專利名稱：一種熱界面材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱界面材料及其制造方法，尤其涉及一種利用碳納米管導(dǎo)熱的熱界面材料及其制造方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體器件集成工藝的快速發(fā)展，半導(dǎo)體器件的集成化程度越來(lái)越高，但是，器件體積卻變得越來(lái)越小，其對(duì)散熱的需求越來(lái)越高，已成為一個(gè)越來(lái)越重要的問(wèn)題。為滿足該需要，風(fēng)扇散熱、水冷輔助散熱及熱管散熱等各種散熱方式被廣泛運(yùn)用，并取得一定的散熱效果，但因散熱器與半導(dǎo)體集成器件的接觸界面的不平整，一般相互接觸面積不到2％，沒(méi)有一個(gè)理想的接觸界面，從根本上影響半導(dǎo)體器件向散熱器傳遞熱量的效果，故，在散熱器與半導(dǎo)體器件之間增加一具較高熱傳遞系數(shù)的熱界面材料以增加界面之接觸程度實(shí)為必要。
傳統(tǒng)熱界面材料是將導(dǎo)熱系數(shù)較高的顆粒分散于銀膠基體以形成復(fù)合材料，如石墨、氮化硼、氧化硅、氧化鋁、銀或其它金屬等。此種材料的導(dǎo)熱性能取決于銀膠基體的性質(zhì)。其中以油脂、相變材料為基體的復(fù)合材料因其使用時(shí)為液態(tài)能與熱源表面浸潤(rùn)，故接觸熱阻較小，而硅膠和橡膠為載體的復(fù)合材料接觸熱阻相對(duì)較大。該類材料一普遍缺陷為整個(gè)材質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)較小，典型值為1W/mK，這已經(jīng)越來(lái)越不能適應(yīng)半導(dǎo)體集成化程度的提高對(duì)散熱的需求，而增加銀膠基體的導(dǎo)熱顆粒含量使得顆粒與顆粒之間盡量相互接觸以增加整個(gè)復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，如某些特殊的界面材料因此可達(dá)到4-8W/mK，然而，銀膠基體的導(dǎo)熱顆粒含量增加至一定程度時(shí)，會(huì)使銀膠基體失去原本的性能，如油脂會(huì)變硬，從而浸潤(rùn)效果變差，橡膠亦會(huì)變得較硬，從而失去應(yīng)有的柔韌性，這都將使熱界面材料性能大大降低。
近來(lái)有一種熱界面材料，是將定向排列的導(dǎo)熱系數(shù)約為1100W/mK之碳纖維一端或整體用聚合物固定，從而在熱界面材料的垂直方向形成定向排列的碳纖維陣列，以使每一碳纖維均可形成一導(dǎo)熱信道，該方式可有效提高熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)，達(dá)到50-90W/mK。但是，該類材料一個(gè)缺點(diǎn)是厚度必須在40微米以上，而整個(gè)熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)與薄膜的厚度成反比，故當(dāng)其熱阻降低至一定程度，進(jìn)一步降低的空間相當(dāng)有限。
為改善熱界面材料的性能，提高其熱傳導(dǎo)系數(shù)，各種材料被廣泛試驗(yàn)。Savas Berber等人2000年在美國(guó)物理學(xué)會(huì)上發(fā)表一篇名為“Unusually HighThermal Conductivity of Carbon Nanotubes”的文章指出，“Z”形(10，10)碳納米管在室溫下導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)6600W/mK，具體內(nèi)容可參閱文獻(xiàn)Phys.Rev.Lett(2000)，Vol. 84，P.4613。
美國(guó)專利第6,407,922號(hào)揭示一種利用碳納米管導(dǎo)熱的熱界面材料，其是將碳納米管摻到銀膠基體結(jié)成一體，通過(guò)注模方式制得熱界面材料，且該熱界面材料的兩導(dǎo)熱表面的面積不等，其中與散熱器接觸一面的面積大于與熱源接觸一面的面積，這樣可有利于散熱器散熱，但該方法制得的熱界面材料有不足之處，其一，注模方式制得熱界面材料厚度較大，導(dǎo)致該熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)較高，增加該熱界面材料的體積，與器件向小型化方向發(fā)展的趨勢(shì)不相適應(yīng)，且熱界面材料缺乏柔韌性；其二，碳納米管在基體材料中未有序排列，其在基體分布的均勻性較難確保，因而熱傳導(dǎo)的均勻性亦受到影響，且碳納米管縱向?qū)岬膬?yōu)勢(shì)未充分利用，影響熱界面材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)。
有鑒于此，提供一種具優(yōu)良的熱傳導(dǎo)效果、厚度薄、柔韌性佳且熱傳導(dǎo)均勻的熱界面材料實(shí)為必要。

發(fā)明內(nèi)容為解決現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種導(dǎo)熱效果優(yōu)良、厚度薄、柔韌性佳的熱界面材料。
本發(fā)明的另一目的是提供此種熱界面材料的制造方法。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供一種熱界面材料，其包括一銀膠基體，該銀膠基體包括一第一表面及一相對(duì)于第一表面的第二表面；及多個(gè)碳納米管，該多個(gè)碳納米管分布于銀膠基體中；其中該銀膠材料包括納米銀顆粒、納米氮化硼顆粒及合成油，該多個(gè)碳納米管相互平行且于該銀膠基體沿第一表面向第二表面延伸。
本發(fā)明熱界面材料的制造方法包括以下步驟提供一碳納米管陣列，該碳納米管陣列置于一基底上；用銀膠涂覆浸潤(rùn)碳納米管陣列；
冷卻固化，形成熱界面材料。
與現(xiàn)有的熱界面材料相比，本發(fā)明提供的熱界面材料因碳納米管陣列具均勻定向排列的優(yōu)點(diǎn)，該熱界面材料的每一根碳納米管均可于垂直熱界面材料方向形成熱傳導(dǎo)信道，得到導(dǎo)熱系數(shù)較高的熱界面材料。

圖1是本發(fā)明含有催化劑薄膜的基底示意圖。
圖2是于圖1所示基底生長(zhǎng)定向排列的碳納米管陣列示意圖。
圖3是本發(fā)明銀膠涂覆浸潤(rùn)碳納米管陣列的示意圖。
圖4是本發(fā)明固化的碳納米管陣列于基體被揭起的過(guò)程示意圖。
圖5是本發(fā)明含碳納米管陣列的熱界面材料示意圖。
圖6是本發(fā)明熱界面材料的應(yīng)用示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
請(qǐng)參閱圖1與圖2，首先在一基底11均勻沉積一催化劑層12，其方法可利用熱沉積、電子束沉積或?yàn)R射法完成?；?1的材料可用玻璃、石英、硅或氧化鋁。本實(shí)施例采用多孔硅，其表面為一多孔層，孔的直徑極小，一般小于3納米。催化劑層12的材料可為鐵、鈷、鎳及其合金，本實(shí)施方式選用鐵作為催化劑材料。
氧化催化劑層12，形成催化劑顆粒(圖未示)，再將分布有催化劑的基底11置于反應(yīng)爐中(圖未示)，于700～1000攝氏度下，通入碳源氣，生長(zhǎng)出碳納米管陣列，其中碳源氣可為乙炔、乙烯等氣體，碳納米管陣列22的高度在一定范圍內(nèi)可通過(guò)控制其生長(zhǎng)時(shí)間來(lái)控制，一般生長(zhǎng)高度為1～100微米，本實(shí)施例的碳納米管陣列22的生長(zhǎng)高度為100微米。有關(guān)碳納米管陣列22的生長(zhǎng)方法已較為成熟，具體可參閱文獻(xiàn)Science，1999，283，512-414及文獻(xiàn)J.Am.Chem.Soc，2001，123，11502-11503，此外美國(guó)專利第6,350,488號(hào)亦公開(kāi)一種大面積生長(zhǎng)碳納米管陣列的方法。
請(qǐng)參閱圖3、圖4，用銀膠32涂覆浸潤(rùn)生長(zhǎng)完備的定向排列碳納米管陣列22，待銀膠32完全浸潤(rùn)碳納米管陣列22。該銀膠32材料包括納米銀顆粒、納米氮化硼顆粒及合成油(Polysynthetic Oils)，其中，該納米銀顆粒粒徑為1～90納米，純度為99.9％，納米氮化硼顆粒粒徑為1～30納米。銀膠32的完全浸潤(rùn)的時(shí)間同碳納米管陣列22的高度、密度以及整個(gè)碳納米管陣列22的面積及銀膠32自身的粘度有關(guān)。
將經(jīng)銀膠32浸潤(rùn)的碳納米管陣列22冷卻固化，再將該含碳納米管陣列22的銀膠32從基底11進(jìn)行脫膜，形成熱界面材料40，其厚度為100微米，與原先碳納米管陣列22高度一致。即熱界面材料40的厚度取決于所生長(zhǎng)的碳納米管陣列22的高度，故，可通過(guò)控制碳納米管陣列22的生長(zhǎng)高度制得所需不同厚度的熱界面材料40。
再請(qǐng)參閱圖5，本發(fā)明的熱界面材料40，碳納米管陣列22經(jīng)銀膠32固結(jié)形成一體，碳納米管陣列22于銀膠32垂直、均勻分布，形成多個(gè)熱傳遞信道，所形成的熱界面材料40具導(dǎo)熱系數(shù)較高，且導(dǎo)熱均勻的特點(diǎn)。
本發(fā)明制得的熱界面材料40，碳納米管陣列22于熱界面材料40的形態(tài)基本未變，即碳納米管陣列22的碳納米管之間距未變，且碳納米管陣列未聚集成束，保持初始定向排列的狀態(tài)。
本發(fā)明采用的銀膠32可為納米銀顆粒、納米氮化硼顆粒及合成油混合而成，其導(dǎo)熱系數(shù)較高，揮發(fā)性較低。其中，添加納米氮化硼顆?？捎行Ц纳茻醾鲗?dǎo)的穩(wěn)定性為利于銀膠32充分浸潤(rùn)碳納米管陣列22，其粘度的要求低于100mps。
請(qǐng)參閱圖6，本發(fā)明制得碳納米管陣列的熱界面材料40具有極佳導(dǎo)熱系數(shù)，可廣泛應(yīng)用于包括中央處理器(CPU)、功率晶體管、視頻圖形陣列芯片(VGA)、射頻芯片在內(nèi)的電子器件80中，熱界面材料40置于電子器件80與散熱器60之間，能提供電子器件80與散熱器60之間一優(yōu)良接口熱接觸，熱界面材料40的第一表面42與電子器件80的表面(未標(biāo)示)接觸，與第一表面42相對(duì)應(yīng)的熱界面材料40的第二表面44與散熱器60的底面(未標(biāo)示)接觸。由于本發(fā)明制得碳納米管陣列之熱界面材料40極薄，其厚度僅微米級(jí)，故具較佳的柔韌性，即便于電子器件80的表面參差不齊情勢(shì)之下，本發(fā)明的熱界面材料40亦能提供電子器件80與散熱器60之間一良好熱接觸。
權(quán)利要求
1.一熱界面材料，其包括一銀膠基體，該銀膠基體包括一第一表面及一相對(duì)于第一表面之第二表面，及多個(gè)碳納米管，該多個(gè)碳納米管分布于該銀膠基體中，該銀膠材料包括納米銀顆粒、納米氮化硼顆粒及合成油，其特征在于，該多個(gè)碳納米管相互平行且于該銀膠基體沿第一表面向第二表面延伸。
2.如權(quán)利要求1所述的熱界面材料，其特征在于，該納米銀顆粒粒徑為1～90納米，純度為99.9％，納米氮化硼顆粒粒徑為1～30納米。
3.如權(quán)利要求1所述的熱界面材料，其特征在于，該熱界面材料的第一表面與熱源相接觸，該第二表面與散熱器相接觸。
4.如權(quán)利要求1所述的熱界面材料，其特征在于，該熱界面材料厚度為1～100微米。
5.如權(quán)利要求1所述的熱界面材料，其特征在于，該第一表面與該第二表面相互平行。
6.如權(quán)利要求1所述的熱界面材料，其特征在于，該多個(gè)碳納米管垂直于熱界面材料的第一及第二表面。
7.一種熱界面材料的制造方法，其包括以下步驟提供一碳納米管陣列，該碳納米管陣列置于一基底；用銀膠涂覆浸潤(rùn)碳納米管陣列；固化浸潤(rùn)碳納米管陣列后的銀膠，形成熱界面材料。
8.如申請(qǐng)專利范圍第7項(xiàng)所述的熱界面材料的制造方法，其特征在于，該碳納米管陣列的形成方法包括化學(xué)氣相沉積法。
9.如申請(qǐng)專利范圍第7項(xiàng)所述的熱界面材料的制造方法，其特征在于，該銀膠材料包括納米銀顆粒、納米氮化硼顆粒及合成油。
10.如申請(qǐng)專利范圍第7項(xiàng)所述的熱界面材料的制造方法，其特征在于，該納米銀顆粒的純度為99.9％，粒徑為1～90納米，納米氮化硼顆粒粒徑為1～30納米。
11.如申請(qǐng)專利范圍第7項(xiàng)所述的熱界面材料的制造方法，其特征在于，銀膠粘度低于100mps。
12.如申請(qǐng)專利范圍第7項(xiàng)所述的熱界面材料的制造方法，其特征在于，該熱界面材料的制造方法進(jìn)一步包括從基底揭下固化碳納米管的銀膠基體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于碳納米管陣列導(dǎo)熱的熱界面材料，包括一銀膠基體，該銀膠基體包括一第一表面及一相對(duì)于第一表面的第二表面；及多個(gè)碳納米管，該多個(gè)碳納米管分布于該銀膠基體中；其中，該銀膠基體由純銀顆粒、氮化硼顆粒、合成油組成，該多個(gè)碳納米管相互平行且從該銀膠基體第一表面向第二表面延伸。另外，本發(fā)明還提供該熱界面材料的制造方法。該制造方法包括以下步驟提供一碳納米管陣列，該碳納米管陣列置于一基底；用銀膠涂覆浸潤(rùn)碳納米管陣列；固化銀膠，形成熱界面材料；將固化的銀膠從基底上揭下。
文檔編號(hào)C09K5/14GK1632040SQ20031011765
公開(kāi)日2005年6月29日 申請(qǐng)日期2003年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月24日
發(fā)明者呂昌岳, 余泰成, 陳杰良 申請(qǐng)人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司