CN 102601362 A.doc

一种金属纳米颗粒基热界面材料及其制备方法一种金属纳米颗粒基热界面材料及其制备方法 CN 102601362 A 摘要摘要 本发明公开了一种金属纳米颗粒基热界面材料及其制备方法 该制备方法包括如下步骤 金属 纳米颗粒经放电等离子体烧结即得所述热界面材料 所述金属纳米颗粒为银纳米颗粒 铜纳米 颗粒或银锡合金纳米颗粒 本发明实现了高导热金属在较低温度下的融合 制备成的热界面材 料具有高导热 可靠性好 实验重复性好等特点 能很好地应用到电子封装中的散热 为下一 代高功率电子产品的散热提供了很好的解决方案 权利要求权利要求 10 1 种金属纳米颗粒基热界面材料的制备方法 包括如下步骤 金属纳米颗粒经放电等离子体 烧结即得所述热界面材料 所述金属纳米颗粒为银纳米颗粒 铜纳米颗粒或银锡合金纳米颗粒 2 根据权利要求 I 所述的方法 其特征在于 所述金属纳米颗粒的粒径为 5nm IOOnm0 3 根据权利要求 I 或 2 所述的方法 其特征在于 所述放电等离子体烧结的温度为 200 C 300 C 真空度为 6Pa 10Pa 升温速率为 50 C min 80 C min 4 根据权利要求 1 3 中任一所述的方法 其特征在于 所述金属纳米颗粒按照包括如下步骤的 方法制备 以水作为溶剤 酸金属盐在还原剂和表面活性剂存在的条件下进行反应即得产 品 所述 酸金属盐为 酸银 酸铜或 酸錫 5 根据权利要求 4 所述的方法 其特征在于 所述还原剂为抗坏血酸或硼氢化钠 所述表面活 性剂为聚丙烯酸钠或聚 烯基吡咯烷酮 6 根据权利要求 4 或 5 所述的方法 其特征在于 所述反应的温度为 90 C 95 C 时间为 20min 30min 所述 酸金属盐 还原剂 表面活性剂和水的质量份数比为 0 5 2 5 0 5 10 2 5 20 100 150 7 根据权利要求 1 3 中任一所述的方法 其特征在于 所述金属纳米颗粒按照包括如下步骤的 方法制备 以甲醇作为溶剂 所述金属纳米颗粒的前驱体在还原剂和表面活性剂存在的条件下 进行反应即得产品 所述金属纳米颗粒的前驱体为硝酸银 硝酸铜 辛酸亚锡 8 根据权利要求 7 所述的方法 其特征在于 所述还原剂为硼氢化钠 所述表面活性剂为聚 稀基卩比略烧丽 9 根据权利要求 7 或 8 所述的方法 其特征在于 所述反应的温度为 0 C 20 C 时间为 20min 30min 所述金属纳米颗粒的前驱体 还原剂 表面活性剂和甲醇的质量份数比为 I 5 3 0 0 6 I 6 1 0 3 5 100 150 10 权利要求 1 9 中任一所述方法制备的热界面材料 说明说明 种金属纳米颗粒基热界面材料及其制备方法 技术领域 0001 本发明涉及 种金属纳米颗粒基热界面材料及其制备方法 微电子封装材料及其制备技 术领域 背景技术 0002 当今电子产品不断向小型化 高密度化 大功率化方向发展 随之而来 电子器件工作 过程中所产生的热量的密度越来越高 尤其是高功率器件如高功率 极管激光器 高亮度发光 二极管和高功率传感器等 由于工作温度对于电子产品的寿命和可靠性有着非常重要的作用 因此 散热已然成为新一代电子产品迫切需要解决的问题 解决电子器件的散热问题 可以通 过优化系统设计的方法来减少电子系统热量的产生 还可以利用強制冷却技术降低电子器件工 作时的温度 然而 最直接 简单 有效的办法则是利用具有优异导热能力的热界面材料快速 地将热量传导到外界环境 0003 现有的热界面材料主要有导热膏 导热凝胶 相变热界面材料 高分子基复合热界面材 料和金属热界面材料等几类 其中金属热界面材料的研发主要集中在低熔点金属 铟 锡等 而对于在热传导方面极具优势的铜 银等金属材料因为其较高的熔点而被忽视 0004 近年来 普通的热界面材料 如导热膏 导热凝胶 高分子基复合热界面材料等 已 然不能满足电子技术中集成度和功率密度进 步提高对散热提出的要求 利用新的理念和技术 将具有高导热能力的金属开发成热界面材料以满足电子技术进 步发展对散热的需求 已成为 当今热界面材料发展的 个非常重要的方向 发明内容 0005 本发明的目的是提供 种金属纳米颗粒基热界面材料及其制备方法 0006 本发明所提供的 种金属纳米颗粒基热界面材料的制备方法 包括如下步骤 0007 金属纳米颗粒经放电等离子体烧结即得所述热界面材料 所述金属纳米颗粒为银纳米颗 粒 铜纳米颗粒或银锡纳米颗粒 0008 上述的制备方法中 所述金属纳米颗粒的粒径可为 5nm IOOnm 具体可为 7nm 20nm 或 30nm 0009 上述的制备方法中 所述放电等离子体烧结的温度可为 150 C 300 C 具体可为 200 C 或 250 C 真空度可为 6Pa 10Pa 具体可为 6Pa 或 10Pa 升温速率可为 50 C min 80 C min 具体可为 50 C min 0010 上述的制备方法中 所述金属纳米颗粒可按照包括如下步骤的方法制备 以水作为溶剤 酸金属盐在还原剂和表面活性剂存在的条件下进行反应即得产品 所述 酸金属盐可为 酸 银 酸铜或 酸錫 0011 上述的制备方法中 所述还原剂可为抗坏血酸或硼氢化钠 所述表面活性剂可为聚丙烯 酸钠或聚 烯基吡咯烷酮 0012 上述的制备方法中 所述反应的温度可为 9 TC 95 C 具体可为 95 C 时间可为 20min 30min 具体可为 30min 所述 酸金属盐 还原剂 表面 活性剂和水的质量份数比可为 0 5 2 5 0 5 10 2 5 20 100 150 具体 可为 2 5 5 3 16 7 100 0013 上述的制备方法中 所述金属纳米颗粒还可按照包括如下步骤的方法制备 以甲醇作为 溶剂 所述金属纳米颗粒的前驱体在还原剂和表面活性剂存在的条件下进行反应即得产品 所 述金属纳米颗粒的前驱体可为硝酸银 硝酸铜或辛酸亚锡 0014 上述的制备方法中 所述还原剂可为硼氢化钠 所述表面活性剂可为聚 烯基吡咯烷酮 0015 上述的制备方法中 所述反应的温度可为 0 C 20 C 具体可为 0 C 时间可为 20min 30min 具体可为 30min 所述金属纳米颗粒的前驱体 还原剂 表面活性剂和甲醇的质 量份数比可为 I 5 3 0 0 6 I 6 1 0 3 5 100 150 具体可为 2 9 I 5 2 5 142 0016 本发明进 步提供了由上述方法制备的热界面材料 0017 本发明具有以下有益效果 本发明实现了高导热金属在较低温度下的融合 制备成的热 界面材料具有高导热 可靠性好 实验重复性好等特点 能很好地应用到电子封装中的散热 为下一代高功率电子产品的散热提供了很好的解决方案 附图说明 0018 图 I 为热界面材料的典型应用模式 0019 图 2 为本发明实施例 I 和 2 中热界面材料使用的示意图 其中铜片模拟典型应用模式中 的电子工作模块和散热片 0020 图 3 为实施例 I 中获得的 20nm 的银纳米颗粒的扫描电镜照片 0021 图 4 为实施例 I 中制备的银纳米颗粒基热界面材料模拟使用时的三层结构的扫描电镜照 片 0022 图 5 为实施例 I 中不同温度下利用放电等离子体烧结技术制备的银纳米颗粒基热界面材 料的热导率 具体实施方式 0023 下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明 均为常规方法 0024 下述实施例中所用的材料 试剂等 如无特殊说明 均可从商业途径得到 0025 实施例 I 热界面材料的制备 0026 I 首先 将 0 53g 的抗坏血酸溶解在 4 76g 的三重蒸馏水中 配成摩尔浓度为 0 65mol L 的水溶液 待用 然后 将 2 49g 的 酸银溶解在 IOOml 的三重蒸馏水中 并将溶 液加热到 95 C 接着 在加热保持溶液温度的情况下 加入 16 69g 质量分数为 45wt 的 聚丙烯酸钠溶液 并充分搅拌 15 分钟使聚丙烯酸钠和 酸银均匀地溶解分散在溶液中 再接 着 以 I 滴 秒的速度将配置好的 0 65mol L 的抗坏血酸溶液全部逐滴加入反应溶液中 该体系 中 酸银 抗坏血酸 聚丙烯酸钠和三重蒸馏水的质量份数比为 2 5 5 3 16 7 100 并恒温搅拌 30 分钟 最后 以 15000rpm 的转速离心 10 分钟将银纳米颗粒分离出来 并用三重蒸馏水清洗 如此重复离心 清洗 6 次 0027 2 首先 将分离得到的银纳米颗粒均匀地涂覆在两层经过打磨的铜片 粗糙度为 120nm 之间 并将其并将其置于石墨模具中 然后 利用放电等离子体烧结 SPS 技木 在 真空 6Pa 的环境下以 50 C min 的升温速率从室温加热到 250 C 并保温 30 分钟 同时在 加热的过程中一直施加 30MPa 的压力 最終两层铜片经过融合后的银纳米颗粒热界面材料牢 固地粘结起来 0028 本实施例得到的银纳米颗粒的扫描电镜照片如图 3 所示 可知其粒径为 20nm 本实施 例制备的热界面材料模拟使用时的三层结构的扫描电镜照片如图 4 所示 可知 利用放电等离 子体烧结 SPS 技术制备的经过银纳米颗粒融合制备得到热界面材料 其厚度为 5 20 y m 另外 银纳米颗粒热界面材料与铜片之间的粘结非常紧密 0029 本实施例制备的热界面材料的传热性能如图 5 所示 其中将放电等离子体烧结的温度变 化为 150 C 和 200 C 其余条件与本实施例相同 制备得到的热界面材料的传热性能如图 5 所示 其中将粒径为 30nm 和 IOOnm 的银纳米颗粒用与本实施例相同的方法制备得到的热 界面材料的传热性能如图 5 所示 由图 5 可知 在 200 C 以下的温度下将 20nm 的银纳米颗 粒制备成热界面材料 应用到三层结构的模拟体系时 热导率不到 150W mK 将 250 温度 下将 20nm 和 30nm 的银纳米颗粒制备的热界面材料应用到三层结构的模拟体系 热导率均超 过了铜片的热导率 352 IW mK 甚至最高值达到 372 4W mK 这说明本发明制备的银 纳米颗粒基热界面材料的热传导性能非常优异 应用到新一代高功率电子产品中将能很好的解 决散热问题 0030 实施例 2 热界面材料的制备 0031 I 首先 将 2 5g 的聚 烯基吡咯烷酮 PVP 溶解在 180ml 的甲醇中 并将溶液置于冰 浴中 接着 先后向甲醇溶液中加入 2 4g 的硝酸银和 0 4ml 的辛酸亚锡 并充分搅拌 15 分 钟使聚 烯基吡咯烷酮 硝酸银和辛酸亚锡均匀地分散在甲醇溶液中 再接着 向甲醇溶液中 加入 I 5g 的硼氢化钠 该体系中 硝酸银和辛酸亚锡 硼氢化钠 聚 烯基吡咯烷酮和甲醇的 质量份数比为 2 9 1 5 2 5 142 冰浴反应并搅拌 30 分钟 最后 以 12000rpm 的转速离心 10 分钟将银锡合金纳米颗粒分离出来 并用甲醇清洗 如此重复离心 清洗 6 次 0032 2 首先 将分离得到的银锡纳米颗粒均匀地涂覆在两层经过打磨的铜片 粗糙度为 120nm 之间 并将其并将其置于石墨模具中 然后 利用放电