液态金属热界面材料的性能及应用探究

众所周知，金属的热导率远远高于非金属材料，如果能将低熔点金属或其合金作为热界面材料，其导热性能将远优于常规的热界面材料。Hamdan等人将汞的微液滴沉积在硅衬底上制备金属热界面材料，其界面热阻仅为0.235 mm2·K／W，远低于传统的热界面材料［9］。相对于汞，液态金属镓及其合金除了具有类似汞的低熔点、高导热率以及流动性好等优点，更重要的是无毒，使用更加安全可靠。因此，基于低熔点液体金属或合金的芯片散热技术得以应运而生［10］。在此基础上，笔者实验室还首次提出了纳米金属流体的概念［11，12］，这实际上建立了研制自然界导热率最高的液体工质或热界面材料的工程学途径，此类工质不仅有别于传统的纳米流体或导热膏，同时相对于纯金属流体或常规热界面材料具有更优良的导热特性（图5-4），理论热导率可达60～80 W／（m·K）［12］，远高出常规热界面材料如硅油或其添加高导热纳米颗粒材料时的1个量级，是一种十分理想的热界面材料和终极冷却剂。

图5-4　理论预测的典型纳米颗粒加入液态镓中引起导热率变化情况［12］

IBM公司曾利用镓及其低熔点合金研制成一种新型的液态金属热界面材料［13］。尽管如此，液态金属较差的润湿性能严重束缚了液态金属作为热界面材料的应用与发展，所以该公司产品迄今少见于市场。液态金属用于热界面材料需要解决的关键问题在于，低熔点液态金属由于自身较大的表面张力，会导致其与各种材料的润湿性不够理想。一方面，将这种材料填充于界面后容易溢出，且仍会有部分接触面存在一定空隙，从而影响其导热性能；另一方面，液态金属较差的润湿性，使得高导热纳米颗粒的添加困难重重。受这些条件约束，自然界导热率最高的液态金属热界面材料的制备并不易实现。为此，如何有效提高液态金属与不同基底材料的润湿性，成为液态金属用作热界面材料的一大挑战。

高云霞等［1］首次提出微量氧化法用于制备液态金属热界面材料，有效克服了常规液态金属因表面张力大而引起的界面润湿性差的问题，显著提高了其与各种材料的润湿性能，使其可以像导热硅脂一样，均匀地涂抹于芯片与散热系统之间，填充更加有效方便，界面热阻大大减小，较之常规硅油基热界面材料其导热性能有了大幅提高。

为实现不同领域或条件下的散热需求，液态金属热界面材料可以制作成具有不同形态的产品形式，如热界面材料垫、管式封装热界面材料等［1］。如图5-5所示，（a）和（b）为镓基或镓合金基热界面材料垫，使用时可按照实际需求将其裁剪成不同的形状；（c）和（d）为采用管式封装的镓基或镓合金基热界面材料，其使用方法与一般的导热硅脂无差别，使用时可按照实际需求将其均匀涂抹于发热芯片上即可。

图5-5　镓基液态金属热界面材料产品形式

（a）、（b）为镓基或镓合金基金属热界面材料垫；（c）、（d）为管式封装液态金属热界面材料。(www.xing528.com)

在上述工作基础上，目前已有企业开发了系列液态金属热界面材料产品，如液态金属导热膏（以镓基液态金属为主，熔点约8℃）、液态金属导热片（以铋基合金为主，熔点约60℃），并将其推广应用到CPU、IGBT、LED等光电芯片的散热领域。图5-6为目前市场上液态金属热界面材料的代表性产品。

由于液态金属热界面材料优良的导热性能以及润湿性能，在芯片及光电器件的散热方面已发挥重要作用。图5-7为液态金属导热片产品应用于LED路灯产品，功率为200 W，使用液态金属热界面材料后，由于界面热阻小，稳定工作状态基底对环境温升约35℃，比传统导热硅脂降低约5℃，且性能更为稳定。

图5-6　液态金属热界面材料的代表性产品

（a）为液态金属导热膏（熔点约8℃）；（b）为液态金属导热片（熔点约60℃）；（c）为系列化不同熔点液态金属导热片。

图5-7　液态金属热界面材料用于LED路灯产品

低熔点液态金属作为一种新型的热界面材料，其热物理性质与传统热界面材料有着非常显著的差异，无论在计算机芯片以及各种大功率军民用电子设备、光电器件以及近年来发展迅速的微纳电子机械系统等先进设备中，都将显示其独特高效的散热能效，有效地保证电子元器件稳定而可靠的工作。此外，液态金属还可与其他热界面材料进行复合，例如传统导热硅脂等［14］，包括发展出高导热性但电学绝缘的热界面材料［15］，此类材料在电子封装领域十分有用。