CN108711563B - 可挠性散热组件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种可挠性散热组件，包括可挠性金属基材，所述可挠性金属基材上至少一面设置有同方向性排列的碳纳米管阵列或者具有图案的同方向性排列的碳纳米管阵列，所述可挠性金属基材为耐温大于等于600℃的软质金属材料或耐温小于600℃的软质金属材料。制备方法包括同方向性排列的碳纳米管阵列的制备以及将碳纳米管阵列设置在基材上面的制备。该散热组件具有三维轴向散热与可挠二维平面散热，能有效提升至少50％之散热效能，轻薄，适用于各种有限的散热空间使用。

Description

可挠性散热组件及其制备方法

技术领域

本发明属于散热组件技术领域，具体涉及一种可挠性散热组件及其制备方法。

背景技术

近年来，随着半导体器件集成工艺的快速发展，半导体器件的集成化程度越来越高，然而，器件体积变得越来越小，其对散热的需求越来越高，已成为一个越来越重要的问题。为满足该需要，风扇散热、水冷辅助散热及热管散热等各种散热方式被广泛运用，并取得一定的散热效果，但因散热器与热源(半导体集成器件，如CPU)的接触接口不平整，一般相互接触面积不到2％，未有一个理想的接触接口，从根本上影响半导体器件向散热器传递热量得效果，故，传统的散热器通过增加导热系数较高的热界面材料于散热器与半导体器件之间以增加接口的接触程度，改善半导体器件与散热器间的热传递效果。

根据市调报告指出，电子组件装置的损坏除了潮湿、震动、灰尘等因素外，其所占之最大原因为温度(温度影响的比例达55％)。另外，其相关之产品与装置(如穿带装置、手机、平板等)皆朝向轻薄短小之产品目标方向，如何在有限空间内达到最佳之散热效能，为各产品之主要课题。批次化生产，再现性、均匀性、可靠度、大面积制作等一直是纳米材料能否应用之关键，减化制造程序亦为商品化之主要因子。

发明内容

本发明提出一种可挠性散热组件，该散热组件具有三维轴向散热与可挠二维平面散热，能有效提升至少50％之散热效能，轻薄，适用于各种有限的散热空间使用。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种可挠性散热组件，包括可挠性金属基材，所述可挠性金属基材上至少一面设置有同方向性排列的碳纳米管阵列或者具有图案的同方向性排列的碳纳米管阵列，所述可挠性金属基材为耐温大于等于600℃的软质金属材料或耐温小于600℃的软质金属材料。

优选地，所述碳纳米管阵列为填铁的碳纳米管阵列或者非填铁的碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列的管径大小为5～20nm。

优选地，所述具有图案的同方向性排列的碳纳米管阵列的制备方法为将成长好的碳纳米管阵列用溶剂处理一段时间后晾干即可；所述溶剂选自水、甲醇、乙醇、丙酮与异丙醇中的一种或者多种

本发明的另一个目的是提供一种可挠性散热组件的制备方法，所述碳纳米管阵列为填铁的碳纳米管阵列，包括以下步骤：

1)填铁的碳纳米管阵列的制备：

将耐温大于等于600℃的软质金属材料放置在于高温炉管的碳纳米管阵列成长区段，将二茂铁催化剂置于催化剂升华区段的外侧，充入惰性气体进行升温，升温至成长温度；将二茂铁催化剂推入催化剂升华区段中间，并通入制程气体进行反应，所述制程气体为碳源气体与氢气的混合气体；反应结束后，在惰性气体的保护下冷却降温至室温得到成长为同方向性排列的填铁的碳纳米管阵列；

2)可挠性散热组件的制作：

若所述可挠性金属基材为耐温大于等于600℃的软质金属材料，则步骤1)的同方向性排列的填铁的碳纳米管阵列直接生长在所述可挠性金属基材上面；若所述可挠性金属基材为耐温小于600℃的软质金属材料，则将步骤1)的同方向性排列的填铁的碳纳米管阵列转印至耐温小于600℃的软质金属材料上面。

优选地，所述升温至成长温度的具体步骤为：将催化剂升华区段升温至250℃，成长区段升温至650℃；所述惰性气体为氩气或者氦气，所述碳源气体为乙烯气体与乙炔气体中的一种或者多种。

优选地，所述耐温小于600℃的软质金属材料为具有黏性材料或非黏性材料，若所述耐温小于600℃的软质金属材料为非黏性材料，则转印具体为将黏性材料上面涂覆一层黏着剂，将步骤1)的同方向性排列的填铁的碳纳米管阵列覆盖至黏着剂上，等黏着剂固化后取走原生长基材即可；若所述耐温小于600℃的软质金属材料为黏性材料，则转印具体为将步骤1)的同方向性排列的填铁的碳纳米管阵列覆盖至黏性材料上，取走原生长基材即可。

本发明的再一个目的是提供一种可挠性散热组件的另一种制备方法，所述碳纳米管阵列为非填铁的碳纳米管阵列，所述可挠性金属基材上面蒸镀含铁薄膜，包括以下步骤：

1)非填铁的碳纳米管阵列的制备：

将蒸镀含铁薄膜的可挠性金属基材置于高温炉管中，然后通入惰性气体，进行升温，升温至成长温度，在该温度下维持一段时间以使含铁薄膜退火，通入制程气体进行反应，所述制程气体为碳源气体与氢气的混合气体；反应结束后，在惰性气体的保护下冷却降温至室温得到成长为同方向性排列的非填铁的碳纳米管阵列；

2)可挠性散热组件的制作：

若所述可挠性金属基材为耐温大于等于600℃的软质金属材料，则步骤1)的同方向性排列的非填铁的碳纳米管阵列直接生长在所述可挠性金属基材上面；若所述可挠性金属基材为耐温小于600℃的软质金属材料，则将步骤1)的同方向性排列的非填铁的碳纳米管阵列转印至耐温小于600℃的软质金属材料上面。

优选地，所述升温至成长温度的具体步骤为：将成长区段升温至650℃；所述惰性气体为氩气或者氦气，所述碳源气体为乙烯气体与乙炔气体中的一种或者多种。

优选地，所述耐温小于600℃的软质金属材料为具有黏性材料或非黏性材料，若所述耐温小于600℃的软质金属材料为非黏性材料，则转印具体为将黏性材料上面涂覆一层黏着剂，将步骤1)的同方向性排列的非填铁的碳纳米管阵列覆盖至黏着剂上，等黏着剂固化后取走原生长基材即可；若所述耐温小于600℃的软质金属材料为黏性材料，则转印具体为将步骤1)的同方向性排列的非填铁的碳纳米管阵列覆盖至黏性材料上，取走原生长基材即可。

优选地，所述具有图案的同方向性排列的碳纳米管阵列的制备方法为将成长好的碳纳米管阵列用溶剂处理一段时间后晾干即可；所述溶剂选自水、甲醇、乙醇、丙酮与异丙醇中的一种或者多种。

下面对本发明的技术方案作进一步详细说明

本发明的可挠性散热组件，其核心是在可挠性金属基材上设置有同方向性排列的碳纳米管阵列。这是因为一般来说XYZ方向皆为散热方向，XY二维平面为将热传散方向，Z(垂直热源)方向则为主要热传导散热方向，因此若在Z方向具有轴向性材料，并且有数以万计之数量，可有效提升散热效能，本发明的同方向性排列的碳纳米管阵列即有此特性。

本发明的同方向性排列的碳纳米管阵列根据其制备过程中是否与二茂铁参与形成填铁的碳纳米管阵列与非填铁的碳纳米管阵列。

其中填铁的碳纳米管阵列的制备：将耐温大于等于600℃的软质金属材料(优选为铝箔纸)放置在于高温炉管的碳纳米管阵列成长区段，将二茂铁催化剂置于催化剂升华区段的外侧，充入惰性气体进行升温，催化剂升华区段升温至250℃，成长区段优选升温至650℃(其实成长区段的温度大于600℃，即可生长碳纳米管阵列)，优选升温时间为50分钟；将二茂铁催化剂推入催化剂升华区段中间，并通入制程气体进行反应，反应时间优选30分钟，所述制程气体为碳源气体与氢气的混合气体；反应结束后，在惰性气体的保护下冷却降温至室温得到成长为同方向性排列的填铁的碳纳米管阵列。该制备方法中氢气为防止碳纳米管阵列缺陷产生的气体，惰性气体主要作为携带升华二茂铁气体分子用。

其中，非填铁的碳纳米管阵列的制备：

将蒸镀含铁薄膜的可挠性金属基材(这里含铁薄膜为铁薄膜或者氧化铝/铁薄膜)置于高温炉管中，然后通入惰性气体，进行升温，升温至成长温度650℃，升温时间50分钟，在该温度下维持10分钟以使含铁薄膜退火，通入制程气体进行反应，所述制程气体为碳源气体与氢气的混合气体；反应结束后，在惰性气体的保护下冷却降温至室温得到成长为同方向性排列的非填铁的碳纳米管阵列。该制备方法中氢气为防止碳纳米管阵列缺陷产生的气体，惰性气体主要作为携带与保护制程气体用。

本发明的可挠性金属基材根据其耐热温度分为耐温大于等于600℃的软质金属材料或耐温小于600℃的软质金属材料；本发明可挠式散热组件的已成长同方向性排列的碳纳米管阵列(包括填铁的碳纳米管阵列与非填铁的碳纳米管阵列)可直接或间接设置于可挠性金属基材。若可挠性金属基材为耐温大于等于600℃的软质金属材料，则可将同方向性排列的碳纳米管阵列直接成长可挠性金属基材上方，完成可挠性散热组件制作。若可挠性金属基材为耐温小于600℃的软质金属材料，则需要进行转印步骤间接获得可挠性散热组件。转印之基材形状可包括曲面、高低起伏不平之结构面等各种型式之基材，基材单双面，都可在本发明的保护范围内。

本发明的可挠性散热组件除了具有设置有同方向性排列的碳纳米管阵列的可挠性金属基材，其可挠性金属基材还可以设有具有图案的同方向性排列的碳纳米管阵列。

本发明的可挠性散热组件的可挠性金属基材其可以是一面具有同方向性排列的碳纳米管阵列(参见图1)，也可以是两面具有同方向性排列的碳纳米管阵列(制备过程中可挠性金属基材下方载具与可挠性金属基材贴合不是很紧密，参见图12)。

本发明的可挠性散热组件的可挠性金属基材其可以是一面设有具有图案的同方向性排列的碳纳米管阵列(参见图13)，也可以是两面均设有具有图案的同方向性排列的碳纳米管阵列(参见图14)。具有图案的同方向性排列的碳纳米管阵列的制备方法为将成长好的填铁的碳纳米管阵列或非填铁的碳纳米管阵列用溶剂处理一段时间后晾干即可；所述溶剂选自水、甲醇、乙醇、丙酮与异丙醇中的一种或者多种。

一面设有具有图案的同方向性排列的碳纳米管阵列的可挠性金属基材是在一面具有同方向性排列的碳纳米管阵列的可挠性金属基材通过溶剂浸泡一段时间后晾干获得的。

两面均设有具有图案的同方向性排列的碳纳米管阵列的可挠性金属基材是在两面均具有同方向性排列的碳纳米管阵列的可挠性金属基材通过溶剂浸泡一段时间后晾干获得的。

一面设有具有图案的同方向性排列的碳纳米管阵列，而另一面设有具有同方向性排列的碳纳米管阵列的可挠性金属基材是在在两面均具有同方向性排列的碳纳米管阵列的可挠性金属基材在其中一面滴加溶剂制备得到的。

具有图案的同方向性排列的碳纳米管阵列的每根填铁或未填铁碳纳米管都具有同向性，均匀于可耐600℃之基材上垂直成长。其高度可以根据产品实际的需求而成长不同高度的具有图案的同方向性排列的碳纳米管阵列。

本发明的具有图案的同方向性排列的碳纳米管阵列可以直接或者间接设置于可挠性金属基材上，其设置方法与一般的同方向性排列的碳纳米管阵列相同。

本发明的有益效果：

1、本发明的可挠性散热组件具有三维轴向散热与可挠二维平面散热，能有效提升至少50％之散热效能，轻薄，本发明可挠性散热组件的总厚度数微米，单位重量<4.8mg/cm²，适用于各种有限的散热空间使用。

2、散热组件可挠的特点为能够在各种表面上皆可以使用，本发明之基材具有可能之特性，其中若是金属基材还有二维平面之热分散特性，能够有效先将热分散，再由碳纳米管阵列导热，大大提升散热效能。本发明的碳纳米管阵列成长技术具有大面积制造之特色，且可以成长制造皆有高度之再现性与均匀性，合适商品化大量制造，进而降低其制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1-4的可挠性散热组件的结构示意图；

图2为本发明实施例5的可挠性散热组件的结构示意图；

图3为实施例1的可挠性散热组件的制备流程图；

图4为实施例2的可挠性散热组件的制备流程图；

图5为实施例3的可挠性散热组件的制备流程图；

图6为实施例4的可挠性散热组件的制备流程图；

图7为实施例5的可挠性散热组件的制备流程图；

图8为实施例1的可挠性散热组件的电子显微镜图；

图9为实施例5的可挠性散热组件的电子显微镜上视图；

图10为实施例5的可挠性散热组件的电子显微镜侧视图；

图11为试验例本发明的可挠性散热组件的散热效果图；

图12为双面均为同方向性排列的碳纳米管阵列的可挠性散热组件；

图13为一面为设有具有图案的同方向性排列的碳纳米管阵列的可挠性散热组件；

图14为双面均设有具有图案的同方向性排列的碳纳米管阵列的可挠性散热组件。

附图标示：10可挠性散热组件；11可挠性金属基材；12同方向性排列的碳纳米管阵列；13具有图案的同方向性排列的碳纳米管阵列。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参见图1，一种可挠性散热组件10，包括可挠性金属基材11，所述可挠性金属基材11上设置有同方向性排列的碳纳米管阵列12，所述可挠性金属基材11为耐温大于等于600℃的软质金属材料。

参见图3，制备方法：

1)填铁的碳纳米管阵列的制备：

将耐温大于等于600℃的软质金属材料放置在于高温炉管的碳纳米管阵列成长区段，将二茂铁催化剂置于催化剂升华区段的外侧，充入氩气进行升温，将催化剂升华区段升温至250℃，成长区段升温至650℃，升温时间为50分钟；将二茂铁催化剂推入催化剂升华区段中间，并通入制程气体进行反应，成长时间为30分钟，所述制程气体为乙炔气体与氢气的混合气体；反应结束后，在氩气的保护下冷却降温至室温得到成长为同方向性排列的填铁的碳纳米管阵列；

2)可挠性散热组件的制作：

所述可挠性金属基材为铝箔纸，则步骤1)的同方向性排列的填铁的碳纳米管阵列直接生长在铝箔纸上面。

实施例2

参见图1，一种可挠性散热组件，包括可挠性金属基材，所述可挠性金属基材上设置有同方向性排列的碳纳米管阵列，所述可挠性金属基材为耐温大于等于600℃的软质金属材料。

参见图4，制备方法：

1)非填铁的碳纳米管阵列的制备：

将蒸镀氧化铝/铁之双层薄膜的可挠性金属基材置于高温炉管中，然后通入氩气，进行升温，成长区段升温至650℃，其升温时间为50分钟，在该温度下维持10分钟以使双层薄膜退火，通入制程气体进行反应，所述制程气体为乙炔气体与氢气的混合气体；反应结束后，在氩气的保护下冷却降温至室温得到成长为同方向性排列的非填铁的碳纳米管阵列；

2)可挠性散热组件的制作：

所述可挠性金属基材为铝箔纸，则步骤1)的同方向性排列的非填铁的碳纳米管阵列直接生长在铝箔纸上面。

实施例3

参见图1，一种可挠性散热组件，包括可挠性金属基材，所述可挠性金属基材上设置有同方向性排列的碳纳米管阵列，所述可挠性金属基材为耐温小于600℃的软质金属材料。

参见图5，制备方法：

1)填铁的碳纳米管阵列的制备：

将耐温大于等于600℃的软质金属材料放置在于高温炉管的碳纳米管阵列成长区段，将二茂铁催化剂置于催化剂升华区段的外侧，充入氩气进行升温，将催化剂升华区段升温至250℃，成长区段升温至650℃，升温时间为50分钟；将二茂铁催化剂推入催化剂升华区段中间，并通入制程气体进行反应，成长时间为30分钟，所述制程气体为乙炔气体与氢气的混合气体；反应结束后，在氩气的保护下冷却降温至室温得到成长为同方向性排列的填铁的碳纳米管阵列；

2)可挠性散热组件的制作：

可挠性金属基材为耐温小于600℃的软质金属材料，则将步骤1)的同方向性排列的填铁的碳纳米管阵列转印至耐温小于600℃的软质金属材料上面。耐温小于600℃的软质金属材料为具有黏性材料，转印具体为将步骤1)的同方向性排列的填铁的碳纳米管阵列覆盖至黏性材料上，取走原生长基材即可。

实施例4

参见图1，一种可挠性散热组件，包括可挠性金属基材，所述可挠性金属基材上设置有同方向性排列的碳纳米管阵列，所述可挠性金属基材为耐温小于600℃的软质金属材料。

参见图6，制备方法：

1)非填铁的碳纳米管阵列的制备：

将蒸镀氧化铝/铁之双层薄膜的可挠性金属基材置于高温炉管中，然后通入氩气，进行升温，成长区段升温至650℃，其升温时间为50分钟，在该温度下维持10分钟以使双层薄膜退火，通入制程气体进行反应，所述制程气体为乙炔气体与氢气的混合气体；反应结束后，在氩气的保护下冷却降温至室温得到成长为同方向性排列的非填铁的碳纳米管阵列；

2)可挠性散热组件的制作：

可挠性金属基材为耐温小于600℃的软质金属材料，则将步骤1)的同方向性排列的填铁的碳纳米管阵列转印至耐温小于600℃的软质金属材料上面。耐温小于600℃的软质金属材料为具有黏性材料，转印具体为将步骤1)的同方向性排列的填铁的碳纳米管阵列覆盖至黏性材料上，取走原生长基材即可。

实施例5

参见图2，一种可挠性散热组件10，包括可挠性金属基材11，所述可挠性金属基材11上设置有同方向性排列的碳纳米管阵列12及具有图案的同方向性排列的碳纳米管阵列13，可挠性金属基材为耐温大于等于600℃的软质金属材料。在两面均具有同方向性排列的碳纳米管阵列的可挠性金属基材在其中一面滴加溶剂制备得到的。

参见图7，制备方法：

1)填铁的碳纳米管阵列的制备：

将耐温大于等于600℃的软质金属材料放置在于高温炉管的碳纳米管阵列成长区段，将二茂铁催化剂置于催化剂升华区段的外侧，充入氩气进行升温，将催化剂升华区段升温至250℃，成长区段升温至650℃，升温时间为50分钟；将二茂铁催化剂推入催化剂升华区段中间，并通入制程气体进行反应，成长时间为30分钟，所述制程气体为乙炔气体与氢气的混合气体；反应结束后，在氩气的保护下冷却降温至室温，得到软质金属材料双面均成长有同方向性排列的填铁的碳纳米管阵列；

2)可挠性散热组件的制作：

可挠性金属基材为铝箔纸，将步骤1)一面的填铁的碳纳米管阵列滴加乙醇一段时间后取出晾干即可，得到的具有图案的同方向性排列的碳纳米管阵列直接生长在铝箔纸上。

试验例

将实施例1可挠性散热组件、市售石墨片与市售铜箔片进行散热性能比较，结果见图11，可见本发明的可挠性散热组件降温速度较其他两种商用市售的散热材料更快，意即散热效率最佳，此外降至环境温度20℃的时间也是最短，换言之其散热速度最好，由此量测结果显示本发明的可挠性散热组件具有最佳与最好之散热效能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种可挠性散热组件的制备方法，其特征在于，所述可挠性散热组件包括可挠性金属基材，所述可挠性金属基材上至少一面设置有同方向性排列的碳纳米管阵列或者具有图案的同方向性排列的碳纳米管阵列，所述可挠性金属基材为耐温大于等于600℃的软质金属材料或耐温小于600℃的软质金属材料；所述碳纳米管阵列为填铁的碳纳米管阵列，包括以下步骤：

1)填铁的碳纳米管阵列的制备：

将耐温大于等于600℃的软质金属材料放置在于高温炉管的碳纳米管阵列成长区段，将二茂铁催化剂置于催化剂升华区段的外侧，充入惰性气体进行升温，升温至成长温度；将二茂铁催化剂推入催化剂升华区段中间，并通入制程气体进行反应，所述制程气体为碳源气体与氢气的混合气体；反应结束后，在惰性气体的保护下冷却降温至室温得到成长为同方向性排列的填铁的碳纳米管阵列；所述升温至成长温度的具体步骤为：将催化剂升华区段升温至250℃，成长区段升温至650℃；所述惰性气体为氩气或者氦气，所述碳源气体为乙烯气体与乙炔气体中的一种或者多种；

2)可挠性散热组件的制作：

若所述可挠性金属基材为耐温大于等于600℃的软质金属材料，则步骤1)的同方向性排列的填铁的碳纳米管阵列直接生长在所述可挠性金属基材上面；若所述可挠性金属基材为耐温小于600℃的软质金属材料，则将步骤1)的同方向性排列的填铁的碳纳米管阵列转印至耐温小于600℃的软质金属材料上面。

2.根据权利要求1所述的可挠性散热组件的制备方法，其特征在于，所述耐温小于600℃的软质金属材料为具有黏性材料或非黏性材料，若所述耐温小于600℃的软质金属材料为非黏性材料，则转印具体为将黏性材料上面涂覆一层黏着剂，将步骤1)的同方向性排列的填铁的碳纳米管阵列覆盖至黏着剂上，等黏着剂固化后取走原生长基材即可；若所述耐温小于600℃的软质金属材料为黏性材料，则转印具体为将步骤1)的同方向性排列的填铁的碳纳米管阵列覆盖至黏性材料上，取走原生长基材即可。

3.根据权利要求1所述的可挠性散热组件的制备方法，其特征在于，所述具有图案的同方向性排列的碳纳米管阵列的制备方法为将成长好的碳纳米管阵列用溶剂处理一段时间后晾干即可；所述溶剂选自水、甲醇、乙醇、丙酮与异丙醇中的一种或者多种。

Images