CN1667821A - 一种热界面材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种基于碳纳米管导热的热界面材料，包括一银胶基体，该银胶基体包括一第一表面及一相对于第一表面的第二表面；及多个分布于该银胶基体中的碳纳米管；该碳纳米管相互平行且在该银胶基体内沿第一表面向第二表面延伸，碳纳米管中填充有纳米银材料。该银胶基体由纯银颗粒、氮化硼颗粒和合成油组成，纳米银材料受碳纳米管形状的限制成柱状体。另外，本发明还提供该热界面材料的制造方法，该制造方法包括以下步骤：提供一填充有纳米银材料的碳纳米管阵列；用银胶涂覆浸润碳纳米管阵列；固化浸润碳纳米管阵列的银胶，形成热界面材料。

Description

一种热界面材料及其制造方法

【技术领域】

本发明涉及一种热界面材料及其制造方法，尤其涉及一种利用碳纳米管导热的热界面材料及其制造方法。

【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。但是，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，并取得一定散热效果，但是因散热器与半导体集成器件的接触界面不平整，一般相互接触面积不到2％，未有一个理想的接触界面，从根本上影响半导体器件向散热器传递热量的效果，所以，在散热器与半导体器件之间增加一具较高导热系数的界面材料以增加界面的接触程度实为必要。

传统热界面材料将导热系数较高的颗粒分散于银胶基体以形成复合材料，如石墨、氮化硼、氧化硅、氧化铝、银或其它金属等。此种材料的导热性能取决于银胶基体的性质。其中以油脂、相变材料为基体的复合材料因其使用时为液态，能与热源表面浸润，所以接触热阻较小，而硅胶舆橡胶为载体的复合材料接触热阻相对较大。该类材料一普遍缺陷是整个材质导热系数较小，典型值为1W/mK，这已经越来越不能适应半导体集成化程度的提高对散热的需求，而增加银胶基体的导热颗粒含量使得颗粒与颗粒之间尽量相互接触以增加整个复合材料的导热系数，如某些特殊的界面材料因此可达到4-8W/mK，但是，银胶基体的导热颗粒含量增加至一定程度时，会使银胶基体失去原本的性能，如油脂会***，从而浸润效果变差，橡胶亦会变得较硬，从而失去应有的柔韧性，这都将使热界面材料性能大大降低。

近来有一种热界面材料，将定向排列的导热系数约为1100W/mK的碳纤维一端或整体用聚合物固定，从而于热界面材料的垂直方向形成定向排列的碳纤维阵列，以使每一碳纤维均可形成一导热通道，该方式可有效提高热界面材料的导热系数，达到50-90W/mK。但是，该类材料一个缺点是厚度必须大于40微米，而整个热界面材料的导热系数与薄膜的厚度成反比，所以当其热阻降低至一定程度，进一步降低的空间相当有限。

为改善热界面材料的性能，提高其导热系数，各种材料被广泛试验。Savas Berber等人于2000年在美国物理学会上发表一篇名为“Unusually HighThermal Conductivity of Carbon Nanotubes”的文章指出，“Z”形(10，10)碳纳米管于室温下导热系数可达6600W/mK，具体内容可参阅文献Phys.Rev.Lett(2000)，Vol.84，P.4613。研究如何将碳纳米管用于热界面材料并充分发挥其优良的导热性成为提高热界面材料性能的一个重要方向。

美国专利第6,407,922号揭示一种利用碳纳米管导热的热界面材料，其将碳纳米管掺到银胶基体结成一体，通过注模方式制得热界面材料。该热界面材料的两导热表面的面积不等，其中与散热器接触面的面积大于与热源接触一面的面积，这样可有利于散热器散热。但是，该方法制得的热界面材料有不足之处，其一，注模方式制得热界面材料厚度较大，虽该热界面材料的导热系数较高，但是该热界面材料体积的增加，与器件向小型化方向发展的趋势不相适应，且该热界面材料缺乏柔韧性；其二，碳纳米管在基体材料中未有序排列，其于基体分布的均匀性较难确保，因而热传导的均匀性亦受到影响，碳纳米管纵向导热的优势未充分利用，影响热界面材料的热传导系数。

有鉴于此，提供一种具优良的热传导效果、厚度薄、柔韧性佳且热传导均匀的热界面材料实为必要。

【发明内容】

为解决现有技术的技术问题，本发明的目的在于提供一种导热效果优良、厚度薄、柔韧性佳的热界面材料。

本发明的另一目的是提供此种热界面材料的制造方法。

为实现本发明的目的，本发明提供一种热界面材料，其包括：一银胶基体，该银胶基体包括一第一表面及一相对于第一表面的第二表面；及多个分布于该银胶基体中的碳纳米管；该多个碳纳米管相互平行且于该银胶基体内沿第一表面向第二表面延伸，碳纳米管中填充有纳米银材料。

为实现本发明的另一目的，本发明提供一种热界面材料的制造方法，其包括以下步骤：提供一填充有纳米银材料的碳纳米管阵列；用银胶涂覆浸润碳纳米管阵列；固化浸润碳纳米管阵列的银胶，形成热界面材料。

其中，上述填充有纳米银材料的碳纳米管阵列的制备方法，包括以下步骤：提供一基底；通过热沉积、电子束沉积或溅射法沉积一催化剂层于基底表面；通入混有纳米银材料的碳源气；形成碳纳米管中填充有纳米银材料的碳纳米管阵列。

本发明的填充有纳米银材料的碳纳米管阵列的制备方法亦可选用电弧放电法，将含有银的石墨棒作为阴极电极舆阳极电极，同时在基底表面形成具有规则图形的催化剂层，通过在两电极上施加电压产生电弧放电，阳极电极被消耗，即可于基底表面形成上述填充有纳米银材料的碳纳米管阵列。

可替代地，形成填充有纳米银材料的碳纳米管阵列的制备方法亦可为：先于一基底上生长出定向排列的有序碳纳米管阵列，通过物理或化学方法使碳纳米管远离基底的一端开口，将柱形纳米银材料填入已经开口的碳纳米管中，即可形成上述填充有纳米银材料的碳纳米管阵列。

与现有技术的热界面材料相比较，本发明提供的热界面材料因碳纳米管阵列具均匀定向排列的特点，该热界面材料的每一根碳纳米管均可在垂直热界面材料方向形成热传导通道，得到导热系数较高的热界面材料。另外，碳纳米管中填充有纳米银材料，能进一步提高热界面材料的热传导的效率及稳定性。

【附图说明】

图1是本发明填充有纳米银材料的碳纳米管阵列的示意图。

图2是本发明银胶涂覆浸润碳纳米管阵列的示意图。

图3是本发明固化的碳纳米管阵列在基体表面被揭起的过程示意图。

图4是本发明含碳纳米管阵列的热界面材料示意图。

图5是本发明热界面材料的应用示意图。

【具体实施方式】

下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

请参阅图1，是本发明提供的填充有纳米银材料24的定向排列的碳纳米管阵列22，其中该碳纳米管阵列22形成于一基底11上，多个碳纳米管彼此基本平行，且与基底11基本垂直。

本发明的填充有纳米银材料24的碳纳米管阵列22的制备方法为：首先是在基底11表面均匀沉积一催化剂层，其方法可利用热沉积、电子束沉积或溅射法完成。基底11的材料可用玻璃、石英、硅或氧化铝。本实施例采用多孔硅，其表面是一多孔层，孔的直径极小，一般小于3纳米。催化剂层的材料可为铁、钴、镍及其合金，本实施方式选用铁作为催化剂材料。

氧化催化剂层，形成催化剂颗粒(图未示)，再将分布有催化剂的基底11置于反应炉中(图未示)，在350～1000摄氏度下，通入混合有纳米银材料的碳源气，生长出碳纳米管的微孔内填充有纳米银材料的碳纳米管阵列。其中碳源气可为乙炔、乙烯等气体，碳纳米管阵列22的高度在一定范围内可通过控制其生长时间来控制，一般生长高度为1～100微米，本实施例的碳纳米管阵列22的生长高度为100微米。本实施例的纳米银材料24采用纯度为99.9％的纳米纯银微粒，该形成于碳纳米管微孔内的纳米银材料24受碳纳米管形状的限制成柱状体。

本发明的填充有纳米银材料24的碳纳米管阵列22的制备方法亦可选用电弧放电法，只需将含有银的石墨棒作为阴极电极舆阳极电极，并在基底表面形成具有规则图形的催化剂层，通过在两电极上施加电压产生电弧放电，阳极被消耗，即可于基底表面形成上述填充有纳米银材料24的碳纳米管阵列22。

可替代地，形成填充有纳米银材料24的碳纳米管阵列的制备方法亦可为：首先在一基底上生长出定向排列的有序碳纳米管阵列22，可选地，该碳纳米管阵列的形成方法包括：热化学气相沉积法、等离子增强化学气相沉积法；通过物理或化学方法使碳纳米管阵列22中的各碳纳米管远离基底的一端开口，将柱形纳米银材料24填入已开口的碳纳米管中，即可形成上述填充有纳米银材料24的碳纳米管阵列22。

请参阅图2和图3，用银胶32涂覆浸润填充有纳米银材料24的定向排列碳纳米管阵列22，直至银胶32完全浸润碳纳米管阵列22为止。该银胶32材料包括纳米银颗粒、纳米氮化硼颗粒及合成油(Polysynthetic Oils)，其中，该纳米银颗粒粒径为1～900纳米，纯度为99.9％，纳米氮化硼颗粒粒径为1～900纳米。银胶32完全浸润的时间与碳纳米管阵列22的高度、密度以及整个碳纳米管阵列22的面积及银胶32自身的粘度有关。

将经银胶32浸润的碳纳米管阵列22冷却固化，再将该含碳纳米管阵列22的银胶32从基底11进行剥离，形成热界面材料40。该热界面材料40的厚度为100微米，与原先碳纳米管阵列22高度一致。即热界面材料40的厚度取决于所生长的碳纳米管阵列22的高度，所以，可通过控制碳纳米管阵列22的生长高度制得所需不同厚度的热界面材料40。

请参阅图4，本发明的热界面材料40，碳纳米管阵列22经银胶32固结形成一体，碳纳米管阵列22在银胶32内垂直、均匀分布，形成多个热传递通道，所形成的热界面材料40具导热系数较高，且导热均匀的特点。

本发明制得的热界面材料40，碳纳米管阵列22的形态基本未变，即碳纳米管之间距未变，且碳纳米管阵列22未聚集成束，保持初始定向排列的状态，另外，碳纳米管中填充有纳米银材料24，能进一步提高热界面材料40的热传导效率及稳定性。

本发明采用的银胶32可为纳米银颗粒、纳米氮化硼颗粒及合成油混合而成，其导热系数较高，挥发性较低。其中，添加纳米氮化硼颗粒可有效改善热传导的稳定性。为利于银胶32充分浸润碳纳米管阵列22，其粘度的要求低于100cPs。

请参阅图5，本发明制得的热界面材料40具有极佳导热系数，可广泛应用于包括中央处理器(CPU)、功率晶体管、视频图形阵列芯片(VGA)、射频芯片在内的电子器件80中，热界面材料40置于电子器件80与散热器60之间，能提供电子器件80与散热器60之间一优良界面热接触，热界面材料40中含碳纳米管的银胶基体(未标示)的第一表面42与电子器件80的表面(未标示)接触，与第一表面42相对应的第二表面44和散热器60的底面(未标示)接触。由于本发明制得的热界面材料40厚度薄，其厚度仅微米级，所以具较佳的柔韧性，即便在电子器件80的表面参差不齐情况下，本发明的热界面材料40亦能提供电子器件80与散热器60之间一良好热接触。

Claims (16)

1.一种热界面材料，其包括：

一银胶基体，该银胶基体包括一第一表面及一相对于第一表面的第二表面，及多根分布于该银胶基体中的碳纳米管，其特征在于，该多根碳纳米管相互平行且在该银胶基体内沿第一表面向第二表面延伸，碳纳米管中填充有纳米银材料。

2.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于该多个碳纳米管是垂直于银胶基体的第一表面及第二表面，且均匀分布于银胶基体中。

3.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于该纳米银材料中银纯度为99.9％。

4.如权利要求3所述的热界面材料，其特征在于该纳米银材料受碳纳米管形状的限制成柱状体。

5.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于该银胶基体材料包括纳米银颗粒、纳米氮化硼颗粒及合成油。

6.如权利要求5所述的热界面材料，其特征在于该纳米银颗粒粒径为1～900纳米，纯度为99.9％，纳米氮化硼颗粒粒径为1～900纳米。

7.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于该银胶基体的第一表面与热源相接触，该第二表面与散热器相接触，该第一表面与该第二表面相互平行。

8.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于该热界面材料厚度为1～100微米。

9.一种热界面材料的制造方法，其包括以下步骤：

提供一填充有纳米银材料的碳纳米管阵列；

用银胶涂覆浸润碳纳米管阵列；

固化浸润碳纳米管阵列的银胶，形成热界面材料。

10.如权利要求9所述的热界面材料的制造方法，其特征在于该银胶粘度低于100cPs。

11.如权利要求9所述的热界面材料的制造方法，其特征在于该填充有纳米银材料的碳纳米管阵列的制备方法包括以下步骤：

提供一基底；

在基底表面沉积一催化剂层；

通入混有纳米银材料的碳源气；

形成碳纳米管中填充有纳米银材料的碳纳米管阵列。

12.如权利要求11所述的所述的热界面材料的制造方法，其特征在于催化剂的沉积方法包括热沉积、电子束沉积或溅射法。

13.如权利要求11所述的热界面材料的制造方法，其特征在于该碳纳米管阵列的生长温度为350～1000摄氏度。

14.如权利要求9所述的热界面材料的制造方法，其特征在于该填充有纳米银材料的碳纳米管阵列的制备方法亦可选用电弧放电法。

15.如权利要求9所述的热界面材料的制造方法，其特征在于该填充有纳米银材料的碳纳米管阵列的制备方法包括以下步骤：

提供一基底；

在基底表面沉积一催化剂层；

通入碳源气，生长出碳纳米管阵列；

在碳纳米管远离基底的一端开口；

将柱形纳米银材料置入已开口的碳纳米管中。

16.如权利要求15所述的一种热界面材料的制造方法，其特征在于该碳纳米管阵列的形成方法包括：热化学气相沉积法、等离子增强化学气相沉积法。

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