一種金屬熱界面材料的制備裝置及方法
【專利摘要】本發明具體涉及一種金屬熱界面材料的制備裝置及方法。本發明制備裝置包括磁鐵、底板、外電極以及內電極；所述磁鐵設置于所述底板下方；所述外電極為柱形圓環，所述內電極為柱形，且所述內電極的半徑小于所述外電極的內半徑；所述外電極和所述內電極固定于所述底板上，且所述內電極位于所述外電極圓環內。所述外電極與所述內電極之間還可設置加熱棒。通過內電極和外電極之間的環形空間形成液態金屬的攪拌運動通道，安培力作用到金屬流體內部的每個體積元上，使得金屬流體整體受力運動，加熱棒在加熱的同時也起到攪拌的作用。同時施加可變方向電壓，可以變換攪拌方向；電壓加大時，液態金屬表面會扭曲翻滾，提高了摻混效率和材料的均勻度。
【專利說明】
一種金屬熱界面材料的制備裝置及方法
技術領域
[0001]本發明涉及材料制備技術領域，具體涉及一種金屬熱界面材料的制備裝置及方法。
【背景技術】
[0002]隨著電子技術越來越向集成化、微型化的方向發展，電子元器件的封裝密度在不斷提高，集成電路的功耗顯著增大，器件內部積累的大量熱量使得器件溫度迅速升高，因此如何將器件熱量迅速傳導至散熱片，提高接觸界面的換熱能力成為研究的熱點。
[0003]表面光滑的界面在微觀尺度上是凸凹不平的，致使兩個固體界面不能完全接觸，從而存在接觸熱阻，由于界面間隙中的空氣是熱的不良導體，使得接觸熱阻很大。
[0004]熱界面材料是一種填充兩固體界面之間的空隙、減小接觸熱阻、提高接觸界面換熱能力的高導熱材料，這種材料通常需要具有較高的熱導率，以及和所接觸的固體表面之間良好的潤濕性。熱界面材料分為導熱硅脂、相變型導熱膠、導熱凝膠、金屬熱界面材料等。其中，金屬熱界面材料包括各種低熔點金屬、焊料、金屬納米流體等。金屬的熱導率通常都遠高于其它有機/無機物，因此作為導熱材料具有天然的優勢。金屬熱界面材料的制備可以通過使低熔點金屬氧化來提高其潤濕性，也可以通過向低熔點金屬中添加高熔點高熱導率的金屬納米顆粒來制得金屬納米流體。目前，金屬熱界面材料的制備主要是以人工或機械攪拌方式來推動攪拌子轉動來進行，或者采用磁力攪拌器的方式進行混合，存在的問題主要是攪拌時間長，難以混合均勻。
【發明內容】
[0005]針對現有技術中通過人工或機械攪拌方式來推動攪拌子轉動來進行，或者采用磁力攪拌器的方式進行混合，存在攪拌時間長、難以混合均勻的缺陷，本發明提供了一種金屬熱界面材料的制備裝置及方法。
[0006]—方面，本發明提供的一種金屬熱界面材料的制備裝置，包括:
[0007]磁鐵、底板、外電極以及內電極；
[0008]所述磁鐵設置于所述底板下方；所述外電極為柱形圓環，所述內電極為柱形，且所述內電極的半徑小于所述外電極的內半徑；所述外電極和所述內電極固定于所述底板上，且所述內電極位于所述外電極圓環內。
[0009]進一步地，所述裝置還包括加熱棒，所述加熱棒設置于所述外電極與所述內電極之間。
[0010]進一步地，所述底板為絕緣材料。
[0011]進一步地，所述外電極和所述內電極的材料為導電金屬材料或導電非金屬材料。
[0012]進一步地，所述外電極和所述內電極采用密封方式固定于所述底板上。
[0013]另一方面，本發明還提供一種采用上述裝置制備金屬熱界面材料的方法，包括:
[0014]將制備金屬熱界面材料所需的原料放入所述外電極和所述內電極之間；
[0015]在所述外電極和所述內電極上施加電壓，驅使所述制備金屬熱界面材料所需的原料旋轉攪拌，攪拌一段時間即制得所述金屬熱界面材料。
[0016]進一步地，所述在所述外電極和所述內電極上施加電壓之前還包括:
[0017]在所述制備金屬熱界面材料所需的原料表面覆蓋一層水或者電解質溶液。
[0018]進一步地，所述在所述外電極和所述內電極上施加電壓之前還包括:
[0019]將所述金屬熱界面材料的制備裝置放入恒氣箱內，所述恒氣箱內充有空氣或者氧氣。
[0020]進一步地，所述制備金屬熱界面材料所需的原料為低恪點金屬或低恪點金屬和納米粒子的混合物。
[0021]進一步地，所述在所述外電極和所述內電極上施加的電壓為直流電壓，且可以變換方向。
[0022]本發明提供的一種金屬熱界面材料的制備裝置及方法，通過內電極和外電極之間的圓環形空間為液體金屬的攪拌運動通道，在內電極和外電極施加直流電壓，所產生的安培力作用到金屬流體內部的每個體積元上，使得金屬流體整體受力運動，加熱棒在加熱的同時也起到攪拌的作用。同時所施加電壓方向可變，可以變換攪拌方向；電壓加大時，液態金屬表面會扭曲翻滾，提高了摻混效率和材料的均勻度。
【附圖說明】
[0023]通過參考附圖會更加清楚的理解本發明的特征和優點，附圖是示意性的而不應理解為對本發明進行任何限制，在附圖中:
[0024]圖1是本發明一個實施例中金屬熱界面材料的制備裝置的結構示意圖；
[0025]圖2是本發明一個實施例中金屬熱界面材料的制備裝置的俯視結構示意圖；
[0026]圖3是本發明一個實施例中金屬熱界面材料的制備裝置的剖視結構示意圖；
[0027]圖4是本發明一個實施例中金屬熱界面材料的制備方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0028]現結合附圖和實施例對本發明技術方案作進一步詳細闡述。
[0029]圖1示出了本實施例中金屬熱界面材料的制備裝置的結構示意圖，如圖1所示，本實施例提供的一種金屬熱界面材料的制備裝置，包括:
[0030]磁鐵1、底板2、外電極3以及內電極4 ;
[0031]所述磁鐵I設置于所述底板2下方；所述外電極3為柱形圓環，所述內電極4為柱形，且所述內電極4的半徑小于所述外電極3的內半徑；所述外電極3和所述內電極4固定于所述底板2上，且所述內電極4位于所述外電極3圓環內。優選的，所述外電極3的軸線和所述內電極4的軸線位于同一條直線上。
[0032]所述裝置進一步還包括加熱棒5，所述加熱棒5設置于所述外電極3與所述內電極4之間。
[0033]所述金屬熱界面材料的制備裝置的俯視結構示意圖如圖2所示，所述金屬熱界面材料的制備裝置的剖視結構示意圖如圖3所示。
[0034]其中，所述磁鐵I可選擇釹鐵硼、釹鎳鈷、釤鈷或鐵氧體等材料制成的永久磁鐵或者電磁鐵。所述磁鐵I的厚度一般為0-10cm。
[0035]同時，所述底板2為絕緣材料，例如采用塑料、玻璃、木材或者石板等絕緣材料制成。
[0036]所述外電極3和所述內電極4的材料為導電金屬材料或導電非金屬材料，所述導電金屬材料例如鉑、金或者鋅等；所述導電非金屬材料例如石墨等。所述加熱棒5的外表面絕緣，并且均勻分布在所述內電極4的周圍。
[0037]進一步地，為了防止液態金屬泄露，所述外電極3和所述內電極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，如圖4所示，本實施例還提供一種采用上述裝置制備金屬熱界面材料的方法，所述方法包括:
[0039]SI，將制備金屬熱界面材料所需的原料放入所述外電極和所述內電極之間。
[0040]其中，制備金屬熱界面材料所需的原料可以為低恪點金屬或低恪點金屬和納米粒子的混合物，例如，選取體積為0-0.5m3的金屬和體積為0-0.02m 3的納米粒子的混合物，金屬熔點在500°C以下。需要說明的是，放入所述外電極和所述內電極之間的制備金屬熱界面材料所需的原料必須與所述外電極和所述內電極接觸，因此原料量不宜過少。
[0041]所述納米粒子為金屬粒子或者非金屬粒子，所述金屬粒子包括銀或者銅；所述非金屬粒子包括碳納米管。
[0042]S2，在所述外電極和所述內電極上施加電壓，驅使所述制備金屬熱界面材料所需的原料旋轉攪拌，攪拌一段時間即制得所述金屬熱界面材料。
[0043]如果所述金屬常溫時為液態，則可采用沒有加熱棒的制備裝置，如果所述金屬常溫時為固態，則制備裝置必須包括加熱棒。在所述外電極和所述內電極上施加電壓后，加熱棒首先產生熱量使固態金屬融化為液態。
[0044]進一步地，所述在所述外電極和所述內電極上施加電壓之前還包括:
[0045]在所述制備金屬熱界面材料所需的原料表面覆蓋一層水或者電解質溶液。施加電壓后，所述水或者電解質溶液會發生電解反應產生氧氣，在液態金屬和納米粒子表面迅速生成一層金屬氧化物。可提高金屬界面材料的黏附性以及制備速度。水或電解質溶液的體積選取O-1m3之間。
[0046]其中，所述電解質溶液為酸性溶液、中性溶液或者堿性溶液，例如，HCl等酸性溶液，NaCl、NaSO4等中性溶液或KOH等堿性溶液，pH值為0_14之間全部可用。
[0047]進一步地，所述在所述外電極和所述內電極上施加電壓之前還包括:
[0048]將金屬熱界面材料的制備裝置放入恒氣箱內，所述恒氣箱內充有空氣或者氧氣；所述恒氣箱的內部空間體積一般為0.001m3-4m3。
[0049]所述在所述外電極和所述內電極上施加的電壓為直流電壓，且為了能夠產生更好的混合效果所述直流電壓為可以變換方向電壓。在所述外電極和所述內電極上施加電壓時，為了有效控制通過液態金屬的電流大小，可串聯一個大小為1mQ-1kQ的限流電阻。所述直流電壓一般為0-50V之間。
[0050]實施例1:以鎵銦合金基磁納米流體熱界面材料的制備為例。
[0051]所采用的制備裝置，所述內電極半徑為2mm，高度為20mm，所述外電極半徑為15mm，高度為10mm，電極材料為石墨，所述加熱棒半徑為1mm，所述磁鐵的磁感強度為300mT，N極方向朝上，所述限流電阻為1Ω，所述恒氣箱內充入壓力為I大氣壓的空氣。稱量20gGaIn24.5合金(熔點為15.6°C )和Ig Fe 304納米顆粒放入外電極和內電極之間，由于常溫下Galn24.5合金即呈液態，所以無需加熱。當內電極和外電極之間加正電壓時，根據左手定則，液態金屬沿逆時針方向運動，反之液態金屬將沿順時針方向運動，設定電壓程序為+5V(ls)和-5V(ls)交替變換。啟動電壓后，液態金屬將做往返運動，表面褶皺翻卷，經過30min-1h，液態金屬與納米粒子被混合均勾，即制得金屬納米流體熱界面材料。
[0052]實施例2:以鎵基金屬氧化物熱界面材料的制備為例。
[0053]所采用的制備裝置，所述內電極半徑為5cm，高度為15mm，所述外電極半徑為15cm，高度為10cm，電極材料為石墨，所述加熱棒半徑為1cm，所述磁鐵的磁感強度為2T，N極方向朝上，所述限流電阻為2Ω，所述恒氣箱內充入壓力為I大氣壓的空氣。稱量Ikg的Ga (熔點為29.80C )放入外電極和內電極之間，并倒入200ml濃度為0.5mol/L的Na2SO4S液。啟動加熱棒將金屬完全熔化并使溫度維持在60°C左右，當內電極和外電極之間加正電壓時，根據左手定則，液態金屬沿逆時針方向運動，反之液態金屬將沿順時針方向運動，設定電壓程序為+15V(ls)和-15V(ls)交替變換。啟動電壓后，Na2SO4溶液被電解，在電極上生成氧氣和氫氣，液態金屬表面迅速生成一層灰色氧化物并出現褶皺翻卷，經過lh，即制得鎵基氧化物熱界面材料。
[0054]本實施例提供的一種金屬熱界面材料的制備裝置及方法，通過內電極和外電極之間的圓環形空間為液體金屬的攪拌運動通道，在內電極和外電極施加直流電壓，所產生的安培力作用到金屬流體內部的每個體積元上，使得金屬流體整體受力運動，加熱棒在加熱的同時也起到攪拌的作用。同時所施加電壓方向可變，可以變換攪拌方向；電壓加大時，液態金屬表面會扭曲翻滾，提高了摻混效率和材料的均勻度。
[0055]雖然結合附圖描述了本發明的實施方式，但是本領域技術人員可以在不脫離本發明的精神和范圍的情況下做出各種修改和變型，這樣的修改和變型均落入由所附權利要求所限定的范圍之內。
【主權項】
1.一種金屬熱界面材料的制備裝置，其特征在于，所述裝置包括: 磁鐵、底板、外電極以及內電極； 所述磁鐵設置于所述底板下方；所述外電極為柱形圓環，所述內電極為柱形，且所述內電極的半徑小于所述外電極的內半徑；所述外電極和所述內電極固定于所述底板上，且所述內電極位于所述外電極圓環內。2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括加熱棒，所述加熱棒設置于所述外電極與所述內電極之間。3.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述底板為絕緣材料。4.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述外電極和所述內電極的材料為導電金屬材料或導電非金屬材料。5.根據權利要求1至4任一項所述的裝置，其特征在于，所述外電極和所述內電極采用密封方式固定于所述底板上。6.一種采用權利要求1至5任一項所述裝置制備金屬熱界面材料的方法，其特征在于，所述方法包括: 將制備金屬熱界面材料所需的原料放入所述外電極和所述內電極之間； 在所述外電極和所述內電極上施加電壓，驅使所述制備金屬熱界面材料所需的原料旋轉攪拌，攪拌一段時間即制得所述金屬熱界面材料。7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述在所述外電極和所述內電極上施加電壓之前還包括: 在所述制備金屬熱界面材料所需的原料表面覆蓋一層水或者電解質溶液。8.根據權利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述在所述外電極和所述內電極上施加電壓之前還包括: 將所述金屬熱界面材料的制備裝置放入恒氣箱內，所述恒氣箱內充有空氣或者氧氣。9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述制備金屬熱界面材料所需的原料為低熔點金屬或低熔點金屬和納米粒子的混合物。10.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述在所述外電極和所述內電極上施加的電壓為直流電壓，且可以變換方向。
【文檔編號】B01J19/08GK105990279SQ201510068006
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月9日
【發明人】王磊, 劉靜
【申請人】中國科學院理化技術研究所