镓基液态金属复合硅胶热界面材料的实验研究

摘要：采用扫描电子显微镜和稳态法界面接触热阻测试装置分别对镓基液态金属复合硅胶热界面材料的微观组织和界面接触热阻进行了表征和测试。通过对材料微观组织的分析发现该材料由液态金属微观液滴、硅胶基体以及混合态组织构成。同时，在稳态热流输入的条件下对材料在不同压力、不同温度和不同厚度条件下的界面接触热阻进行了测试并发现了三者之间的关联性，而通过100 ℃下的长周期老化实验则证实了材料在240 h周期的界面接触热阻是十分稳定可靠的。

关键词：液态金属;热界面材料;界面接触热阻;导热性能;老化实验

0    引言

近年来，热管理在诸如消费类电子、新能源汽车、高功率发热光源以及新一代电驱动模组等领域电子设备的冷却系统中扮演着十分重要的角色[1-3]。随着在相关领域应用需求中发热功率以及能量密度的逐步升级，对于热管理系统的散热需求也将大幅度增加，因此国际电子制造协会（IEMI）在2013年宣布开始将热管理列为未来优先发展的研究方向[4-5]。热界面材料在热管理系统中通常会占据较大的比重，其作用是使热量高效地在热端和冷端之间传输。传统的热界面材料包括硅脂、相变材料、凝胶以及热垫等，主要是以高分子基材料为主，导热系数在0.5～10 W/（m·K），界面接触热阻在0.1～1 cm2·K/W，其热物理性能已经被应用到相对瓶颈的状态，无法满足更高的应用需求。镓基液态金属由于其具备更高的导热性能[导热系数通常在20 W/（m·K）以上]、更低的界面接触热阻（通常在0.05 cm2·K/W左右）以及优秀的粘合顺应性和润湿性，同时又具备较低的成本且对环境无危害，因此作为新的热界面材料越来越受到关注[6-8]。

在目前的实际工程应用中，为了满足更为广泛的应用需求，镓基液态金属合金更多地会与导热性能相对较好的银、铜、钨等金属颗粒以及其他非金属材料进行复合形成热界面复合材料，其中金属颗粒复合在实际应用中使用比较广泛，为此国内外研究者围绕着镓基液态金属复合材料展开了大量的研究[9-12]。而对于镓基液态金属复合非金属热界面材料方面的研究还相对较少，M. I. Raphs等人[13]对液态金属和固态金属复合硅基材料的热导性能进行了研究，Liu Han等人[14]对镓基液态金属与氮化铝和聚二甲基硅氧烷三元热界面材料在电子设备散热中的应用进行了研究，梅生福[15]等人对液态金属填充型硅脂导热性能进行了实验研究。基于此，本研究将对镓基液态金属复合硅胶热界面材料的微观组织和界面接触热阻性能进行研究。

1    材料与测试方法

本研究中所采用的鎵基液态金属合金成分选取Galinstan三元Ga-In-Sn共晶合金成分，其化学元素成分（质量分数，%）为68.5Ga，21.5In，10.0Sn，液体硅胶材料选用黏度为100 Pa·s的有机硅胶材料。液态金属合金熔炼前，将原料表面进行机械抛光，并在无水乙醇中进行超声波清洗，采用精密的电子天平对原料进行称重。合金熔炼采用水浴加热的方式，将原料放置在密闭的玻璃容器内加热至120 ℃并保温40 min，然后将制得的液态金属合金与液体硅胶以10：1的比例进行混合。图1是本研究中的镓基液态金属复合硅胶热界面材料的样品照片。混合时，先将液体硅胶放入混合容器内，后将液态金属放入。采用离心式混料机进行混料，转速被设置为120 r/min，混料时间为30 min。

在本研究中采用扫描电子显微镜（Sirion 200，美国FEI公司生产）对材料的微观组织进行观察和分析，采用自主设计和开发的稳态法界面接触热阻测试系统分别对材料在不同温度下（60～100 ℃）、不同压力下（0.3～0.5 MPa）和不同厚度下（0.3～0.7 mm）的界面接触热阻进行测试，并对材料在100 ℃下的240 h长周期老化性能进行评估。

2    结果分析与讨论

图2是本研究中镓基液态金属复合硅胶热界面材料在SEM下的微观组织。由图可以很明显地观察到3种不同的微观组织区域的存在，其中A区域显示为较为光亮的金属光泽，B区域显示为较为黑暗的颜色，C区域则显示为A区域与B区域混合下的状态。

表1显示了不同微观组织区域下的化学成分组成。根据不同微观组织区域的化学成分组成可以发现，A区域为液态金属的微观小液滴，其尺寸在30～50 μm，显示为不规则的形态;而B区域为硅胶基体材料;C区域的化学成分介于液态金属与硅胶成分之间，因此可以证明在高速的离心混合条件下能够将液态金属液滴破碎从而形成更为细小的混合态微观组织。

图3显示了本研究中稳态法界面接触热阻测试的原理，实验根据ASTM D5470测试标准设计[16]，采用4个温度传感器分别对铜盘中心位置的温度进行测量，其中温度传感器1和2之间与温度传感器3和4之间的间距均为d，温度传感器2和3距离铜盘表面的距离均为D。

当热量从热端向冷端传输时，铜热盘和铜冷盘中的热流Qhot和Qcold可由数学表达式（1）和（2）表示：

图4（a）和（b）分别显示了在不同温度条件下镓基液态金属复合硅胶热界面材料的界面接触热阻。可以发现，随着温度的降低，材料在不同厚度下的界面接触热阻都呈现了上升的趋势，而随着样品厚度的增加，材料在不同温度下的界面接触热阻也都呈现了上升趋势。100 ℃时，0.4 MPa的压力下材料在0.3 mm、0.5 mm和0.7 mm厚度时的界面接触热阻分别为0.141 2 K·cm2/W、0.198 3 K·cm2/W和0.251 7 K·cm2/W;80 ℃时，0.156 3 K·cm2/W、0.211 4 K·cm2/W和0.259 1 K·cm2/W;而在60 ℃时，则为0.178 8 K·cm2/W、0.230 4 K·cm2/W和0.268 9 K·cm2/W，如图4（a）所示。

同时，随着压力的增加，材料在不同温度下（厚度为0.5 mm）的界面接触热阻则呈现了下降的趋势。0.3 MPa压力下，材料在60 ℃、80 ℃和100 ℃下的界面接触热阻分别为0.251 4 K·cm2/W、0.236 7 K·cm2/W和0.211 5 K·cm2/W;0.4 MPa压力下，分别为0.230 4 K·cm2/W、0.211 4 K·cm2/W和0.198 3 K·cm2/W;而在0.5 MPa压力下，则分别为0.207 8 K·cm2/W、0.189 9 K·cm2/W、0.173 2 K·cm2/W，如图4（b）所示。

为了验证镓基液态金属复合硅胶热界面材料在铜热端应用的可靠性，本研究在稳态热流输入条件（热端恒温100 ℃）下对材料进行较长周期（240 h）的界面接触热阻老化实验。测试采用0.5 mm厚的样品进行，样品压力被设置为0.4 MPa，图5显示了材料在长周期老化实验中界面接触热阻的变化情况。可以发现，材料的界面接触热阻在最初的24 h内出现了小幅度的波动（0.228 1 K·cm2/W至0.233 2 K·cm2/W），随后开始处于稳定的状态，样品在整个240 h的老化实验周期内，界面接触热阻均可以稳定在（0.231 0±0.003）K·cm2/W的范围内。因此，可以证明镓基液态金属复合硅胶热界面材料在240 h周期的界面接触热阻是十分稳定可靠的。

3    结语

镓基液态金属复合硅胶热界面材料的微观组织由液态金属微观液滴、硅胶基体以及混合态组织构成。在稳态热流输入条件下，随着温度的降低（從100 ℃至60 ℃），材料在不同厚度下的界面接触热阻都呈现了上升的趋势;而随着样品厚度的增加（从0.3 mm至0.5 mm），材料在不同温度下的界面接触热阻也都呈现了上升趋势;随着压力的增加（从0.3 MPa至0.5 MPa），材料在不同温度下（厚度为0.5 mm）的界面接触热阻则呈现了下降的趋势。100 ℃下长周期老化实验可以证明材料在240 h周期的界面接触热阻是十分稳定可靠的。

[参考文献]

[1] PROKHORENKO V Y，ROSHCHUPKIN V V，POKRASIN M A，et al. Liquid Gallium：Potential Uses as a Heat-Transfer Agent[J].High Temperature，2000，38（6）：954-968.

[2] DENG Y G，LIU J.A liquid metal cooling system for the thermal management of high power LEDs[J].Interna-tional Communications in Heat & Mass Transfer，2010，37（7）：788-791.

[3] ROY C K，BHAVNANI S，HAMILTON M C，et al.Investigation into the application of low melting temperature alloys as wet thermal interface materials[J].Interna-tional Journal of Heat and Mass Transfer，2015，85： 996-1002.

[4] MARTIN Y，KESSEL T V.High performance Liquid Metal Thermal Interface for Large Volume Production[C]// IMAPS Thermal and Power Management，San Jose CA，2007.

[5] PFAHL B，FU H，CHUCK R.Highlights of iNEMI 2013 technology roadmaps[C]// 2012 35th IEEE/CPMT Internatiional Electronic Manufacturing Technology Symposium（IEMT），2012.

[6] ROY C K，BHAVNANI S，HAMILTON M C，et al.Thermal performance of low melting temperature alloys at the interface between dissimilar materials[J].Applied Thermal Engineering，2016，99：72-79.

[7] 谢开旺，马坤全，刘静，等.二元室温金属流体热导率的理论计算与实验研究[J].工程热物理学报，2009，30（10）：1763-1766.

[8] ROY C K，BHAVNANI S，HAMILTON M C，et al.Accelerated aging and thermal cycling of low melting temperature alloys as wet thermal interface materials[J]. Microelectronics Reliability，2015，55（12）：2698-2704.

[9] 高云霞，刘静，王先平，等.镓基液态金属热界面材料的性能研究[J].工程热物理学报，2017，38（5）：1077-1081.

[10] BOOTH R B，GRUBE G W，GRUBER P A，et al.Liquid metal matrix thermal paste：US5198189 A[P].1993-03-30.

[11] 李根，纪玉龙，孙玉清，等.新型铜颗粒填充的液态金属热界面材料导热性能实验研究[J].西安交通大学学报，2016，50（9）：61-65.

[12] TANG J B，ZHAO X，LI J，et al.Gallium-Based liquid metal amalgams：transitional-state metallic mixtures （transM2ixes）with enhanced and tunable electrical， thermal，and mechanical properties[J].ACS Applied Materials & Interfaces，2017，9（41）：35977-35987.

[13] RALPHS M I，KEMME N，VARTAK P B，et al.In Situ Alloying of Thermally Conductive Polymer Composites by Combining Liquid and Solid Metal Microadditives[J].ACS Applied Materials & Interfaces，2018，10（2）：2083-2092.

[14] LIU H，LIU H Q，LIN Z Y，et al.AlN/Ga-based liquid metal/PDMS ternary thermal grease for heat dissipa-tion in electronic devices[J].Rare Metal Materials and Engineering，2018，47（9）：2668-2674.

[15] 梅生福，高云霞，鄧中山，等.液态金属填充型硅脂导热性能实验研究[J].工程热物理学报，2015，36（3）：624-626.

[16] Standard Test Method for Thermal Transmission Proper-ties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials：ASTM D5470-17[S].ASTM International，West Conshohocken，PA，2017.

收稿日期：2020-03-24

作者简介：姜珂（1984—），男，辽宁沈阳人，博士研究生，工程师，主要从事先进功能材料的应用研究工作。