專利名稱：一種金屬納米顆粒基熱界面材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種金屬納米顆?；鶡峤缑娌牧霞捌渲苽浞椒ǎ㈦娮臃庋b材料及其制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當(dāng)今電子產(chǎn)品不斷向小型化、高密度化、大功率化方向發(fā)展，隨之而來，電子器件工作過程中所產(chǎn)生的熱量的密度越來越高，尤其是高功率器件如高功率ニ極管激光器、高亮度發(fā)光二極管和高功率傳感器等。由于工作溫度對(duì)于電子產(chǎn)品的壽命和可靠性有著非常重要的作用，因此，散熱已然成為新一代電子產(chǎn)品迫切需要解決的問題。解決電子器件的散熱問題，可以通過優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法來減少電子系統(tǒng)熱量的產(chǎn)生，還可以利用強(qiáng)制冷卻技術(shù)降低電子器件工作時(shí)的溫度。然而，最直接、簡(jiǎn)單、有效的辦法則是利用具有優(yōu)異導(dǎo)熱能力的熱界面材料快速地將熱量傳導(dǎo)到外界環(huán)境。現(xiàn)有的熱界面材料主要有導(dǎo)熱膏、導(dǎo)熱凝膠、相變熱界面材料、高分子基復(fù)合熱界面材料和金屬熱界面材料等幾類。其中金屬熱界面材料的研發(fā)主要集中在低熔點(diǎn)金屬 (銦、錫等)，而對(duì)于在熱傳導(dǎo)方面極具優(yōu)勢(shì)的銅、銀等金屬材料因?yàn)槠漭^高的熔點(diǎn)而被忽視。近年來，普通的熱界面材料(如導(dǎo)熱膏、導(dǎo)熱凝膠、高分子基復(fù)合熱界面材料等) 已然不能滿足電子技術(shù)中集成度和功率密度進(jìn)ー步提高對(duì)散熱提出的要求，利用新的理念和技術(shù)將具有高導(dǎo)熱能力的金屬開發(fā)成熱界面材料以滿足電子技術(shù)進(jìn)ー步發(fā)展對(duì)散熱的需求，已成為當(dāng)今熱界面材料發(fā)展的ー個(gè)非常重要的方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種金屬納米顆?；鶡峤缑娌牧霞捌渲苽浞椒?。本發(fā)明所提供的ー種金屬納米顆?；鶡峤缑娌牧系闹苽浞椒?，包括如下步驟金屬納米顆粒經(jīng)放電等離子體燒結(jié)即得所述熱界面材料；所述金屬納米顆粒為銀納米顆粒、銅納米顆?；蜚y錫納米顆粒。上述的制備方法中，所述金屬納米顆粒的粒徑可為5nm IOOnm,具體可為7nm、 20nm 或 30nm。上述的制備方法中，所述放電等離子體燒結(jié)的溫度可為150°C 300°C，具體可為 200°C或250°C，真空度可為6Pa 10Pa，具體可為6Pa或10Pa，升溫速率可為50°C /min 80°C /min,具體可為 50°C /min。上述的制備方法中，所述金屬納米顆?？砂凑瞻ㄈ缦虏襟E的方法制備以水作為溶剤，こ酸金屬鹽在還原劑和表面活性劑存在的條件下進(jìn)行反應(yīng)即得產(chǎn)品；所述こ酸金屬鹽可為こ酸銀、こ酸銅或こ酸錫。上述的制備方法中，所述還原劑可為抗壞血酸或硼氫化鈉；所述表面活性劑可為聚丙烯酸鈉或聚こ烯基吡咯烷酮。
上述的制備方法中，所述反應(yīng)的溫度可為9(TC 95 °C，具體可為95 °C，時(shí)間可為20min 30min,具體可為30min ;所述こ酸金屬鹽、還原劑、表面活性劑和水的質(zhì)量份數(shù)比可為(0. 5 2. 5) (0.5 10) (2. 5 20) (100 150)，具體可為
2.5 5. 3 16. 7 100。上述的制備方法中，所述金屬納米顆粒還可按照包括如下步驟的方法制備以甲醇作為溶劑，所述金屬納米顆粒的前驅(qū)體在還原劑和表面活性劑存在的條件下進(jìn)行反應(yīng)即得產(chǎn)品；所述金屬納米顆粒的前驅(qū)體可為硝酸銀、硝酸銅或辛酸亞錫。上述的制備方法中，所述還原劑可為硼氫化鈉；所述表面活性劑可為聚こ烯基吡咯烷酮。上述的制備方法中，所述反應(yīng)的溫度可為0°C 20°C，具體可為0°C，時(shí)間可為 20min 30min,具體可為30min ;所述金屬納米顆粒的前驅(qū)體、還原劑、表面活性劑和甲醇的質(zhì)量份數(shù)比可為(I. 5 3.0) (0.6 I. 6) (1.0 3. 5) (100 150)，具體可為 2.9 I. 5 2. 5 142。本發(fā)明進(jìn)ー步提供了由上述方法制備的熱界面材料。本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了高導(dǎo)熱金屬在較低溫度下的融合，制備成的熱界面材料具有高導(dǎo)熱、可靠性好、實(shí)驗(yàn)重復(fù)性好等特點(diǎn)，能很好地應(yīng)用到電子封裝中的散熱，為下一代高功率電子產(chǎn)品的散熱提供了很好的解決方案。


圖I為熱界面材料的典型應(yīng)用模式。圖2為本發(fā)明實(shí)施例I和2中熱界面材料使用的示意圖，其中銅片模擬典型應(yīng)用模式中的電子工作模塊和散熱片。圖3為實(shí)施例I中獲得的20nm的銀納米顆粒的掃描電鏡照片。圖4為實(shí)施例I中制備的銀納米顆?；鶡峤缑娌牧夏M使用時(shí)的三層結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片。圖5為實(shí)施例I中不同溫度下利用放電等離子體燒結(jié)技術(shù)制備的銀納米顆粒基熱界面材料的熱導(dǎo)率。
具體實(shí)施例方式下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法。下述實(shí)施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。實(shí)施例I、熱界面材料的制備(I)首先，將0.53g的抗壞血酸溶解在4. 76g的三重蒸餾水中，配成摩爾濃度為0. 65mol/L的水溶液，待用；然后，將2. 49g的こ酸銀溶解在IOOml的三重蒸餾水中， 并將溶液加熱到95°C ;接著，在加熱保持溶液溫度的情況下，加入16. 69g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 45wt. %的聚丙烯酸鈉溶液，并充分?jǐn)嚢?5分鐘使聚丙烯酸鈉和こ酸銀均勻地溶解分散在溶液中；再接著，以I滴/秒的速度將配置好的0. 65mol/L的抗壞血酸溶液全部逐滴加入反應(yīng)溶液中(該體系中，こ酸銀、抗壞血酸、聚丙烯酸鈉和三重蒸餾水的質(zhì)量份數(shù)比為 2.5 5.3 16.7 100)，并恒溫?cái)嚢?0分鐘；最后，以15000rpm的轉(zhuǎn)速離心10分鐘將銀納米顆粒分離出來，并用三重蒸餾水清洗，如此重復(fù)離心-清洗6次。(2)首先，將分離得到的銀納米顆粒均勻地涂覆在兩層經(jīng)過打磨的銅片(粗糙度為120nm)之間，并將其并將其置于石墨模具中；然后，利用放電等離子體燒結(jié)(SPS)技木， 在真空6Pa的環(huán)境下以50°C /min的升溫速率從室溫加熱到250°C，并保溫30分鐘，同時(shí)在加熱的過程中一直施加30MPa的壓力，最終兩層銅片經(jīng)過融合后的銀納米顆粒熱界面材料牢固地粘結(jié)起來。本實(shí)施例得到的銀納米顆粒的掃描電鏡照片如圖3所示，可知其粒徑為20nm ;本實(shí)施例制備的熱界面材料模擬使用時(shí)的三層結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片如圖4所示，可知，利用放電等離子體燒結(jié)(SPS)技術(shù)制備的經(jīng)過銀納米顆粒融合制備得到熱界面材料，其厚度為 5 20 y m ;另外，銀納米顆粒熱界面材料與銅片之間的粘結(jié)非常緊密。本實(shí)施例制備的熱界面材料的傳熱性能如圖5所示；其中將放電等離子體燒結(jié)的溫度變化為150°C和200°C，其余條件與本實(shí)施例相同，制備得到的熱界面材料的傳熱性能如圖5所示；其中將粒徑為30nm和IOOnm的銀納米顆粒用與本實(shí)施例相同的方法制備得到的熱界面材料的傳熱性能如圖5所示，由圖5可知，在200°C以下的溫度下將20nm的銀納米顆粒制備成熱界面材料，應(yīng)用到三層結(jié)構(gòu)的模擬體系時(shí)，熱導(dǎo)率不到150W/(mK);將250で 溫度下將20nm和30nm的銀納米顆粒制備的熱界面材料應(yīng)用到三層結(jié)構(gòu)的模擬體系，熱導(dǎo)率均超過了銅片的熱導(dǎo)率-352. IWパmK)，甚至最高值達(dá)到372. 4WパmK)，這說明本發(fā)明制備的銀納米顆粒基熱界面材料的熱傳導(dǎo)性能非常優(yōu)異，應(yīng)用到新一代高功率電子產(chǎn)品中將能很好的解決散熱問題。實(shí)施例2、熱界面材料的制備(I)首先，將2. 5g的聚こ烯基吡咯烷酮(PVP)溶解在180ml的甲醇中，并將溶液置于冰浴中；接著，先后向甲醇溶液中加入2. 4g的硝酸銀和0. 4ml的辛酸亞錫，并充分?jǐn)嚢?5分鐘使聚こ烯基吡咯烷酮、硝酸銀和辛酸亞錫均勻地分散在甲醇溶液中；再接著，向甲醇溶液中加入I. 5g的硼氫化鈉(該體系中，硝酸銀和辛酸亞錫、硼氫化鈉、聚こ烯基吡咯烷酮和甲醇的質(zhì)量份數(shù)比為2. 9 1.5 2.5 142)，冰浴反應(yīng)并攪拌30分鐘；最后， 以12000rpm的轉(zhuǎn)速離心10分鐘將銀錫合金納米顆粒分離出來，并用甲醇清洗，如此重復(fù)離心_清洗6次。(2)首先，將分離得到的銀錫納米顆粒均勻地涂覆在兩層經(jīng)過打磨的銅片(粗糙度為120nm)之間，并將其并將其置于石墨模具中；然后，利用放電等離子體燒結(jié)(SPS)技術(shù)，在真空6Pa的環(huán)境下以50°C /min的升溫速率從室溫加熱到200°C，同時(shí)施加30MPa的壓力，保溫30分鐘，最終兩層銅片經(jīng)過融合后的銀錫納米顆粒熱界面材料牢固地粘結(jié)起來。本實(shí)施例得到了粒徑為7nm的銀錫合金納米顆粒，其中銀錫納米合金顆粒表現(xiàn)出了比銀納米顆粒更低的融合溫度，進(jìn)而能在保證與銀納米顆粒相當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱能力的情況下， 有效地降低放電等離子體燒結(jié)過程所需的溫度，促進(jìn)金屬納米顆?；鶡峤缑娌牧显陔娮臃庋b領(lǐng)域更好的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.ー種金屬納米顆?；鶡峤缑娌牧系闹苽浞椒ǎㄈ缦虏襟E金屬納米顆粒經(jīng)放電等離子體燒結(jié)即得所述熱界面材料；所述金屬納米顆粒為銀納米顆粒、銅納米顆粒或銀錫合金納米顆粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述金屬納米顆粒的粒徑為5nm IOOnm0
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于所述放電等離子體燒結(jié)的溫度為 200°C 300°C，真空度為6Pa 10Pa，升溫速率為50°C /min 80°C /min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于所述金屬納米顆粒按照包括如下步驟的方法制備以水作為溶剤，こ酸金屬鹽在還原劑和表面活性劑存在的條件下進(jìn)行反應(yīng)即得產(chǎn)品；所述こ酸金屬鹽為こ酸銀、こ酸銅或こ酸錫。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述還原劑為抗壞血酸或硼氫化鈉；所述表面活性劑為聚丙烯酸鈉或聚こ烯基吡咯烷酮。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于所述反應(yīng)的溫度為90°C 95°C，時(shí)間為20min 30min ;所述こ酸金屬鹽、還原劑、表面活性劑和水的質(zhì)量份數(shù)比為(0. 5 2.5) (0. 5 10) (2. 5 20) (100 150)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于所述金屬納米顆粒按照包括如下步驟的方法制備以甲醇作為溶劑，所述金屬納米顆粒的前驅(qū)體在還原劑和表面活性劑存在的條件下進(jìn)行反應(yīng)即得產(chǎn)品；所述金屬納米顆粒的前驅(qū)體為硝酸銀、硝酸銅、辛酸亞錫。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述還原劑為硼氫化鈉；所述表面活性劑為聚こ稀基卩比略燒麗。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于所述反應(yīng)的溫度為0°C 20°C，時(shí)間為20min 30min ;所述金屬納米顆粒的前驅(qū)體、還原劑、表面活性劑和甲醇的質(zhì)量份數(shù)比為(I. 5 3.0) (0.6 I. 6) (1.0 3. 5) (100 150)。
10.權(quán)利要求1-9中任一所述方法制備的熱界面材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬納米顆粒基熱界面材料及其制備方法。該制備方法包括如下步驟金屬納米顆粒經(jīng)放電等離子體燒結(jié)即得所述熱界面材料；所述金屬納米顆粒為銀納米顆粒、銅納米顆?；蜚y錫合金納米顆粒。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了高導(dǎo)熱金屬在較低溫度下的融合，制備成的熱界面材料具有高導(dǎo)熱、可靠性好、實(shí)驗(yàn)重復(fù)性好等特點(diǎn)，能很好地應(yīng)用到電子封裝中的散熱，為下一代高功率電子產(chǎn)品的散熱提供了很好的解決方案。
文檔編號(hào)C09K5/14GK102601362SQ20121007463
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月20日
發(fā)明者余暉, 張玉駿, 李亮亮 申請(qǐng)人:清華大學(xué)