熱界面材料及其制備方法

專利名稱：熱界面材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種熱界面材料，尤其涉及一種具有碳納米管的熱界面材料及其制備方法。
背景技術：
近年來，隨著半導體器件集成工藝的快速發展，半導體器件的集成化程度越來越高，而器件體積卻變得越來越小，其散熱成為一個越來越重要的問題，其對散熱的要求也越來越高。為了滿足這些需要，各種散熱方式被大量的運用，如利用風扇散熱、水冷輔助散熱和熱管散熱等方式，并取得一定的散熱效果，但由于散熱器與半導體集成器件的接觸界面并不平整，一般相互接觸的只有不到2％面積，沒有理想的接觸界面，從根本上極大地影響了半導體器件向散熱器進行熱傳遞的效果，因此在散熱器與半導體器件的接觸界面間增加一導熱系數較高的熱界面材料來增加界面的接觸程度就顯得十分必要。
傳統的熱界面材料是將一些導熱系數較高的顆粒分散到高分子材料中形成復合材料，如石墨、氮化硼、氧化硅、氧化鋁、銀或其它金屬等。此種材料的導熱性能在很大程度上取決于聚合物載體的性質。其中以油脂、相變材料為載體的復合材料因其使用時為液態而能與熱源表面浸潤故接觸熱阻較小，而以硅膠和橡膠為載體的復合材料的接觸熱阻就比較大。這些材料的一個普遍缺陷是整個材料的導熱系數比較小，典型值在1W/mK，這已經越來越不能適應半導體集成化程度的提高對散熱的需求，而增加聚合物載體中導熱顆粒的含量使顆粒與顆粒盡量相互接觸可以增加整個復合材料的導熱系數，如某些特殊的界面材料因此可達到4-8W/mK，但當聚合物載體中導熱顆粒的含量增加到一定程度時，會使聚合物失去所需的性能，如油脂會變硬，從而浸潤效果會變差，橡膠也會變硬，從而失去柔韌性，這都會使熱界面材料性能大大降低。
為改善熱界面材料的性能，提高其導熱系數，納米碳球、鉆石粉末以及碳納米管等具有優良導熱性能的材料被用作導熱填充材料。Savas Berber等人于2000年在美國物理學會上發表的一篇名為“Unusually High ThermalConductivity of Carbon Nanotubes”的文章指出“Z”形(10，10)碳納米管在室溫下導熱系數可達6600W/mK，具體內容可參閱文獻Phys.Rev.Lett，vol.84，p.4613。研究如何將碳納米管用于熱界面材料并充分發揮其優良的導熱性成為提高熱界面材料性能的一個重要方向。
現有技術中有一種利用碳納米管導熱特性的熱界面材料，將碳納米管摻到基體材料中結成一體，然后通過模壓方式制成熱界面材料，該熱界面材料的兩導熱表面的面積不相等，其中與散熱器接觸的導熱表面的面積大于與熱源接觸的導熱表面的面積，這樣可有利于散熱器散熱。但是，該方法制成的熱界面材料，碳納米管雜亂無序的排列在基體材料中，其在基體材料中分布的均勻性較難得到保證，因而熱傳導的均勻性也受到影響，而且沒有充分利用碳納米管縱向導熱的優勢，影響了熱界面材料的導熱性能。
以及一種制備陣列碳納米管熱界面結構的方法，將平板電容浸入包含無序分布碳納米管的熱塑性聚合物漿料中，調節電容平板間距并取出；通過給平板電容加電壓形成電場，使所述平板電容的碳納米管在熱塑性聚合物漿料中定向排列；將所述漿料固化后取出即成為熱界面結構。
雖然，上述現有技術中所提供的熱界面材料導熱性能有較大提升，但是與預期效果仍有一定差距。究其原因，上述熱界面材料中的碳納米管很可能只有一小部分的尖端從高分子材料中露出，甚至完全被高分子材料包裹起來。因此，碳納米管形成的導熱通路與熱接觸面之間隔有一層熱阻相對較大的高分子材料，從而導致整個熱界面材料的熱阻增加，導熱性能不理想。另外，由于熱界面材料中的碳納米管含量較小，其與金屬直接接觸仍不能充分導熱，所述熱界面材料的接觸熱阻仍不理想。
有鑒于此，提供一種熱阻小，導熱性能優異的熱界面材料及其制備方法實為必要。

發明內容以下，將以實施例說明一種熱界面材料。
以及通過實施例說明一種熱界面材料制備方法。
為實現上述內容，提供一種熱界面材料，其包括多個碳納米管；填充于所述多個碳納米管之間的聚合物材料；以及至少一個與所述多個碳納米管末端相連的熱流收集極(Heat Current Collector)。
優選，所述多個碳納米管為一碳納米管陣列。
所述聚合物材料包括硅膠系列、聚乙烯乙二醇、聚酯、環氧樹脂系列、缺氧膠系列或壓克力膠系列。
所述熱流收集極的材料包括鋁、銅、金或銀等導熱性良好的金屬。
優選，所述多個碳納米管垂直于所述熱流收集極。
所述熱流收集極為一金屬膜。
所述金屬膜的厚度范圍為1微米～10微米。
以及，提供一種熱界面材料的制備方法，其包括下述步驟提供多個碳納米管；形成至少一熱流收集極與所述多個碳納米管的末端相連；用聚合物材料填充所述多個碳納米管之間的間隙，形成熱界面材料。
所述多個碳納米管的形成方法包括化學氣相沉積法、等離子輔助化學氣相沉積法、等離子輔助熱絲化學氣相沉積法或印刷法。
優選，所述多個碳納米管為一碳納米管陣列。
優選，所述多個碳納米管垂直于所述熱流收集極。
所述熱流收集極為一金屬膜。
所述金屬膜的形成方法包括電子束蒸鍍、化學鍍或電鍍等方法。
所述金屬膜的厚度范圍為1微米～10微米。
與現有技術相比，本實施例基于碳納米管陣列導熱的熱界面材料制備方法具以下優點其一，利用碳納米管陣列制備的熱界面材料，因碳納米管陣列具有均勻、超順、定向排列的優點，該熱界面材料的每一根碳納米管均在垂直金屬膜方向形成導熱通道，使得碳納米管的縱向導熱特性得到最大限度的利用，因而可得到導熱系數高且導熱一致均勻的熱界面材料；其二，本實施例制備的熱界面材料，通過設置一熱流收集極減小所述碳納米管與散熱器或發熱元件表面之間的接觸熱阻，有利于更好的發揮碳納米管的導熱特性。

圖1是本技術方案實施例中生長碳納米管陣列的示意圖。
圖2是圖1中碳納米管陣列一端形成熱流收集極的示意圖。
圖3是圖2中碳納米管陣列去除基底后的示意圖。
圖4是圖3中碳納米管陣列注入聚合物材料形成熱界面材料的示意圖。
圖5是本技術方案另一實施例中碳納米管陣列兩端均形成熱流收集極的示意圖。
圖6是圖5中碳納米管陣列注入聚合物材料形成熱界面材料的示意圖。
圖7是本技術方案熱界面材料的制備流程示意圖。
圖8是本技術方案實施例中熱界面材料的熱阻-厚度曲線圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本技術方案作進一步的詳細說明。
請參閱圖4，本實施例提供一種熱界面材料10，其包括一碳納米管陣列12，填充于所述碳納米管陣列12之間的聚合物材料15；以及一與所述碳納米管陣列12末端相連的熱流收集極13。請參閱圖5，在另一施實例中，熱界面材料10′包括兩個熱流收集極13分別與所述碳納米管陣列12的兩末端相連。
優選，所述碳納米管陣列12垂直于所述熱流收集極13。
所述熱流收集極13的材料包括鋁、銅、金或銀等導熱性良好的金屬。
所述熱流收集極13為一金屬膜，本施實例中所述金屬膜13為鋁膜。
所述金屬膜的厚度范圍為1微米～10微米。
所述聚合物材料15包括硅膠系列、聚乙烯乙二醇、聚酯、環氧樹脂系列、缺氧膠系列或壓克力膠系列，本施實例中所述聚合物材料15采用聚二甲基硅氧烷(PDMS，Polydimethylsiloxane)。
請參閱圖7，本技術方案提供一種熱界面材料的制備方法，其包括下述步驟步驟(a)，提供一碳納米管陣列12；步驟(b)，形成至少一熱流收集極13與所述碳納米管陣列12末端相連；步驟(c)，用聚合物材料15填充所述碳納米管陣列12的間隙，形成熱界面材料10。
請一并參閱圖1至圖4，本技術方案結合實施例對各步驟進行詳細說明。
步驟(a)，提供一碳納米管陣列12。本實施例中提供一基底11，并于所述基底11上形成一碳納米管陣列12。所述基底11材料包括玻璃、硅、金屬及其氧化物。所述碳納米管陣列12的形成方法包括化學氣相沉積法、等離子輔助化學氣相沉積法、等離子輔助熱絲化學氣相沉積法或印刷法。本實施例中采用化學氣相沉積法，首先在基底11上形成催化劑，然后在高溫下通入碳源氣以形成碳納米管陣列12。所述催化劑包括鐵、鎳、鈷、鈀等過渡金屬。所述碳源氣包括甲烷、乙烯、丙烯、乙炔、甲醇及乙醇等。具體方法為以硅為基底11，在硅基底11上覆蓋一層5nm厚的鐵膜(圖未示)，并在空氣中300℃條件下進行退火；然后在化學氣相沉積腔體(Chemical VaporDeposition Chamber)中700℃條件下以乙烯為碳源氣生長碳納米管陣列12。所述碳納米管陣列12直立在所述硅基底11上。
步驟(b)，形成至少一熱流收集極13與所述碳納米管陣列12末端相連。通過至少一熱流收集極13將所述碳納米管陣列12中碳納米管的末端覆蓋起來。所述熱流收集極13為一金屬膜，其材料包括鋁、銅、金或銀等導熱性能優良的金屬。所述金屬膜的厚度范圍為1微米～10微米。所述金屬膜的形成方法包括包括電子束蒸鍍、化學鍍或電鍍等方法。本施實例中所述熱流收集極13為通過電子束蒸鍍法在所述碳納米管陣列12末端蒸鍍的一層1微米厚的鋁膜。這種厚度下，蒸鍍的鋁可把所述碳納米管陣列12的末端完全覆蓋起來，并形成緊密連接的金屬膜。然后，將所述蒸鍍后的碳納米管陣列12在250℃、氬氣保護的氣氛下進行退火，從而形成一端覆蓋鋁膜的碳納米管陣列12。請參閱圖5，在另一施實例中，可去除所述硅基底11，然后在所述碳納米管陣列12兩端各蒸鍍一層金屬膜作為兩個熱流收集極13，之后再進行退火處理，以形成兩端各覆蓋一熱流收集極13的碳納米管陣列12。
步驟(c)，用聚合物材料15填充所述碳納米管陣列12的間隙，形成一熱界面材料10。將步驟(b)所提供的末端形成熱流收集極13的碳納米管陣列12浸入聚合物材料15的溶液或熔融液中，使所述聚合物材料15填充所述碳納米管陣列12的間隙，然后取出所述碳納米管陣列12，將所述碳納米管陣列15的間隙中填充的聚合物材料15固化或凝固。所述聚合物材料15包括硅膠系列、聚乙烯乙二醇、聚酯、環氧樹脂系列、缺氧膠系列或壓克力膠系列。本施實例中所述聚合物材料15采用聚二甲基硅氧烷。具體方法為將所述一端覆蓋鋁膜的碳納米管陣列12浸入熔融態聚二甲基硅氧烷中，取出后在室溫下冷卻固化所述碳納米管陣列12的間隙中填充的聚二甲基硅氧烷，揭去所述碳納米管陣列12下端的基底11，即形成熱界面材料10。請參閱圖6，在另一施實例中，將所述兩端各覆蓋一熱流收集極13的碳納米管陣列12浸入聚合物材料15的溶液或熔融液中，使所述聚合物材料15填充所述碳納米管陣列12的間隙，然后取出所述碳納米管陣列12并冷卻，使填充的聚合物材料15固化或凝固，從而形成碳納米管陣列12兩末端分別與兩熱流收集極13相連的熱界面材料10′。
采用ASTM-D5470(ASTM，美國材料與試驗協會標準；D5470為標準號)方法測量沒有蒸鍍熱流收集極的熱界面材料及本技術方案提供的蒸鍍了熱流收集極的熱界面材料。在測量過程中，對不同厚度樣品的熱阻進行測量，并通過熱阻-厚度曲線擬和出實驗結果。請參見圖8，圖中三角形代表沒有蒸鍍熱流收集極的熱界面材料樣品，圓形代表蒸鍍了熱流收集極的熱界面材料樣品。擬和結果為一條直線，可通過如下公式表示Rint＝Rcont+d/k，其中，Rint代表總熱阻；Rcont代表接觸熱阻；k代表導熱率；d代表整個熱界面材料的厚度。
從圖8中可以看到兩種樣品的熱導率(1/斜率)基本一樣，在蒸鍍了熱收集極后，接觸熱阻(截距)減小了將近一半，即從1.52cm2K/W下降到0.83cm2K/W。也就是說，引入熱流收集極后的熱界面材料的接觸熱阻明顯減小，并保持導熱率不變。究其原因，由于碳納米管在陣列末端是糾纏的，從而使部分碳納米管被包埋在陣列內部，無法與外部接觸。而當熱流收集極完全覆蓋所述碳納米管陣列末端后，該部分的碳納米管也由此與外部接觸，從而增加了有效接觸面積，減小熱界面材料的接觸熱阻，并保持導熱率不變。
本技術方案提供基于碳納米管陣列導熱的熱界面材料具以下優點其一，利用碳納米管陣列制備的熱界面材料，因碳納米管陣列具有均勻、超順、定向排列的優點，該熱界面材料的每一根碳納米管均在垂直熱界面材料方向形成導熱通道，使得碳納米管的縱向導熱特性得到最大限度的利用，因而可得到導熱系數高且導熱一致均勻的熱界面材料；其二，利用本技術方案制備的熱界面材料在應用時，該碳納米管陣列的碳納米管末端可通過熱流收集極以降低熱阻減小所述碳納米管與散熱器或發熱元件表面之間的接觸熱阻，有利于更好的發揮碳納米管的導熱特性。
當然本技術方案利用熱流收集極減小接觸熱阻的方法并不僅限于基于碳納米管陣列導熱的熱界面材料，同樣可用于基于碳纖維等其他類似復合熱界面材料中。
可以理解的是，對于本領域的普通技術人員來說，可以根據本發明的技術方案和技術構思做出其他各種相應的改變和變形，而所有這些改變和變形都應屬于本發明權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種熱界面材料，其包括多個碳納米管；以及填充于所述多個碳納米管之間的聚合物材料；其特征在于所述熱界面材料還包括至少一個與所述多個碳納米管末端相連的熱流收集極。
2.如權利要求1所述的熱界面材料，其特征在于，所述多個碳納米管為一碳納米管陣列。
3.如權利要求1所述的熱界面材料，其特征在于，所述聚合物材料包括硅膠系列、聚乙烯乙二醇、聚酯、環氧樹脂系列、缺氧膠系列或壓克力膠系列。
4.如權利要求1所述的熱界面材料，其特征在于，所述熱流收集極的材料包括鋁、銅、金或銀。
5.如權利要求1所述的熱界面材料，其特征在于，所述熱流收集極為一金屬膜。
6.如權利要求5所述的熱界面材料，其特征在于，所述金屬膜的厚度范圍為1微米～10微米。
7.如權利要求1至6中任意一項所述的熱界面材料，其特征在于，所述多個碳納米管垂直于所述熱流收集極。
8.一種熱界面材料的制備方法，其包括下述步驟提供多個碳納米管；形成至少一熱流收集極與所述多個碳納米管的末端相連；用聚合物材料填充所述多個碳納米管之間的間隙，形成一熱界面材料。
9.如權利要求8所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述多個碳納米管的形成方法包括化學氣相沉積法、等離子輔助化學氣相沉積法、等離子輔助熱絲化學氣相沉積法或印刷法。
10.如權利要求9所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述化學氣相沉積法采用的催化劑包括鐵、鎳、鈷、鈀。
11.如權利要求8所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述多個碳納米管為一碳納米管陣列。
12.如權利要求8所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述熱流收集極為一金屬膜。
13.如權利要求12所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述金屬膜的形成方法包括電子束蒸鍍、化學鍍或電鍍。
14.如權利要求13所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法進一步包括對所述金屬膜進行退火處理。
15.如權利要求12所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述金屬膜的厚度范圍為1微米～10微米。
16.如權利要求8所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述聚合物材料填充方法包括將所述碳納米管陣列浸入所述聚合物材料的溶液或熔融液中。
17.如權利要求8至16中任意一項所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述多個碳納米管垂直于所述熱流收集極。
全文摘要
本發明提供一種熱界面材料，其包括多個碳納米管；填充于所述多個碳納米管之間的聚合物材料；以及至少一個與所述多個碳納米管末端相連的熱流收集極。所述熱流收集極可減小所述碳納米管與散熱器或發熱元件表面之間的接觸熱阻，有利于更好的發揮碳納米管的導熱特性。本發明還提供所述熱界面材料的制備方法。
文檔編號C09K5/00GK1891780SQ20051003575
公開日2007年1月10日 申請日期2005年7月1日 優先權日2005年7月1日
發明者吳揚, 黃華, 劉長洪, 范守善 申請人:清華大學, 鴻富錦精密工業(深圳)有限公司