液态金属高导热电绝缘界面与封装材料的优化方案

如前所述，低熔点液态金属由于导电率高、导热性能优良，比较适合制作成高导热热界面材料。然而，液态金属对某些基底如铝合金结构材料会造成腐蚀，因此，相应热界面材料须予以一定改性，以满足更多需求；同时，在某些电子器件应用场合，热界面或封装材料需做到电学绝缘，以避免器件发生短路危险。笔者实验室为此发展了对应的高导热电绝缘液态金属材料［15］。图5-12为一种典型的液态金属填充型导热硅脂制备工艺，其中，采用液态金属镓基合金Ga67In20.5Sn12.5作为导热填料，201-甲基硅油作为基体介质，可制备出相应的液态金属填充型复合导热硅脂。事实上，这一基本原理有普遍适用性。沿此基本思路，可借助更多的匹配材料和制备工艺，设计出满足各种需求的液态金属复合界面与封装材料，这实际上成为近年来国际上后续研发液态金属新型复合材料的基本途径［16］。

图5-12　液态金属填充型复合导热硅脂的制备工艺［15］

图5-13（c）～（f）分别反映4种不同液态金属体积分数的复合导热硅脂的微观形貌［15］。从中可见，液态金属微型液滴可以均匀分布于硅油基体之中，形成复合二元体系。根据需要及特定制备工艺，液态金属微液滴在硅油基体之中可确保既定的分散度，而不发生相互接触，由此可实现材料的绝缘性。随着液态金属填充量的增加，复合体系中液态金属微型液滴的聚集程度越来越高，相应复合导热硅脂的有效热导率增高、电阻值降低。

图5-1 3　纯液态金属、经氧化后的液态金属以及4种配比的液态金属填充型复合导热硅脂的微观形貌［15］(www.xing528.com)

研究表明［15］，液态金属填充型导热硅脂作为新型热界面材料，其界面导热性能远高于市售的大部分导热硅脂（图5-14）。相对于无掺杂的液态金属而言，其高电阻抗的特性（图5-15）大大降低了电子设备发生电路短路的风险，有望应用于LED等高功率密度电子设备的封装应用。

图5-14　液态金属填充型复合导热硅脂的热导率随液态金属体积分数的变化［15］

图5-15　液态金属填充型复合导热硅脂的电阻率随着液态金属体积比的变化［15］