鎵基液態(tài)金屬熱界面材料(送審稿)1工作簡況1.1任務(wù)來源擔(dān)了起草制定《鎵基液態(tài)金屬熱界面材料》國家標(biāo)準(zhǔn)的任務(wù)，項(xiàng)目計劃編號為1.2標(biāo)準(zhǔn)制定的目的和意義部分界面間充斥著熱傳遞性能極差的空氣(熱導(dǎo)率為0.023W/(m·K)),使界面熱阻過大。采用具有高導(dǎo)熱性能的熱界面材料填充芯片和熱沉的固-固接觸界面間的間隙，可有效增大表面接觸時，因固體表面的粗糙度而存在的間隙的導(dǎo)熱材料。2021年全球熱界面材料市場規(guī)模約為72億元，其中約35%的需求來自中國，但傳統(tǒng)熱界面材料廠商主要是3M、陶氏2所示。應(yīng)力和重復(fù)使用性差等問題。除焊料外，大多數(shù)熱界面前者一般是高導(dǎo)熱顆粒，如金屬顆粒(銀和銅等)、陶瓷顆粒(氮化鋁和氮化硼等)和碳基材料(碳納米管和石墨烯等),其作用是提高導(dǎo)熱性和控制熱界面材料的流變特性；后者一成分的熱導(dǎo)率太低，商用熱界面材料的熱導(dǎo)率最多只有5W/(m·K)左右，逐漸不能滿足電鎵基液態(tài)金屬熱界面材料的導(dǎo)熱性能達(dá)常規(guī)熱界面材料的5~10倍，能夠滿足當(dāng)前高性1.3項(xiàng)目編制組單位變化情況1.4主要參加單位和工作成員及其所作的工作1.4.1主要參加單位情況1.4.2主要工作成員所負(fù)責(zé)的工作情況工作職責(zé)蔡昌禮負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目的總體組織、規(guī)劃、協(xié)調(diào)與實(shí)施陳道通、鄧中山負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)的編寫、試驗(yàn)的開展，提供實(shí)測數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目的征求意見及審查意見的分析和匯總，標(biāo)準(zhǔn)會議答辯等負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)市場、用戶反饋調(diào)研，提供試驗(yàn)樣本，并完成所需材料提供理論支撐，協(xié)調(diào)現(xiàn)場試驗(yàn)胡勁、王建、杜旺麗、蘇海濤、周俊榮、陳柏?zé)?、辛志峰、于洋、白帆協(xié)調(diào)相關(guān)單位資源，指導(dǎo)項(xiàng)目中文件資料的編寫組織開展包裝、運(yùn)輸、貯存的驗(yàn)證(1)2021年10月，全國有色金屬標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會常州(2)2021年11月-2022年2月，對鎵基液態(tài)金屬的國內(nèi)外生產(chǎn)(3)2022年3月-2022年7月，經(jīng)過起草單位研究論證，形成了《鎵基液態(tài)金屬熱界1.5.2征求意見階段1.5.3審查階段1.5.4報批階段3標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的確定依據(jù)3.2術(shù)語和定義3.3分類和等級阻抗與熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)、填充能力(接觸潤濕性)有關(guān)。I型鎵基液態(tài)金屬熱界面材熱添加劑的I型產(chǎn)品的超高導(dǎo)熱系數(shù)并不能有效降低熱阻抗(甚至可能增大熱阻抗)。外市場上的鎵基液態(tài)金屬熱界面材料，對兩項(xiàng)分級指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行了檢驗(yàn)、比較(表1)。生產(chǎn)廠商導(dǎo)熱系數(shù)德國I型/德國/英國TG-I//TIM-PASTE-I/////云南中宣I型//同熱導(dǎo)率的熱界面材料對芯片的熱效應(yīng)。如圖3,仿真結(jié)果表明，當(dāng)熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)降幅僅為13.8℃。即熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)超過20W/(m·K)后，繼續(xù)提升導(dǎo)熱系數(shù)帶來的限，擬定了鎵基液態(tài)金屬熱界面材料產(chǎn)品的等級要求(表2)。圖3不同熱導(dǎo)率的熱界面材料的熱效應(yīng)(圖片來源于中科院理化所，Springer版權(quán)所有)類型等級導(dǎo)熱系數(shù)I型一級二級三級II型一級二級三級鎵基液態(tài)金屬熱界面材料產(chǎn)品主要用于各類電子電器產(chǎn)品中，下游用戶受到國家標(biāo)準(zhǔn)件對GB/T26572-2011中涉及的且在鎵基液態(tài)金屬中可能存在的有害物質(zhì)Pb、Cd、Hg最大金屬熱界面材料產(chǎn)品中(如六價鉻在常溫下就會被金屬鎵還原到低價態(tài)),本文件不做要求。核心指標(biāo)熱阻抗和導(dǎo)熱系數(shù)的測定目前尚無專用的標(biāo)準(zhǔn)方法。當(dāng)前，業(yè)界通常參照測定，但該方法測量導(dǎo)熱系數(shù)時操作繁瑣，重復(fù)性比較差；對膏狀和液態(tài)易流動變形樣品的熱阻抗測定條件與實(shí)際工況條件一致性不足——該標(biāo)準(zhǔn)要求使用限位環(huán)來獲得樣品不同厚度下的總熱阻。除了樣品自身的性能外，熱阻抗還與測試設(shè)備的狀況、特別是測試頭端面的光潔度、平面度相關(guān)，故國內(nèi)外不同廠商根據(jù)ASTMD5470制造的導(dǎo)熱儀水平參差不齊，實(shí)驗(yàn)室間再現(xiàn)性非常差，這也導(dǎo)致有一些熱界面材料廠商宣稱的產(chǎn)品熱阻抗實(shí)際上是通過導(dǎo)熱系數(shù)計算所得的理論值。本文件在修改采用GB/T40540-2021《航天器用導(dǎo)熱硅脂規(guī)范》中測量接觸傳熱系數(shù)的基礎(chǔ)上，提出了熱阻抗的測量方法，明確了對測試頭端面的光潔度、平面度要求，規(guī)定測量厚度的位移傳感器精度，測量結(jié)果更能反應(yīng)鎵基液態(tài)金屬實(shí)際工況下的導(dǎo)熱性能。圖4熱阻抗測量裝置示意圖瞬態(tài)平面熱源法(TPS)能夠準(zhǔn)確高效地測量鎵基液態(tài)金屬熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)。在塑料(ISO22007-2)、建筑材料(GB/T32064)等領(lǐng)域已將瞬態(tài)平面熱源法作為導(dǎo)熱系數(shù)測定的標(biāo)準(zhǔn)方法。GB/T32064-2015采標(biāo)ISO22007-2,但縮小了方法的應(yīng)用范圍，完全刪去了液體導(dǎo)熱系數(shù)的測量。ISO22007-2:2015,6.1.5要求將液體樣品裝在合適的容器中(以滿足探測深度等尺寸要求)并確保排除氣泡；7.1,Note1指出，對于液體樣品的測試，是通過將探頭直接浸入試樣中，確保探頭平整即可，由于鎵基液態(tài)金屬熱界面材料的密度很大，這樣的操作無法實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，測試探頭與鎵基液態(tài)金屬熱界面材料表面的接觸比其與固體樣品表面的接觸更加充分，將容器中的液體/膏狀的熱界面材料視作各向同性的塊狀固體進(jìn)行測試并不損失精度(如圖5)。因此，采用ISO22007-2作為鎵基液態(tài)金屬熱界面材料的純水1純水2純水3水銀1水銀2水銀3液態(tài)鎵1注：樣品1,2,3分別由科威公司，昆明理工大學(xué)，中宣公司使用同一型號(HotDiskTPS2500S)的設(shè)備進(jìn)行的測試；ISO22007-2:2015標(biāo)準(zhǔn)給出的準(zhǔn)確度范圍為2%~5%.產(chǎn)品最極端的工作溫度150℃下2小時的減重比率作為表征揮發(fā)分含量的指標(biāo)。I型的產(chǎn)品導(dǎo)致產(chǎn)品失效，因此應(yīng)限制產(chǎn)品的揮發(fā)率為不大于0.5%。密度、(液態(tài)金屬組分的)熔融溫度、粘度等物理性能是產(chǎn)常以這些性能參數(shù)作為產(chǎn)品應(yīng)用設(shè)計依據(jù)。應(yīng)用需求的多兩個類型產(chǎn)品密度、粘度的測定分別選擇了適用的給出剪切速率時其粘度才有物理意義。圖5給出了幾種典型的I型鎵基液態(tài)金屬熱界面材料的表觀粘度隨剪切速率變化的試驗(yàn)實(shí)際需求進(jìn)行選型。表3給出了鎵基液態(tài)金屬熱界面材料在生產(chǎn)、使用涉及到的主要過程中的剪切速率范圍，可見剪切速率為10s-1~100s-1時的表觀粘度比較適宜作為產(chǎn)品評價的指粘度示值就不再反應(yīng)流體的粘度了，體現(xiàn)為圖5中粘度-剪切速率曲線的拐點(diǎn)。對于鎵基液態(tài)金屬，臨界剪切速率約為30s-1～