CN111548631A - 一种气刀刮膜设备、高导热界面材料制备方法和刮膜方法 - Google Patents

一种气刀刮膜设备、高导热界面材料制备方法和刮膜方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微孔气刀刮膜设备，包括测距用三个激光测距仪、气刀室、载样传送带和胶桶。本设备使用气刀刮膜法对碳纳米管阵列进行灌胶复合加工，利用气刀上多个可控流量和方向的气孔以及实时监测灌胶厚度的光学传感器控制灌胶的厚度和均匀性，实现碳纳米管阵列中聚合物胶体灌胶厚度的精确控制。本发明还公开了采用上述微孔气刀刮膜设备制备芯片用高导热界面材料的方法。本发明的微孔气刀刮膜设备具有结构简单、成本低、稳定性强、能够实现精确控制碳纳米管阵列聚合物胶体复合加工厚度的特点。该方法实现了对于聚合物胶体灌胶量的精确管控，可实现大面积芯片用高导热界面材料的制作。采用该方法制作得到的高导热界面材料具有优秀的导热性能。

Description

一种气刀刮膜设备、高导热界面材料制备方法和刮膜方法
技术领域
本发明涉及一种微孔气刀刮膜设备，尤其涉及一种气刀刮膜设备、高导热界面材料制备方法和刮膜方法。
背景技术
芯片的功率密度迅速增大，其内部的热流密度也随之增加，从而使芯片散热面临严峻的考验，芯片热管理的需求急剧增加。低热阻、高热导率的散热材料能有效地将芯片产生的热量快速导出并耗散掉。同时，半导体集成电路制造工艺从100纳米级别制程发展到目前的10纳米级制程，芯片功率密度急剧升高，越来越接近供认的150W/cm2的极限，高性能芯片的热问题已经成为制约芯片工作效率的关键难题之一。
集成电路芯片的散热材料主要包括散热片用材料、热界面材料和聚合物基***封装散热材料三类，其中散热片用材料主要是铜铝等高导热金属材料，用于制备封装***的被动散热片，并与其它组件如风冷、液冷装置耦合；热界面材料则用于连接芯片和散热片等以形成主要的导热通路，将热量从芯片有效传导至***散热设施；***封装散热材料则主要是含有高导热粒子的聚合物基复合材料，在封装结构中起辅助散热作用。通用性散热技术是将芯片热量直接或通过均热片间接传递至具有强散热能力的散热片上。虽然液体冷却、微流道冷却等散热冷却技术具有较高散热能力，但上述方法主要依靠固-固接触方法连接芯片与散热片，接触表面存在微米级的粗糙度和弯曲，实际界面接触面积少，仅占名义接触面积的1-2%左右。大部分界面间充斥着热传递性能极差的空气(热导率为0.023W/mK)或其它介质（如散热油），界面热阻过大，使得芯片工作时产生的大量热量不能经由封装外壳有效的传递出去，反而累积起来最终造成器件内部温度大幅提高。因此，固体-固体间的热量传递实际应用效果很差，使整个散热***的散热效率大大降低，即便使用了液态金属、液冷等高性能散热材料也无法发挥其应有的作用。
用于固体-固体之间填充空隙的导热介质称为热界面材料，热界面材料作用就是依靠其本身的流动性对固体界面凹凸不平的空隙进行填充，挤出界面上残余空气或其他低导热系数介质，增加散热通道，减小***整体热阻和降低电子产品工作温度，使芯片能够长期稳定的运行。通常热界面材料需具备两个方面的性能：第一，材料本身需要拥有良好的导热性能；第二，该材料具有优异的粘结性能和浸润性能，包括热界面材料的粘附力学，润湿性能以及流体性能等，保证能够充填界面空隙，减少接触热阻。高性能热界面材料已经成为芯片的核心功能材料之一，对芯片性能的完全发挥起到关键作用
传统的热界面材料由于其导热系数不高，不利于大规模热量传输，当芯片内部热量在芯片基底内积累到一定程度时，其晶体管材料间会发生微观位移，进一步导致出现孔洞、裂纹、乃至最后的脱落，原本设计的结构遭到破坏，导致最终失效。并且，传统的热界面材料采用的是导热硅脂和导热垫片，存在长期使用过程中容易固化变质，导热系数低、且完全无法应用于液态导热介质等问题因此，研究高导热系数、低接触热阻的基底与界面导热材料变得尤为迫切。
碳纳米管阵列由于其超高的导热性能最有望成为新一代的高导热界面材料。但是碳纳米管阵列本身自支撑强度低，且在液体浸润后蒸发过程中会收缩引起形貌改变，因而在实际应用中，裸露的碳纳米管阵列较易受到外界环境(如复杂力学环境和潮湿环境等)的破坏，如图2所示。所以对其施以一定保护以维持其结构形貌的一致性是较重要的步骤。目前将碳纳米管阵列与聚合物复合是最常用的保护技术。但是传统的浸泡和旋涂法无法控制聚合物的厚度，容易导致聚合物厚度大于碳纳米管阵列的长度，从而使得热界面材料的接触热阻变大，影响热界面材料的性能。如图3所示，由于胶体本身的粘附性，高于碳纳米管阵列的聚合物胶体无法如流体一般去除，同时由于碳纳米管脆弱的机械性能，也无法使用机械刮膜法去除多余的聚合物胶体。因此多余的胶体阻挡了碳纳米管阵列与芯片和散热片之间的接触，影响了热界面材料的散热性能。本发明公开的微孔气刀刮膜设备，可利用气刀上多个微型气孔喷出的高速气流，在不损害碳纳米管阵列结构的情况下，刮掉高于碳纳米管阵列表面的聚合物胶体，从而得到与碳纳米管阵列高度相近的聚合物层，实现碳纳米管阵列与聚合物复合加工的可控性。
发明内容
本发明主要是解决现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于提供一种用于对碳纳米管阵列连续复合加工的微孔气刀刮膜设备，该微孔气刀刮膜设备具有结构简单、成本低、稳定性强、能够实现在不损伤碳纳米管阵列形貌的情况下，精确控制碳纳米管阵列和聚合物胶体复合加工厚度，去除多余聚合物胶体的特点。
本发明的目的之二在于提供一种采用上述微孔气刀刮膜设备制备高导热界面材料的方法，该方法可以实现精确碳纳米管阵列和聚合物胶体复合加工厚度的特点，保证复合加工后，在碳纳米管阵列材料中只保留渗透进碳纳米管孔隙中的聚合物胶体，使用气刀将碳纳米管阵列表面多余的聚合物胶体刮掉。此方法可实现大面积高导热界面材料的制作，采用该方法制作得到的碳纳米管阵列热界面材料具有优秀的导热性能。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种基于气刀刮膜设备的高导热界面材料制备方法，按以下步骤进行：
将各原料进行混合，得到聚合物胶体，然后将聚合物胶体注入到胶桶中；其中，聚合物胶体的粘度在2Pa.S以上；
聚合物胶体包括按重量份计的如下原料：硅胶单体100份，凝聚剂0.1～5份，铂金催化剂0.1～3份。
作为优选，所述硅胶包括乙烯基硅油和含氢硅油中的一种或两种组合。
一种气刀刮膜设备，包括载样传送带，所述的载样传送带入口端的上方设有胶桶，所述的载样传送带的尾端设有干燥箱，所述的胶桶与干燥箱间设有气刀室；
所述的胶桶的左侧端设有一号激光测距仪，所述的气刀室中设有一号微孔气刀室和二号微孔气刀室，所述的一号微孔气刀室的左侧端设有二号激光测距仪，所述的一号微孔气刀室与二号微孔气刀室间设有三号激光测距仪；
所述的一号激光测距仪、二号激光测距仪、三号激光测距仪、一号微孔气刀室与二号微孔气刀室分别与载样传送带呈对应分布。
作为优选，所述的一号微孔气刀室与二号微孔气刀室二者结构相等；所述的一号微孔气刀室的上部设有气刀进气口，所述的一号微孔气刀室的底部设有气刀出气口，所述的一号微孔气刀室中设有20～30个微孔气刀，所述的一号微孔气刀室中每个微孔气刀的孔径为0.5～1mm。
一种气刀刮膜设备的刮膜方法，按以下步骤进行：
①涂覆步骤：
提供恒定的压力使聚合物胶体由胶桶的灌胶通道均匀的涂覆在碳纳米管阵列上，聚合物渗透进碳纳米管阵列的孔隙中；
②刮膜步骤：
涂覆过聚合物胶体的碳纳米管阵列经过载样传送带运输到气刀室下方，经气刀室的微孔喷射出的气流刮掉高出碳纳米管阵列本身高度的多余的聚合物胶体，只保留渗透进碳纳米管孔隙中的聚合物胶体，达到即增加了碳纳米管阵列本身机械强度又不会影响其导热性能的目的；
最后将经过微孔气刀刮膜设备处理过的碳纳米管阵列热界面材料经过干燥箱固化成型，得到成型的碳纳米管阵列热界面材料。
作为优选，固化成型的具体过程如下：将经过微孔气刀刮膜设备处理过的碳纳米管阵列热界面材料通过载样传送带进入120摄氏度的干燥箱内固化成型。
作为优选，通过光学传感器测量碳纳米管阵列以及其经过聚合物复合加工后的高度，调整微孔气刀喷射气流的强度和角度。
作为优选，一号激光测距仪用于测量制备好的连续碳纳米管阵列在与聚合物胶体复合加工前的高度，并反馈给控制模块；
胶桶用于装载聚合物胶体，通过灌胶通道将聚合物胶体均匀涂覆在碳纳米管阵列表面；
二号激光测距仪用于测量碳纳米管阵列通过胶桶后，经过聚合物胶体复合加工后的高度，并反馈给控制模块；
控制模块通过两次激光测距仪测量的高度差调整微孔气刀的气流强度和角度，反馈给气刀室，实时调整微孔气刀的气流强度和角度；
微孔气刀的气流强度和角度根据控制模块反馈的高度差调整；
三号激光测距仪用于测量经过微孔气刀刮膜后的碳纳米管阵列复合材料的高度，其测量高度应与一号激光测距仪的测量结果一致。
一种基于气刀刮膜设备的高导热界面材料制备方法：是用于制备高导热界面材料；一种气刀刮膜设备：是将制备高导热界面材料应用于刮膜设备中；一种气刀刮膜设备的刮膜方法：是如何进行固化操作的步骤。
胶桶用于装载聚合物胶体，通过灌胶通道将聚合物胶体缓慢均匀涂覆在碳纳米管阵列上，一部分聚合物胶体渗透进碳纳米管孔隙中，多余的覆盖在碳纳米管阵列表面的聚合物胶体将在后续工艺中由微孔气刀刮掉。
光学传感器是通过强度调制的连续光波在往返传播过程中的相位变化来测量光束的往返传播时间，以此来判断传感器到样品的距离。气刀室根据测距结果实时调整微孔气刀的气流强度和角度，实现完全刮掉多余的聚合物胶体的效果。经过气刀刮膜后的阵列高度应与一号激光测距仪的测量高度一致，即三号激光测距仪的测量数值应与一号激光测距仪的相同。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本发明的微孔气刀刮膜设备可以精确控制与碳纳米管阵列复合的聚合物胶体的厚度，使复合加工后，碳纳米管阵列中只保留渗透进碳纳米管孔隙中的聚合物胶体，在表面残留的多余胶体经过气刀刮膜刮掉，即增加了碳纳米管阵列本身的机械强度，又不会增加额外的接触热阻，影响热界面材料的性能。
2、本发明的制备方法采用热固性且粘度较低的聚合物胶体涂覆在碳纳米管阵列表面，使的胶体渗透进碳纳米管阵列的孔隙中，达到增加阵列机械强度的目的，然后利用微孔气刀刮膜设备刮去阵列表面多余的胶体后，在120摄氏度的干燥室中固化成型，优化了各步骤的工艺参数，尤其是优化了去除阵列表面多余的聚合物胶体的工艺，可实现大面积高导热界面材料的制作，采用该方法制作得到的高导热界面材料具有优秀的导热性能。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中气刀室的结构示意图；
图3是本发明的碳纳米管阵列的SEM图；
图4是本发明的经过微孔气刀刮膜设备处理后碳纳米管阵列和聚合物胶体复合材料的SEM图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1：如图所示，一种微孔气刀刮膜设备，包括测距用一号激光测距仪5、二号激光测距仪8、三号激光测距仪9、气刀室4、载样传送带1、胶桶2和干燥箱3。
本发明通过激光测距仪测量碳纳米管阵列的高度以及经过聚合物胶体复合加工后的阵列高度，调整微孔气刀喷射气流的强度和角度，使用微孔气刀刮掉碳纳米管阵列表面多余的聚合物胶体，使的加工前后阵列高度不变。此设备实现了碳纳米管阵列中聚合物胶体灌胶厚度的精确控制。
微孔气刀刮膜设备中，所述三个激光测距仪用于测量碳纳米管阵列的高度以及经过聚合物胶体复合加工后的阵列高度，反馈给气刀室，通过高度差实时调整微孔气刀的气流强度和角度。所述气刀室上的微孔气刀孔径为1毫米，共20个微孔，用于喷射空气气流刮掉多余的聚合物胶体。所述载样传送带用于匀速传送碳纳米管阵列材料。
采用上述微孔气刀刮膜设备制备高导热界面材料的方法如下，包括:
原料注入步骤：首先将各原料进行混合，得到聚合物胶体，然后将聚合物胶体注入到胶桶中；其中，聚合物胶体的粘度为2Pa.S；聚合物胶体包括按重量份计的如下原料：硅胶单体100份，凝聚剂1份，铂金催化剂2份。
涂覆步骤：提供恒定的压力使聚合物胶体由胶桶的灌胶通道均匀的涂覆在碳纳米管阵列上，聚合物渗透进碳纳米管阵列的孔隙中。
刮膜步骤：涂覆过聚合物胶体的碳纳米管阵列经过载样传送带运输到气刀室下方，经气刀室的微孔喷射出的气流刮掉高出碳纳米管阵列本身高度的多余的聚合物胶体，只保留渗透进碳纳米管孔隙中的聚合物胶体，达到即增加了碳纳米管阵列本身机械强度又不会影响其导热性能的目的。
固化过程：经过气刀刮膜工艺的碳纳米管阵列复合材料经载样传送带进入干燥室，在恒温120摄氏度下实现聚合物胶体的固化过程。
实施例2：如图所示，一种微孔气刀刮膜设备，包括测距用一号激光测距仪、二号激光测距仪、三号激光测距仪、气刀室、载样传送带、胶桶和干燥箱。本发明通过激光测距仪测量碳纳米管阵列的高度以及经过聚合物胶体复合加工后的阵列高度，调整微孔气刀喷射气流的强度和角度，使用微孔气刀刮掉碳纳米管阵列表面多余的聚合物胶体，使的加工前后阵列高度不变。此设备实现了碳纳米管阵列中聚合物胶体灌胶厚度的精确控制。
微孔气刀刮膜设备中，所述光学传感器用于测量到载样传送带上经过聚合物胶体涂覆后碳纳米管阵列的距离，反馈给气刀室，实时调整微孔气刀的气流强度和角度。所述气刀室上的微孔气刀孔径为1毫米，共20个微孔，用于喷射空气气流刮掉多余的聚合物胶体。所述载样传送带用于匀速传送碳纳米管阵列材料。
采用上述微孔气刀刮膜设备制备高导热界面材料的方法如下，包括:
原料注入步骤：首先将各原料进行混合，得到聚合物胶体，然后将聚合物胶体注入到胶桶中；其中，聚合物胶体的粘度为5Pa.S；聚合物胶体包括按重量份计的如下原料：硅胶单体100份，凝聚剂5份，铂金催化剂2份。
涂覆步骤：提供恒定的压力使聚合物胶体由胶桶的灌胶通道均匀的涂覆在碳纳米管阵列上，聚合物渗透进碳纳米管阵列的孔隙中。
刮膜步骤：涂覆过聚合物胶体的碳纳米管阵列经过载样传送带运输到气刀室下方，经气刀室的微孔喷射出的气流刮掉高出碳纳米管阵列本身高度的多余的聚合物胶体，只保留渗透进碳纳米管孔隙中的聚合物胶体，达到即增加了碳纳米管阵列本身机械强度又不会影响其导热性能的目的。
固化过程：经过气刀刮膜工艺的碳纳米管阵列复合材料经载样传送带进入干燥室，在恒温120摄氏度下实现聚合物胶体的固化过程。
实施例3：如图所示，一种微孔气刀刮膜设备，包括测距用一号激光测距仪、二号激光测距仪、三号激光测距仪、气刀室、载样传送带、胶桶和干燥箱。本发明通过激光测距仪测量碳纳米管阵列的高度以及经过聚合物胶体复合加工后的阵列高度，调整微孔气刀喷射气流的强度和角度，使用微孔气刀刮掉碳纳米管阵列表面多余的聚合物胶体，使的加工前后阵列高度不变。此设备实现了碳纳米管阵列中聚合物胶体灌胶厚度的精确控制。
微孔气刀刮膜设备中，所述光学传感器用于测量到载样传送带上经过聚合物胶体涂覆后碳纳米管阵列的距离，反馈给气刀室，实时调整微孔气刀的气流强度和角度。所述气刀室上的微孔气刀孔径为1毫米，共20个微孔，用于喷射空气气流刮掉多余的聚合物胶体。所述载样传送带用于匀速传送碳纳米管阵列材料。
采用上述微孔气刀刮膜设备制备高导热界面材料的方法如下，包括:
原料注入步骤：首先将各原料进行混合，得到聚合物胶体，然后将聚合物胶体注入到胶桶中；其中，聚合物胶体的粘度为5Pa.S；聚合物胶体包括按重量份计的如下原料：硅胶单体100份，凝聚剂5份，铂金催化剂2份。
涂覆步骤：提供恒定的压力使聚合物胶体由胶桶的灌胶通道均匀的涂覆在碳纳米管阵列上，聚合物渗透进碳纳米管阵列的孔隙中。
刮膜步骤：涂覆过聚合物胶体的碳纳米管阵列经过载样传送带运输到气刀室下方，经气刀室的微孔喷射出的气流刮掉高出碳纳米管阵列本身高度的多余的聚合物胶体，只保留渗透进碳纳米管孔隙中的聚合物胶体，达到即增加了碳纳米管阵列本身机械强度又不会影响其导热性能的目的。
固化过程：经过气刀刮膜工艺的碳纳米管阵列复合材料经载样传送带进入干燥室，在恒温200摄氏度下实现聚合物胶体的固化过程。
对比例1：本实施例的特点是，将于实施例1-3相同的碳纳米管阵列材料采用浸泡法与聚合物胶体复合。具体方法如下：首先将各原料进行混合，得到聚合物胶体，然后将聚合物胶体注入到胶桶中；其中，聚合物胶体的粘度为2Pa.S；聚合物胶体包括按重量份计的如下原料：硅胶单体100份，凝聚剂1份，铂金催化剂2份，与实施例1相同。
将碳纳米管阵列材料直接浸泡在配置好的聚合物胶体中15分钟后取出，然后放入120摄氏度的烘箱中烘烤30分钟得到成型的碳纳米管阵列热界面材料。效果测试：
将实施例1-3和对比例1制得的碳纳米管阵列热界面材料进行导热系数测试，见表1：
Figure 1
表1
由表1可见，采用传统的浸泡法进行碳纳米管阵列复合加工的工艺方法制备的热界面材料其导热系数远远低于本发明采用的气刀刮膜法，其原因是因为浸泡法无法控制复合加工过程中聚合物胶体的量，也无法去除碳纳米管阵列表面多余的胶体，这导致在热界面材料和芯片直接增加了一层热的不良导体，增大了其接触热阻。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种基于气刀刮膜设备的高导热界面材料制备方法，其特征在于按以下步骤进行：
将各原料进行混合，得到聚合物胶体，然后将聚合物胶体注入到胶桶中；其中，聚合物胶体的粘度在2Pa.S以上；
聚合物胶体包括按重量份计的如下原料：硅胶单体100份，凝聚剂0.1～5份，铂金催化剂0.1～3份。
2.根据权利要求1所述的基于气刀刮膜设备的高导热界面材料制备方法，其特征在于：所述硅胶包括乙烯基硅油和含氢硅油中的一种或两种组合。
3.根据权利要求1或2所述的一种气刀刮膜设备，其特征在于：包括载样传送带（1），所述的载样传送带（1）入口端的上方设有胶桶（2），所述的载样传送带（1）的尾端设有干燥箱（3），所述的胶桶（2）与干燥箱（3）间设有气刀室（4）；
所述的胶桶（2）的左侧端设有一号激光测距仪（5），所述的气刀室（4）中设有一号微孔气刀室（6）和二号微孔气刀室（7），所述的一号微孔气刀室（6）的左侧端设有二号激光测距仪（8），所述的一号微孔气刀室（6）与二号微孔气刀室（7）间设有三号激光测距仪（9）；
所述的一号激光测距仪（5）、二号激光测距仪（8）、三号激光测距仪（9）、一号微孔气刀室（6）与二号微孔气刀室（7）分别与载样传送带（1）呈对应分布。
4.根据权利要求3所述的一种气刀刮膜设备，其特征在于：所述的一号微孔气刀室（6）与二号微孔气刀室（7）二者结构相等；所述的一号微孔气刀室（6）的上部设有气刀进气口（10），所述的一号微孔气刀室（6）的底部设有气刀出气口（11），所述的一号微孔气刀室（6）中设有20～30个微孔气刀（12），所述的一号微孔气刀室（6）中每个微孔气刀（12）的孔径为0.5～1mm。
5.根据权利要求3或4所述的一种气刀刮膜设备的刮膜方法，其特征在于按以下步骤进行：
①涂覆步骤：
提供恒定的压力使聚合物胶体由胶桶的灌胶通道均匀的涂覆在碳纳米管阵列上，聚合物渗透进碳纳米管阵列的孔隙中；
②刮膜步骤：
涂覆过聚合物胶体的碳纳米管阵列经过载样传送带运输到气刀室下方，经气刀室的微孔喷射出的气流刮掉高出碳纳米管阵列本身高度的多余的聚合物胶体，只保留渗透进碳纳米管孔隙中的聚合物胶体，达到即增加了碳纳米管阵列本身机械强度又不会影响其导热性能的目的；
最后将经过微孔气刀刮膜设备处理过的碳纳米管阵列热界面材料经过干燥箱固化成型，得到成型的碳纳米管阵列热界面材料。
6.根据权利要求5所述的一种气刀刮膜设备的刮膜方法，其特征在于：固化成型的具体过程如下：将经过微孔气刀刮膜设备处理过的碳纳米管阵列热界面材料通过载样传送带进入120摄氏度的干燥箱内固化成型。
7.根据权利要求5所述的一种气刀刮膜设备的刮膜方法，其特征在于：通过光学传感器测量碳纳米管阵列以及其经过聚合物复合加工后的高度，调整微孔气刀喷射气流的强度和角度。
8.根据权利要求5所述的一种气刀刮膜设备的刮膜方法，其特征在于：一号激光测距仪用于测量制备好的连续碳纳米管阵列在与聚合物胶体复合加工前的高度，并反馈给控制模块；
胶桶用于装载聚合物胶体，通过灌胶通道将聚合物胶体均匀涂覆在碳纳米管阵列表面；
二号激光测距仪用于测量碳纳米管阵列通过胶桶后，经过聚合物胶体复合加工后的高度，并反馈给控制模块；
控制模块通过两次激光测距仪测量的高度差调整微孔气刀的气流强度和角度，反馈给气刀室，实时调整微孔气刀的气流强度和角度；
微孔气刀的气流强度和角度根据控制模块反馈的高度差调整；
三号激光测距仪用于测量经过微孔气刀刮膜后的碳纳米管阵列复合材料的高度，其测量高度应与一号激光测距仪的测量结果一致。
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