料的制备为例。
[0051]所采用的制备装置，所述内电极半径为2mm，高度为20mm，所述外电极半径为15mm，高度为10mm，电极材料为石墨，所述加热棒半径为1mm，所述磁铁的磁感强度为300mT，N极方向朝上，所述限流电阻为1Ω，所述恒气箱内充入压力为I大气压的空气。称量20gGaIn24.5合金(熔点为15.6°C )和Ig Fe 304纳米颗粒放入外电极和内电极之间，由于常温下Galn24.5合金即呈液态，所以无需加热。当内电极和外电极之间加正电压时，根据左手定则，液态金属沿逆时针方向运动，反之液态金属将沿顺时针方向运动，设定电压程序为+5V(ls)和-5V(ls)交替变换。启动电压后，液态金属将做往返运动，表面褶皱翻卷，经过30min-1h，液态金属与纳米粒子被混合均勾，即制得金属纳米流体热界面材料。
[0052]实施例2:以镓基金属氧化物热界面材料的制备为例。
[0053]所采用的制备装置，所述内电极半径为5cm，高度为15mm，所述外电极半径为15cm，高度为10cm，电极材料为石墨，所述加热棒半径为1cm，所述磁铁的磁感强度为2T，N极方向朝上，所述限流电阻为2Ω，所述恒气箱内充入压力为I大气压的空气。称量Ikg的Ga (熔点为29.80C )放入外电极和内电极之间，并倒入200ml浓度为0.5mol/L的Na2SO4S液。启动加热棒将金属完全熔化并使温度维持在60°C左右，当内电极和外电极之间加正电压时，根据左手定则，液态金属沿逆时针方向运动，反之液态金属将沿顺时针方向运动，设定电压程序为+15V(ls)和-15V(ls)交替变换。启动电压后，Na2SO4溶液被电解，在电极上生成氧气和氢气，液态金属表面迅速生成一层灰色氧化物并出现褶皱翻卷，经过lh，即制得镓基氧化物热界面材料。
[0054]本实施例提供的一种金属热界面材料的制备装置及方法，通过内电极和外电极之间的圆环形空间为液体金属的搅拌运动通道，在内电极和外电极施加直流电压，所产生的安培力作用到金属流体内部的每个体积元上，使得金属流体整体受力运动，加热棒在加热的同时也起到搅拌的作用。同时所施加电压方向可变，可以变换搅拌方向；电压加大时，液态金属表面会扭曲翻滚，提高了掺混效率和材料的均匀度。
[0055]虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
【主权项】
1.一种金属热界面材料的制备装置，其特征在于，所述装置包括: 磁铁、底板、外电极以及内电极； 所述磁铁设置于所述底板下方；所述外电极为柱形圆环，所述内电极为柱形，且所述内电极的半径小于所述外电极的内半径；所述外电极和所述内电极固定于所述底板上，且所述内电极位于所述外电极圆环内。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括加热棒，所述加热棒设置于所述外电极与所述内电极之间。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述底板为绝缘材料。4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述外电极和所述内电极的材料为导电金属材料或导电非金属材料。5.根据权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，所述外电极和所述内电极采用密封方式固定于所述底板上。6.一种采用权利要求1至5任一项所述装置制备金属热界面材料的方法，其特征在于，所述方法包括: 将制备金属热界面材料所需的原料放入所述外电极和所述内电极之间； 在所述外电极和所述内电极上施加电压，驱使所述制备金属热界面材料所需的原料旋转搅拌，搅拌一段时间即制得所述金属热界面材料。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在所述外电极和所述内电极上施加电压之前还包括: 在所述制备金属热界面材料所需的原料表面覆盖一层水或者电解质溶液。8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述在所述外电极和所述内电极上施加电压之前还包括: 将所述金属热界面材料的制备装置放入恒气箱内，所述恒气箱内充有空气或者氧气。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述制备金属热界面材料所需的原料为低熔点金属或低熔点金属和纳米粒子的混合物。10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述在所述外电极和所述内电极上施加的电压为直流电压，且可以变换方向。
【文档编号】B01J19/08GK105990279SQ201510068006
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月9日
【发明人】王磊, 刘静
【申请人】中国科学院理化技术研究所