JP2007506642A - アライメントされたカーボンナノチューブを有するサーマルインターフェース材料 - Google Patents

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Abstract

本発明の実施形態はサーマルインターフェース材料を提供する。一実施形態においては、カーボンナノチューブがアライメント材料と混合される。アライメント材料は、カーボンナノチューブがアライメントされ且つ熱を効率的に伝導するようにアライメントされる。アライメント材料は、例えば、クレイ材料又は液晶材料である。

Description

本発明は、超小型電子システムの冷却に関し、特に、アライメントされたカーボンナノチューブを有するナノコンポジットサーマルインターフェース材料の使用に関する。
マイクロプロセッサのような超小型電子装置は熱を発生する。サーマルインターフェース材料は超小型電子装置において熱を伝導するために用いられる。図１は、サーマルインターフェース材料１０４、１０８がどのようにマイクロプロセッサダイ１１０からヒートシンク１０２に熱を伝導させて離れさせるために用いられるかを示す、マイクロプロセッサ及びヒートシンクアセンブリ１００の側面図である。マイクロプロセッサ及びヒートシンクアセンブリ１００は、マイクロプロセッサダイ１１０が取り付けられている基板を有する。マイクロプロセッサダイ１１０と集積されたヒートシンク（“ＩＨＳ”）との間には第１サーマルインターフェース層（“ＴＩＭ１”）１０８が存在し、そのヒートシンクは又、封止剤層１２により基板１１４に接続されている。ＴＩＭ１層１０８は、典型的には、約８０Ｗ／ｍＫのバルク熱伝導度を有するインジウムはんだのような材料である。
ＩＨＳ１０６とヒートシンク１０２との間には第２サーマルインターフェース層（“ＴＩＭ２”）が存在する。現在、用いられている代表的なＴＩＭ２層１０４は、５Ｗ／ｍＫ以下のバルク熱伝導度を有するシリコーングリース材料である。ＴＩＭ２は、特別なはんだの知識及び特別な装置を用いることなくヒートシンク１０２にユーザが取り付けることを可能にし、ヒートシンク１０２は取り外し可能且つ再取り付け可能であるように手を加えられるようになっている。これは、ＴＩＭ１層１０８において用いられるはんだの熱伝導度がＴＩＭ２において用いられるシリコーングリース材料より大きい場合でさえ、典型的には、ＴＩＭ１層１０８のはんだ材料がＴＩＭ２層１０４として使用されないようになっている。
動作中、マイクロプロセッサダイ１１０は熱を発生する。ＴＩＭ１層１０８は、マイクロプロセッサダイ１１０からＩＨＳ１０６に熱を伝導して離れさせる。ＴＩＭ２層１０４は、それ故、ＩＨＳ１０６からヒートシンク１０２に熱を伝導させて逃がし、そのヒートシンクは、マイクロプロセッサ及びヒートシンクアセンブリ１００から周囲の環境に熱を伝達する。
現在のマイクロプロセッサは高速且つ強力になっているため、それは又、多くの熱を発生する。ＴＩＭ１層１０８及びＴＩＭ２層１０４において用いられている現在のサーマルインターフェース材料は、マイクロプロセッサダイ１１０から及びヒートシンク１０２に熱を伝導して離れさせるには十分に大きくない熱伝導度を有している。
本発明の複数の実施形態が例示として且つ添付図において限定的でないように示され、それらの図において、参照番号は同様の要素を示している。
本明細書を通して“一実施形態”又は“実施形態”と言及することは、本発明に関連付けて説明する特徴、構造、材料又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態において含まれることを意味する。それ故、本明細書を通して種々の文章において表れる“一実施形態において”又は“実施形態において”の表現は、同じ実施形態又は発明に関連する全てであることは必ずしも必要ない。更に、特徴、構造、材料又は特性は１つ又はそれ以上の実施形態において何れの適切な方式で組み合わされることが可能である。
図２は、本発明の一実施形態に従った改善されたサーマルインターフェース材料の層２０２、２０４を有するヒートシンクアセンブリ２００及びマイクロプロセッサの側面図である。サーマルインターフェース材料は熱伝達方向に方向合わせされたカーボンナノチューブを有する。このサーマルインターフェース材料は、それ故、ナノコンポジットサーマルインターフェース材料（“ＮＴＩＭ”）であり、従来使用されてきたサーマルインターフェース材料より高い熱伝導度を有することが可能である。サーマルインターフェース材料の層２０２、２０４を使用することにより、図２のマイクロプロセッサ及びヒートシンクアセンブリ２００はマイクロプロセッサダイ１１０から熱を良好に取り除くことが可能である。
マイクロプロセッサ及びヒートシンクアセンブリ２００は、マイクロプロセッサダイ１１０が取り付けられている基板１１４を有する。マイクロプロセッサダイ１１０と集積ヒートシンク（“ＩＨＳ”）１０６との間には第１サーマルインターフェース層（“ＴＩＭ１”）２０４があり、その集積ヒートシンクはシーラント層１１２により基板１１４に接続されている。本発明の実施形態のＴＩＭ１層２０４は１つ又はそれ以上の他の材料と組み合わされたカーボンナノチューブを含む。ＴＩＭ１層２０４はマイクロプロセッサ１１０からＩＨＳ１０６に熱を伝達して離れさせる。この熱は、一実施形態において、ｚ軸方向２０６に実質的に伝達されることが可能である。その熱を伝達するために、ＴＩＭ１層２０４におけるカーボンナノチューブは熱伝達方向に熱伝導経路を作るように方向合わせがなされ、その熱伝達方向は、図示している実施形態においては、ｚ軸方向２０６である。好ましい熱伝達方向に熱伝導経路を作るようにカーボンナノチューブを方向合わせすることにより、その方向２０６に沿ってサーマルインターフェース材料の層２０４の熱伝導度は改善される。改善されたサーマルインターフェース材料の層２０４の熱伝導度は約１００Ｗ／ｍＫより大きいことが可能であり、そのことにより、先行技術におけるサーマルインターフェース材料と比較して改善された熱伝達性能が与えられる。
ＩＨＳ１０６とヒートシンク１０２との間には第２サーマルインターフェース層“ＴＩＭ２”）２０２がある。図２に示す実施形態においては、ＴＩＭ２層２０２は又、１つ又はそれ以上の他の材料と組み合わされたカーボンナノチューブを有する。ＴＩＭ２層２０２はＩＨＳ１０６からヒートシンク１０２に熱を伝達して離れさせる。この熱は、一実施形態において、ｚ軸方向２０６に実質的に伝達されることが可能である。その熱を伝達するために、ＴＩＭ２層２０２におけるカーボンナノチューブは熱伝達方向に熱伝導経路を作るように方向合わせがなされ、その熱伝達方向は、図示している実施形態においては、ｚ軸方向２０６である。ＴＩＭ１層２０４と同様に、所望の熱伝達方向における熱伝導経路を作るためにＴＩＭ２層２０２においてカーボンナノチューブを方向合わせすることは、その方向２０６に沿って改善されるサーマルインターフェース材料の層２０２の熱伝導度を改善することが可能である。ＴＩＭ１層２０４と同様に、カーボンナノチューブと方向合わせされた改善されたサーマルインターフェース材料の層２０２の熱伝導度は約１００Ｗ／ｍＫより大きいことが可能であり、そのことにより、改善された熱伝達性能が与えられる。
図２についての上記の説明から理解できるように、マイクロプロセッサダイ１１０は熱源であることが可能である。第１の改善されたサーマルインターフェース材料層２０４は、ＩＨＳ１０６の方に実質的にｚ軸２０６に沿ってマイクロプロセッサダイ１１０により発生された熱を伝達することが可能である。ＩＨＳ１０６は、熱源、即ち、マイクロプロセッサダイ１１０から離れるように伝導される熱を受けるための受熱部であることが可能である。熱は、それ故、第２の改善されたサーマルインターフェース材料層２０２を介してＩＨＳ１０６からヒートシンク２０２に実質的にｚ軸に沿って移動し、それにより、熱は、マイクロプロセッサ及びヒートシンクアセンブリ２００から離れるように、周囲の環境の方に伝達される。ＴＩＭ２層２０２を用いる場合、ＩＨＳ１０６は熱源として作用することが可能であり、ヒートシンク１０２は受熱部として作用することが可能である。熱伝達方向において、この場合、ｚ軸２０６に沿って、熱伝導経路を作るようにサーマルインターフェース材料層２０２、２０４においてカーボンナノチューブを方向合わせすることにより、約１００Ｗ／ｍＫより大きい改善された熱伝導度を得ることが可能である。
図２のマイクロプロセッサ及びヒートシンクアセンブリ２００について、方向合わせされたカーボンナノチューブを有するとしてサーマルインターフェース材料層２０２、２０４の両方と共に説明したが、これは必ずしも必要条件ではない。その層の熱伝導度を改善するためにサーマルインターフェース材料層２０２、２０４の一のみにおける熱伝達方向に方向合わせされたカーボンナノチューブを有するＮＴＩＭを用いることが可能である。マイクロプロセッサ及びヒートシンクアセンブリ２００以外のアプリケーションは又、サーマルインターフェース材料層の１つ又はそれ以上を使用することが可能である。そのようなアプリケーションは、ダイ１１０のような熱源と、ヒートシンク１０２のような受熱部又は熱除去部との間に、蒸気チャンバ、ヒートパイプ若しくは他の受熱部又は熱除去部を有する。そのようなアプリケーションにおいては、方向合わせされたカーボンナノチューブを有する改善されたサーマルインターフェース材料は、異なる種類の熱源から異なる種類の受熱部への改善された熱伝達のためのサーマルインターフェース材料として用いられることが可能である。
図３ａは、方向合わせがなされたカーボンナノチューブを有する改善されたサーマルインターフェース材料が実施形態においてどのように作製されるかを示すフロー図３００である。カーボンナノチューブはアライメント材料と混合され３０２、その結果、混合材料が得られる。アライメント材料は、熱が伝達される方向に改善されたサーマルインターフェース材料内のカーボンナノチューブをアライメントすることを支援する。カーボンナノチューブ及びアライメント材料は又、１つ又はそれ以上の他の材料と混合される３０２ことが可能であり、その結果、混合材料が得られる。それらの他の材料は、マトリクス材料、フィラー材料又は他の材料であることが可能である。一実施形態においては、カーボンナノチューブは、混合材料を重量で約５％以上を有するが、一部の実施形態においては、混合材料を重量で約２５％以上を有し、他の実施形態においては、更に多い量のカーボンナノチューブが用いられる。一般に、カーボンナノチューブの量が多くなればなる程、その結果として、熱伝導性が大きくなる。一部の実施形態においては、用いられるカーボンナノチューブは約１０ｎｍより大きい平均の長さを有する。他の実施形態においては、用いられるカーボンナノチューブは約１００ｎｍより大きい平均の長さを有する。一般に、一旦、カーボンナノチューブがアライメントされると、カーボンナノチューブの長さが長くなればなる程、その結果として、熱伝導経路はより良好になる。一部の実施形態においては、カーボンナノチューブは、ＮＴＩＭ材料に対する濡れ性及び／又は分散性を改善するために表面改質を伴って処理されることが可能である。
カーボンナノチューブは、それ故、アライメントされる３０４。これは、アライメント材料をアライメントすることによりなされることが可能である。アライメント材料はアライメント可能構造を有する。アライメント材料においてアライメント可能構造がアライメントされるとき、そのアライメント可能構造は、カーボンナノチューブが又アライメントされるようにする。種々の実施形態においては、複数のアライメント材料が用いられ、アライメント材料がカーボンナノチューブをアライメントするようにする方法は、どのアライメント材料が用いられるかに基づいて異なる。アライメント材料を使用することにより、カーボンナノチューブのアライメントは容易になり、それにより、多くのアプリケーションに対して、典型的にはより安価でより実際的なカーボンナノチューブのアライメントを伴うサーマルインターフェース材料の形成が可能である。
図３ｂ及び３ｃは、アライメントの前（図３ｂ）及び後（図３ｃ）の両方のアライメント材料とカーボンナノチューブとを含む混合材料の実施形態の側面図である。図３ｂ及び３ｃは、カーボンナノチューブをアライメントすることにより混合材料の熱伝導性がどのように改善されるかを示している。図３ｂ及び３ｃに示す実施例においては、混合材料の下部から上部に、ｚ軸２０６に沿って熱が伝導することは好ましい。他のアプリケーションにおいては、異なる方向に熱を伝導することが好ましいことがあり得、それ故、カーボンナノチューブは異なるようにアライメントされることが可能である。一般に、カーボンナノチューブ自体に沿って、混合材料を通って多くの熱伝導が起こる。熱が材料の一の側から他の側に移動することができるアライメントされたカーボンナノチューブにより作られた経路は熱伝導度の増加をもたらす。
図３ｂは、アライメントされていないカーボンナノチューブ３０６を有するアライメントされていない混合材料３０８を示している。アライメントされていないカーボンナノチューブ３０６はアライメントされていない混合材料３０８内で実質的にランダムな方向を有する。熱がその材料の下部から上部にｚ軸２０６に沿って移動することが可能であるアライメントされていないカーボンナノチューブ３０６により形成される経路は殆ど存在しない。それ故、図３ｂのアライメントされていない混合材料３０８の熱伝導度は相対的に小さい。
図３ｃは、図３ａに従って、混合材料がアライメントされた３０４後のアライメントされた混合材料３１２の実施形態を示している。カーボンナノチューブは良好に熱を伝導する。上記のように、アライメント材料は、アライメント材料がアライメントされるにつれてカーボンナノチューブがアライメントされるようになる構造を有することが可能である。混合材料がアライメントされた後、アライメントされたカーボンナノチューブ３１０は、熱がアライメントされた混合材料３１２の下部から上部に移動することができる経路３１４、３１６、３１８を与える。
混合材料をアライメントする３０４ことにより形成される経路の１つのタイプはまっすぐな経路３１４である。まっすぐな経路３１４においては、カーボンナノチューブ３１０はｚ軸２０６に沿って実質的に完全にアライメントされ、１つ又はそれ以上のカーボンナノチューブは、直接にアライメント材料３１２の下部からアライメント材料３１２の上部に実質的にまっすぐな経路３１４を形成するように接触している。このまっすぐな経路３１４は、熱が移動するために直接的な、壊されない、短い経路を与え、それにより、非常に高い熱伝導度が与えられる。
混合材料をアライメントする３０４ことにより形成される他の種類の経路は屈曲した経路３１６である。カーボンナノチューブはｚ軸２０６に沿って完全にはアライメントされていないが、完全な屈曲経路３１６がアライメント材料３１２の下部からアライメント材料３１２ｂの上部に形成されるように接触している。屈曲経路３１６はまっすぐな経路程には短くなく、それ故、その熱伝導度は、まっすぐな経路に沿った場合程、高くない。しかしながら、このような屈曲経路３１６に沿った熱の流れはアライメントされたカーボンナノチューブ３１０により伝導されることが可能であり、それ故、そのような屈曲経路を伴う材料の熱伝導度は非常に高いものである。
混合材料をアライメントする３０４ことにより形成される第３の種類の経路は、１つ又はそれ以上のギャップを有する屈曲経路３１８である。そのようなギャップを伴う屈曲経路３１８においては、熱は、アライメントされた材料３１２の下部表面からアライメントされた材料の上部表面に全体に亘って移動することは可能ではない。しかしながら、アライメントされた材料３１２におけるそのようなギャップを伴う屈曲経路３１８におけるギャップ３２０はアライメントされていない材料３０８において存在するギャップより小さく、それ故、そのようなギャップを伴う屈曲経路３１８を有する材料の熱伝導度は、それでもアライメントされていない材料３０８より大きい。ギャップを伴うまっすぐな経路は又、混合材料のアライメント３０４の後に現れ得る。より長いカーボンナノチューブは、アライメントされた材料の全体に亘って到達するように必要とされるカーボンナノチューブの数を少なくし、それ故、より長いカーボンナノチューブはカーボンナノチューブ間のギャップ数を減少させ、アライメントされた材料３１２の熱伝導度を増加させることが可能である。
図４は、実施形態に従って、クレイがアライメント材料として用いられるとき、アライメントされたカーボンナノチューブを有するサーマルインターフェース材料がどのように作製されるかを示すフロー図４００である。クレイは、改善されたサーマルインターフェース材料の形で用いるために調整される４０２。一部の実施形態においては、用いられるクレイは、タクトイド（ｔａｃｔｏｉｄ）と呼ばれる領域にトランプのように共に密接に積層される個々の小板状粒子の凝集であることが可能である。一実施形態においては、クレイの個々の小板状粒子の典型的な厚さは約２ｎｍであり、その典型的な直径は約１０ｎｍ乃至３０００ｎｍの範囲内にある。クレイは、クレイの小板の直径がカーボンナノチューブの長さのオーダーであるように選択されることが可能である。本発明の一部の実施形態において用いられるクレイは、クレイ材料のグラム当たり約０．３乃至約３．０ミリ当量（ｍｅｑ／ｇ）の範囲内の陽イオン交換能力を有する肥大化可能な自由に移動する粒子である。一部の実施形態は、約０．９０ｍｅｑ／ｇ乃至約１．５ｍｅｑ／ｇの範囲内の陽イオン交換能力を有する肥大化可能な自由に移動する粒子であるクレイを用いる。
一部の実施形態においては、クレイの調整４０２は、肥大化可能な層状クレイが１つ又はそれ以上の有機陽イオンと反応するようにすることにより達成されることが可能であり、一部の実施形態においては、部分的な又は完全な陽イオン交換をもたらすように、その有機陽イオンはアンモニウム化合物である。これを達成するために多くの方法を用いることが可能である。
図５は、一実施形態に従って、クレイ材料がどのように調整される４０２かを詳細に示すフロー図５００である。クレイは、約５０℃乃至約８０℃の温度範囲内の温水中に分散されている。単独の若しくは水又はアルコール中に溶解された有機陽イオンの塩が、次いで、クレイに添加される。その塩及びクレイは、次いで、クレイの層の間のギャラリー内に存在する金属陽イオンの殆どを有機陽イオンが交換するに十分な時間の期間の間に混合される。これは、クレイが、高分子のような特定のマトリクス材料とより適合するようにし、そのポリマーとクレイを混合させる。陽イオン交換に代えて、適合性を増大させるために他の方法を用いることが可能である。クレイは、次いで、分離される５０８が、それは、濾過、遠心分離、噴霧乾燥及び他の方法又はそれらの方法の組み合わせにより達成される。このとき、クレイの粒径が、磨砕、研磨、粉砕、ハンマーミリング、ジェットミリング、他の方法又はそれらの方法の組み合わせにより、典型的には、平均の大きさが１００μｍ以下になるようにされる。任意に、クレイに関して更なる処理がなされることが可能である。それらの処理は、クレイが混合されるＮＴＩＭ材料の剥離を支援する処理であって、クレイが混合されるＮＴＩＭ材料のポリアミドクレイ界面の強度を改善する、処理及び／又は他の処理を含むことが可能である。そのような処理の他の実施例は、水可溶性又は水不溶性ポリマー、有機試薬、モノマー、シラン化合物、金属、有機金属類及び／又は他の適切な材料又は化合物を用いるインターカレーションである。
図４を参照するに、カーボンナノチューブは、それ故、調整されたクレイと混合される４０４ことが可能である。１つ又はそれ以上の材料は又、クレイ及びカーボンナノチューブと混合される４０４ことが可能である。それらが混合されるカーボンナノチューブ及び他の材料は、その結果、混合された材料の状態として得られる。本発明の一実施形態においては、クレイはその混合された材料を重量で約２５％以下有する。他の実施形態においては、クレイはその混合された材料を重量で約５％以下有する、第３の実施形態においては、クレイはその混合された材料を重量で約２％以下有する。十分なクレイが、クレイ材料がアライメントされるとき、カーボンナノチューブをアライメントするために十分な小板構造及びタクトイド構造を与えるように用いられることが可能である。改善されたサーマルインターフェース材料内に用いられるクレイとしては、例えば、自然のクレイ、合成クレイ、変性された層状ケイ酸塩、サポナイト、雲母、バーミキュライト、ベントナイト、ノントロナイト、バイデライト、ボルコンスコアイト、マガディアイト、ケニエート等のスメクタイトクレイがある。合成クレイとしては、合成雲母、合成サポナイト、合成ヘクトライト等がある。変性された層状ケイ酸塩のクレイとしては、フッ素化モンモリロナイト、フッ素化雲母等がある。
一部の実施形態においては、広範なマトリクス材料の１つ又はそれ以上が、一部の実施形態において混合された材料を形成するために調整されたクレイ及びカーボンナノチューブと混合される４０４ことが可能である。例えば、マトリクス材料は、良好な濡れ性及び／又はカーボンナノチューブとの界面における小さい界面抵抗について選択されることが可能である。それらのマトリクス材料としては、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂及びオレフィン樹脂等のポリマー、例えば、インジウム、すず及びそれらの合金等のはんだ等のはんだ、ポリマー及びはんだの混合物又は他のマトリクス材料がある。オレフィン樹脂は、その良好な濡れ性とカーボンナノチューブとの間の小さい界面抵抗とを有するために有用である。本発明の一部の実施形態において用いられることが可能であるオレフィン樹脂の一部の例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン及びパラフィンワックスがある。他のマトリクス材料は又、付加的な所望の特性を与えるために用いられることが可能である。
熱伝導性材料又は他のフィラー材料は又、一部の実施形態において、カーボンナノチューブと混合されることが可能であり、混合された材料を形成するための調整されたクレイであることが可能である。熱伝導性フィラーは、ギャップを有するカーボンナノチューブの経路に沿った熱伝達を改善することにより、混合されたアライメントされた材料の熱伝導性を改善するように支援することが可能である。熱伝導性フィラーはギャップ３２０の熱伝導性を改善することが可能である。一部の実施形態で用いられるそのようなフィラーとしては、例えば、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等のセラミックス、例えば、アルミニウム、銅、銀等の金属、インジウム等のはんだ及び他のフィラー材料がある。
混合４０４の後、一実施形態において約２０ｎｍ以下の高さ寸法を有する個々の小板粒子、小さいタクトイド及びタクトイドの小さい凝集としてクレイの殆どが存在するように、クレイは混合された材料中に分散されることが可能であり、このことは、クレイの殆どが、クレイが焼く２ｎｍの厚さを有する実施形態において約１５個以下の積層された小板を有する小板又はタクトイドとして存在することを意味する。一部の実施形態においては、非常に多くの量のクレイの個々の小板粒子及び少量のタクトイド又はタクトイドの凝集を有することが好ましい。
混合された材料は、次いで、剪断力の影響下に置かれる４０６ことが可能である。剪断力は、例えば、小板、タクトイド及びタクトイドの凝集等のクレイ内の構造をアライメントする。それらがアライメントされるとき、小板、タクトイド及びタクトイドの凝集は、ＮＴＩＭが熱伝導度を改善するように、カーボンナノチューブが又、アライメントされるようにする。混合された材料の成形、混合された材料の押し出し成形及び他の方法を含む多くの方法が、混合された材料が剪断されるようにするために用いられることが可能である。一部の実施形態においては、剪断されたＮＴＩＭ材料は、次いで、所望のアプリケーションのために適切な選択された厚さのパッドに分割される４０８。それらのパッドは、次いで、熱を伝達するように広範な装置において用いられることが可能である。例えば、それらのパッドは、図２に関連して説明したＴＩＭ１層２０２及びＴＩＭ２層２０４として用いられることが可能である。アライメントされたカーボンナノチューブを有するパッドは、ＮＴＩＭパッドがヒートシンク１０２が取り除かれ且つ置き換えられることを可能にし、ユーザが特別のはんだの知識を有することなく又は特別の装置を用いることなくヒートシンク１０２を取り付けることを可能にするために、ＴＩＭ２層２０２として用いられることが可能である。それ故、ＮＴＩＭ材料はＴＩＭ２層２０２として用いるために適切であり、ＴＩＭ２層１０４として現在用いられているシリコーングリースの熱伝導度より何倍も大きい熱伝導度を有する。
本発明の一実施形態においては、１０ｇのシリカクレイが調整された４０２。このクレイは、次いで、３０ｇの単一壁カーボンナノチューブと６０ｇのアルファオレフィン樹脂のマトリクス材料と８０℃の温度で３時間、ダブルプラネタリミキサ内で混合された。この混合材料は、次いで、約１インチの直径を有するストランドの状態にその混合材料を押し出し成形することにより剪断力の影響下に置かれた４０６．このストランドは、次いで、約０．２５ｍｍの厚さを有するパッドに分割された。それらのパッドは、次いで、試験され、約１００Ｗ／ｍＫより大きい熱伝導度を有することが分かった。
図６は、本発明の一実施形態に従って、図４の混合された材料がどのように剪断力の影響下に置かれ４０６、パッドに分割されるかを示す側面図である。混合されたアライメントされていない材料６０２は押出成形器６０４内に入れられる。押出成形器６０４は、次いで、アライメントされた材料のストランドを押し出し成形する６０６。他の実施形態においては、混合されていない材料が押出成形器６０４に入れられ、その材料の混合６０２及び押し出し成形６０４の両方がなされる。ストランドは、押し出し成形処理がその材料に剪断力を適用するためにされる。この剪断力はアライメント可能なクレイの構造をアライメントし、ここで、そのクレイは、小板、タクトイド、タクトイドの凝集である。それらのアライメント可能構造のアライメントは又、カーボンナノチューブのアライメントをもたらす。図６に示すように、アライメントされる材料６０６のアライメントはｚ軸２０６に沿っている。更に使用可能な形にアライメントされた材料にするために、押し出し成形されたストランドはチョッパ６０８に入れられ、そのチョッパは、所望のアプリケーションにおいて用いるために適切な選択された高さのアライメントパッド６１０にそのストランドを切断する。“高さ”はｚ軸２０６に沿ったものであり、それ故、この場合の“高さ”は図６において左から右に測定される。それらのパッドは、次いで、例えば、図２のＴＩＭ１層２０４及び／又はＴＩＭ層２０２の両方の一として又は他のアプリケーションにおいて用いられることが可能である。
図７は、液晶樹脂がアライメント材料として用いられるとき、本発明の実施形態に従って、アライメントされたカーボンナノチューブを有する改善されたサーマルインターフェース材料がどのように製造されるかを示すフロー図である。カーボンナノチューブは液晶樹脂と混合される７０２。本発明の一実施形態においては、液晶樹脂は混合された材料を重量で約２０％以上有し、混合された材料はカーボンナノチューブと液晶樹脂とを有することが可能である。他の実施形態においては、液晶樹脂は混合された材料の重要の約１５％又はそれ以上である。液晶樹脂はアライメント可能構造を有する。ロッド状の液晶樹脂を含む多くの異なる液晶樹脂を用いることが可能であり、ここで、そのロッドはアライメント可能構造である。一部の実施形態においては、２００℃以下の融点を有する液晶樹脂は溶剤に可溶性である及び／又は希釈剤が用いられる。更に、液晶樹脂は、混合される液晶樹脂を硬化させるために、例えば、エポキシ基、ビニル基、ヒドロキシル基等の重合単位と共に官能基化されることが可能である。
一部の実施形態においては、１つ又はそれ以上のマトリクス材料が、カーボンナノチューブ及び液晶樹脂と混合され、その結果、混合された材料が得られることが可能である。そのような他のマトリクス材料は、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂及びオレフィン樹脂等のポリマー、例えば、インジウム、すず、それらの合金等のはんだ、ポリマー及びはんだの混合物又は他のマトリクス材料の１つ又はそれ以上を含むことが可能である。他のマトリクス材料が又、付加的な所望の特性を与えるように用いられることが可能である。
熱伝導性材料又は他のフィラー材料は、一部の実施形態において混合された材料を結果的に得るように、カーボンナノチューブ及び液晶樹脂と混合される７０２ことが可能である。熱伝導性フィラーは、ギャップを有するカーボンナノチューブの経路に沿った熱伝達を改善することにより混合されたアライメントされた材料の熱伝導度を改善するように支援することが可能である。熱伝導性フィラーは、ギャップ３２０の熱伝導度を改善することが可能である。一部の実施形態で用いられるそのようなフィラーとしては、例えば、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等のセラミックス、例えば、アルミニウム、銅、銀等の金属、インジウム等のはんだ及び他のフィラー材料がある。他の処理は又、混合される材料に関して実行されることが可能である。
混合された材料は、次いで、例えば、マイラー又は他のフィルム若しくは剥離ライナー等のフィルム上に層状に形成される７０４。このフィルムは混合された材料を支持し、混合された材料の操作及び処理を容易にする。このような層状の形成７０４は、フィルム上への混合材料の一体成形、フィルム上への混合材料の印刷又は他の方法により実行されることが可能である。第２フィルム又は剥離ライナーは、そのとき、その混合された材料の両側がフィルムで覆われるように、混合された材料において層形成されることが可能である。溶剤又は希釈剤を混合された材料と混合する７０２は、そのフィルムにおけるその材料の層形成を容易にする。
混合された材料は、次いで、場の影響下に置かれる。場は液晶樹脂をアライメントする。複数の実施形態においては、磁場、電場、電磁場又は他の場が液晶樹脂をアライメントするために用いられることが可能である。液晶樹脂におけるロッド状構造のようなアライメント可能構造は又、カーボンナノチューブが改善された熱伝導度を有するＮＴＩＭを得るようにアライメントされるようになるようにする。場の方向は、カーボンナノチューブが所望の方向にアライメントされるように選択される。場は又、カーボンナノチューブのアライメントを支援するようにカーボンナノチューブに直接、作用する。しかしながら、液晶樹脂のアライメント材料を含むことにより、アライメント材料を用いることなく場によりカーボンナノチューブを直接アライメントするように試みがなされる場合に比べて、カーボンナノチューブのアライメントをもたらすように用いられる場強度はかなり小さいものとなることが可能である。混合された材料と溶剤又は希釈剤を混合する７０２ことによりその材料のアライメントが容易になることが可能である。クレイがアライメント材料である実施形態に関連して上記した、押し出し成形により適用される剪断力のような剪断力は又、場に代えて又は場に加えて、液晶樹脂がアライメント材料である場合に混合された材料をアライメントするように用いられることが可能である。
任意に、混合され且つアライメントされた材料は硬化される７０８ことが可能である。一部の実施形態においては、硬化７０８はカーボンナノチューブのアライメントの後になされ、他の実施形態においては、硬化７０８はカーボンナノチューブのアライメント中になされ、又は、混合された材料は磁場の影響下に置かれる７０６。混合された材料の硬化は、後者の処理中にカーボンナノチューブをアライメントされるように保つことが可能である。
ＮＴＩＭ材料は、次いで、使用するためにパッドの状態に分割される。典型的には、図２に示す実施例において、ＴＩＭ２層２０２がＩＨＳ１０６に適用されるときのような、パッドがサーマルインターフェース材料として適用されるとき、フィルムは取り除かれる。そのようなパッドは、次いで、熱を伝達するために広範な装置において用いられることが可能である。例えば、パッドは、図２に関連して上記したＴＩＭ層２０２及びＴＩＭ２層２０４として用いられることが可能である。アライメントされたカーボンナノチューブを有するパッドは、ＮＴＩＭパッドがヒートシンク１０２が取り除かれる及び置き換えられるようにされるため、ＴＩＭ２層２０２として用いられることが可能である。それ故、ＮＴＩＭ材料はＴＩＭ２層２０２として用いるために適切であり、ＴＩＭ２層１０４として現在用いられているシリコーングリース材料の熱伝導度より何倍も大きい熱伝導度を有する。本発明の一実施形態においては、５９℃の軟化点を有するアルファオレフィン樹脂３０ｇ、単一壁カーボンナノチューブ３０ｇ、２，２´ジメチルスチルベン（Ｔｍ＝８３℃）４０ｇ及びトルエン１００ｇが、約８０℃まで加熱されたプラネタリミキサに入れられて混ぜられ７０２、１時間の間、５０ｒｐｍで混合された。そのミキサは、そのとき、約８０℃において３本ロールミルを２回、通される。混合された材料は、次いで、一体成形により４０μｍの厚さのマイラーフィルムに層状にされる７０４。その混合された材料を有するフィルムは、次いで、カーボンナノチューブの所望のアライメント方向を与えるように約３０分間、約０．３Ｔの磁場の影響下に置かれた７０６。混合された材料を有するフィルムは、次いで、磁場の影響下に置かれた７０６まま、約１００℃で乾燥されることにより硬化される７０８。フィルムはパッドから取り除かれ７１２、そのパッドは、次いで、試験され、約１００Ｗ／ｍＫの熱伝導度を有することが分かった。
図８ａ及び８ｂは、本発明の一実施形態に従って、図７の混合された材料がどのようにフィルム上に層形成され７０４、次いで、場の影響下に置かれるかを示す側面図である。図８ａに示すように、混合されたアライメントされていない材料８０８は、押し出し成形器８０２によりフィルム８０４上に層形成される７０４。混合された材料８０８の厚さは、アライメントされる材料が供されるアプリケーションに対して適切であるように選択されることが可能である。この実施例においては、カーボンナノチューブがアライメントされる方向のｚ軸２０６は、フィルム８０４の面に対して実質的に垂直である。フィルム８０４上に混合された材料８０８は、次いで、図８ｂに示すように、場の影響下に置かれる。この場８１０は。混合された材料８０８における液晶樹脂をアライメントし、その混合された材料は又、カーボンナノチューブがアライメントされるようにするようにする。
本発明の実施形態の上記の記載は、例示及び説明のためになされたものである。開示されたまさにその内容に本発明を限定すること又はその内容が本発明を網羅していることを意図するものではない。当業者は、多くの修正及び変形が上記の教示に照らして可能であることを理解することができるであろう。当業者は、図に示している種々の構成要素についての種々の同等の組み合わせ、位置関係及び置換が可能であることを認識するであろう。それ故、本発明の範囲は上記の詳細説明に限定されるものではなく、同時提出の特許請求の範囲により規定されることが意図されるものである。
サーマルインターフェース材料の層がマイクロプロセッサダイからヒートシンクにどのように熱を伝導させて離れさせるかについて示すマイクロプロセッサ及びヒートシンクアセンブリの側面図である。 本発明に従った改善されたサーマルインターフェース材料の層を有するマイクロプロセッサ及びヒートシンクアセンブリの側面図である。 アライメントされたカーボンナノチューブを有する改善されたサーマルインターフェース材料がどのように製造されるかを示すフロー図である。 アライメント前のカーボンナノチューブ及びアライメント材料の側面図である。 アライメント後のカーボンナノチューブ及びアライメント材料の側面図である。 クレイがアライメント材料として用いられるとき、本発明の実施形態に従ってアライメントされたカーボンナノチューブを有する改善されたサーマルインターフェース材料がどのように製造されるかを示すフロー図である。 一実施形態に従ってクレイ材料がどのように調整されるかを詳細に示すフロー図である。 本発明の一実施形態に従って、図４の混合された材料がどのように剪断力の影響下に置かれ、パッドに分割されるかを示す側面図である。 液晶樹脂がアライメント材料として用いられるとき、本発明の実施形態に従ってアライメントされたカーボンナノチューブを有する改善されたサーマルインターフェース材料がどのように製造されるかを示すフロー図である。 本発明の実施形態に従って、図７の混合された材料がどのように層形成され、次いで、場の影響下に置かれるかを示す側面図である。 本発明の実施形態に従って、図７の混合された材料がどのように層形成され、次いで、場の影響下に置かれるかを示す側面図である。

Claims (36)

  1. 混合された材料を得るように少なくともカーボンナノチューブとアライメント材料とを混合させる段階；及び
    前記アライメント材料を前記カーボンナノチューブとアライメントするようにする段階；
    を有することを特徴とする方法。
  2. 請求項１に記載の方法であって、前記アライメント材料を前記カーボンナノチューブとアライメントするようにする段階は、前記混合された材料に剪断力を適用する手順を有する、ことを特徴とする方法。
  3. 請求項１に記載の方法であって、前記アライメント材料を前記カーボンナノチューブとアライメントするようにする段階は、前記混合された材料に場を適用する手順を有する、ことを特徴とする方法。
  4. 請求項３に記載の方法であって、前記場は、電場、磁場又は電磁場の少なくとも１つを有する、ことを特徴とする方法。
  5. 請求項１に記載の方法であって、得られる前記混合された材料はカーボンナノチューブを重量で５％以上有する、ことを特徴とする方法。
  6. 請求項１に記載の方法であって、前記混合された材料を得るように前記カーボンナノチューブ及びアライメント材料とマトリクス材料を混合させる段階を更に有する、ことを特徴とする方法。
  7. 請求項６に記載の方法であって、前記マトリクス材料は、シリコーンポリマー、エポキシポリマー、オレフィンポリマー、インジウムはんだ又はすずはんだの少なくとも１つを有する、ことを特徴とする方法。
  8. 請求項１に記載の方法であって、前記混合された材料を得るように前記カーボンナノチューブ及びアライメント材料とフィラーマトリクスを混合させる段階を更に有する、ことを特徴とする方法。
  9. 請求項８に記載の方法であって、前記フィラー材料は、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、アルミニウム、銅、銀又はインジウムはんだの少なくとも１つを有する熱伝導材料である、ことを特徴とする方法。
  10. 請求項１に記載の方法であって、前記アライメント材料はクレイ材料である、ことを特徴とする方法。
  11. 請求項１０に記載の方法であって、前記クレイ材料を調整する段階であって：
    約５０℃乃至約８０℃の範囲内の温度を有する温水中に前記クレイ材料を分散させる手順；
    前記のオン水中に分散されたクレイ材料に陽イオンの塩を加える手順；
    前記陽イオンの塩とクレイを混ぜる手順；
    前記クレイを分離する段階；並びに
    約１００μｍより小さい平均サイズまでクレイの粒子サイズを小さくする手順；
    を有する、段階を有する、ことを特徴とする方法。
  12. 請求項１１に記載の方法であって：
    前記混合された材料を得るように前記カーボンナノチューブ及び前記調整されたクレイとアルファオレフィン樹脂マトリクスを混合させる段階であって、前記混合された材料は、カーボンナノチューブを重量で約３０％と、調整されたクレイを重量で約１０％と、アルファオレフィン樹脂マトリクスを重量で約６０％を有する、段階であって、前記調整されたクレイのアライメント材料が前記カーボンナノチューブをアライメントするようにする段階は前記混合された材料を押し出し成形する手順を有する、段階；並びに
    前記の押し出し成形された混合された材料を選択されたサイズのパッドに分割する段階；
    を有することを特徴とする方法。
  13. 請求項１０に記載の方法であって、前記クレイ材料は、クレイ材料のグラム当たり約０．３乃至約３．０ミリ当量の範囲内の陽イオン交換能力を有する肥大化可能な自由に移動する粒子を有する、ことを特徴とする方法。
  14. 請求項１０に記載の方法であって、前記クレイ材料は、約２ｎｍより小さい平均厚さ及び約１０ｎｍ乃至約３０００ｎｍの範囲内の平均直径を有する小板粒子から構成される、ことを特徴とする方法。
  15. 請求項１に記載の方法であって、前記アライメント材料は液晶樹脂材料である、ことを特徴とする方法。
  16. 請求項１５に記載の方法であって：
    前記混合された材料はフィルムにおいて層形成される段階；及び
    前記アライメント材料を前記カーボンナノチューブとアライメントするようにする段階の後、前記混合された材料を硬化させる段階；
    を更に有する、ことを特徴とする方法。
  17. 請求項１６に記載の方法であって：
    混合された材料を得るように少なくともカーボンナノチューブとアライメント材料とを混合させる段階は、アルファオレフィン樹脂、カーボンナノチューブ、ジメチルスチルベン及びトルエンを混合させる手順であって、前記の混合された材料は、アルファオレフィン樹脂を重量で約１５％と、カーボンナノチューブを重量で約１５％と、ジメチルスチルベンを重量で約２０％と、トルエンを重量で約５０％とを有する、手順を有し；
    並びに
    混合された材料を得るように少なくともカーボンナノチューブとアライメント材料とを混合させる段階は、前記の層形成された混合された材料に約０．３Ｔの磁場を印加する手順を有する；
    ことを特徴とする方法。
  18. 熱源；
    該熱源から熱を受けるための受熱部；及び
    前記熱源から前記受熱部に熱を伝達するためのナノコンポジットサーマルインターフェース材料であって、
    アライメントされたカーボンナノチューブと、
    前記カーボンナノチューブをアライメントするために、アライメント可能構造がアライメントされるときにアライメント可能構造を有するアライメント材料と、
    を有する、ナノコンポジットサーマルインターフェース材料；
    を有することを特徴とする装置。
  19. 請求項１８に記載の装置であって、前記アライメント可能構造は小板、タクトイド及びタクトイドの凝集を有し、前記ナノコンポジットサーマルインターフェース材料はポリマーマトリクス材料を更に有する、ことを特徴とする装置。
  20. 請求項１８に記載の装置であって、前記アライメント材料は液晶樹脂を有する、ことを特徴とする装置。
  21. 請求項１８に記載の装置であって、前記熱源はマイクロプロセッサダイを有し、前記受熱部は集積されたヒートシンクを有する、ことを特徴とする装置。
  22. 請求項２１に記載の装置であって：
    熱除去部；並びに
    前記集積されたヒートシンクから前記熱除去部に熱を伝達するための第２ナノコンポジットサーマルインターフェース材料であって、
    アライメントされたカーボンナノチューブと、
    前記カーボンナノチューブをアライメントするために、アライメント可能構造がアライメントされるときにアライメント可能構造を有するアライメント材料と、
    を有する、第２ナノコンポジットサーマルインターフェース材料；
    を有することを特徴とする装置。
  23. 請求項１８に記載の装置であって、前記熱源は集積されたヒートシンクを有し、前記受熱部は熱除去部を有する、ことを特徴とする装置。
  24. 請求項２３に記載の装置であって、前記受熱部はヒートシンク、蒸気チャンバ又はヒートパイプの少なくとも１つ有する、ことを特徴とする装置。
  25. 請求項１８に記載の装置であって、前記熱源はマイクロプロセッサダイを有し、前記受熱部は熱除去部を有する、ことを特徴とする装置。
  26. 請求項２５に記載の装置であって、前記熱除去部はヒートシンク、蒸気チャンバ又はヒートパイプの少なくとも１つ有する、ことを特徴とする装置。
  27. 請求項１８に記載の装置であって、前記熱源は集積回路を有する、ことを特徴とする装置。
  28. アライメントされたカーボンナノチューブ；及び
    前記カーボンナノチューブをアライメントするために、アライメント可能構造がアライメントされるときにアライメント可能構造を有するアライメント材料；
    を有することを特徴とするサーマルインターフェース材料。
  29. 請求項２８に記載のサーマルインターフェース材料であって、前記ナノコンポジットサーマルインターフェース材料はカーボンナノチューブを重量で５％以上含む、ことを特徴とするサーマルインターフェース材料。
  30. 請求項２９に記載のサーマルインターフェース材料であって、前記ナノコンポジットサーマルインターフェース材料はカーボンナノチューブを重量で約２５％以下含む、ことを特徴とするサーマルインターフェース材料。
  31. 請求項２８に記載のサーマルインターフェース材料であって、前記カーボンナノチューブは約１０ｎｍ以上の平均の長さを有する、ことを特徴とするサーマルインターフェース材料。
  32. 請求項２８に記載のサーマルインターフェース材料であって、前記カーボンナノチューブは約１００ｎｍ以上の平均の長さを有する、ことを特徴とするサーマルインターフェース材料。
  33. 請求項２８に記載のサーマルインターフェース材料であって、前記アライメント材料はアライメント可能小板構造を有するクレイ材料を有し、前記サーマルインターフェース材料はマトリクス材料を更に有する、ことを特徴とするサーマルインターフェース材料。
  34. 請求項３３に記載のサーマルインターフェース材料であって、前記クレイ材料は前記サーマルインターフェース材料を重量で２５％以下有する、ことを特徴とするサーマルインターフェース材料。
  35. 請求項３４に記載のサーマルインターフェース材料であって、前記ナノコンポジットサーマルインターフェース材料を重量で５％以下有する、ことを特徴とするサーマルインターフェース材料。
  36. 請求項２８に記載のサーマルインターフェース材料であって、前記アライメント材料は液晶樹脂材料を有する、ことを特徴とするサーマルインターフェース材料。
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