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TW201615800A - 用於增強界面熱傳導之奈米熱介質 - Google Patents

用於增強界面熱傳導之奈米熱介質 Download PDF

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潔西 堤斯
艾德華 席爾佛
筱琥 彭
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Abstract

揭示熱界面材料(TIM)，其使用高熱傳導奈米粒子，尤其是具有大的寬高比的奈米粒子，用以增強橫越存在於塊狀材料界面中之邊界或界面層的熱傳送。奈米粒子不需要用於流動載體或作為接合黏著劑內的充填材料來增強熱傳送，而是僅以乾燥固態狀態來使用。奈米粒子可以是具有大的寬高比之等軸形狀或針狀，如、奈米柱及奈米線。

Description

用於增強界面熱傳導之奈米熱介質
本發明係相關於用於電子裝置之熱界面材料(TIM)。
有關諸如固態雷射、功率放大器、倒裝晶片設計、及相位陣列天線元件等下一代高性能積體電路(IC)電子裝置，功率位準及密度大幅增加。隨著密度增加，裝置尺寸降低及熱管理瓶頸及熱散逸困難變成性能增加的限制因素。若未有效散逸熱，則由幾平方公分內的數億個電晶體所產生之高位準的熱會產生可靠性的問題。這些可靠性問題包括例如斷裂、分層、熔化、腐蝕、甚至燃燒。
高度需要實質上更有效的熱控制系統來解決這些困難。最初，與高熱產生IC組件直接接觸之熱槽被用於散熱。然而，以顯微鏡位準，甚至標稱為平坦的熱槽及IC表面仍出現粗糙。此意味著具有高熱電阻的表面之間具有空氣隙。已發展諸如油脂及填充有導電粒子的環氧等熱界面材料來解決此問題。最近，已發展碳奈米管陣列 (CNT)作為更有效的TIM。
R&D努力主要聚焦在改良用於製造裝置之TIM的塊狀熱傳導性以及裝置之間的熱管理系統中所使用之熱導體鏈結及熱槽上。儘管已明顯改善材料塊狀傳導性，及利用某些奈米材料使得大於20X銅的理論分析預測傳導性是可行的，但是在降低熱界面或接觸電阻上的努力及成功例子並不多，因此現在變成性能增加的限制因素。
熱界面電阻為兩表面之間的材料之塊體傳導性與各個材料界面中的接觸電阻之串列組合。熱界面電阻支配熱傳導及總熱控制效能。由於匹配表面接觸區域之間的顯微鏡的不平坦被降低，所以熱接觸電阻增加。接觸電阻降低的結果是較低的裝置操作溫度、提高的性能、及可靠性。添加高傳導性奈米粒子到邊界區中之間隙/空隙區可增加它們的熱交換面積，及能夠明顯降低熱接觸電阻。
先前用於降低熱接觸電阻的材料包括：充填的油脂、焊料、及聚合物合成材料。熱油脂規劃不符合先進的熱傳導需求，及容易遭受流動載體的毛細作用及漏洩。由於黏附熱漲特性的錯配所導致之大的熱應力，使得基於焊料及聚合物黏著劑的界面介質容易不黏合。已建議CNT作為具有高熱傳導性及低熱阻抗的物質，然而，它們需要昂貴的製造設施及可能破壞電子組件之高合成溫度。再者，雜質的出現、空隙的存在及CNT的生長條件導致它們作為TIM時的性能不確定性大。被分開製造而後插入電子裝置與其熱槽之間的CNT具有稍微較高的熱界面電阻之不利 點，因為個別CNT未直接裝附至生長表面。
如此，對能夠容易製造且能夠可靠地插入在熱流路徑並且用於冷卻高功率密度的電子裝置中之具有降低的熱接觸電阻之改良的熱界面材料具有需求。
在第一態樣中，本發明涉及高熱傳導奈米粒子的使用，尤其是具有大的寬高比的奈米粒子，用以增強橫越存在於塊狀材料界面中之邊界或界面層的熱傳送。奈米粒子不需要用於流動載體或作為接合黏著劑內的充填材料來增強熱傳送，而是僅以乾燥固態狀態被使用。奈米粒子可以是具有大的寬高比之等軸形狀或針狀，如、奈米柱及奈米線。
在實施例中，本發明為熱界面材料(TIM)，其具有基材，用以在電子裝置中的兩表面之間提供熱轉移；以及複數個高熱傳導奈米粒子，係分佈在基材的表面上。
在另一實施例中，TIM基材為垂直對準碳奈米管陣列。在另一實施例中，奈米粒子為奈米柱或奈米線。在另一實施例中，奈米柱或奈米線的寬高比可以在約5及大於1000之間。
在另一實施例中，奈米粒子為具有約1000的寬高比之銀奈米線；銅奈米線或奈米柱；金奈米線或奈米柱；奈米鑽；由氮化硼所製成的奈米管；或針狀奈米柱或奈米線。
在另一實施例中，揭示用於積體電路(IC)電子裝置中之熱界面材料，TIM包括垂直對準碳奈米管陣列(VACNT)，用以在電子裝置中的兩表面之間提供熱轉移；以及複數個高熱傳導奈米粒子，係分佈在VACNT的表面上，該等奈米粒子具有在約5及大於1000之間的寬高比。
10‧‧‧表面
12‧‧‧表面
14‧‧‧實際接觸區域
16‧‧‧表面
18‧‧‧表面
從說明、申請專利範圍、及附圖將使本發明的例示實施之特徵顯而易見，在附圖中：圖1A描繪IC電子裝置中的兩表面之間的界面。
圖1B描繪習知技術VACNT熱界面。
圖2描繪本發明的熱界面材料(TIM)。
圖3描繪比較幾種TIM之接觸電阻的圖。
圖1A圖解在顯微鏡的標準下的習知技術表面之間的熱交換可使用之實際接觸區域。雖然用肉眼看起來表面10及12似乎是平坦的，但是實際接觸區域14遠遠小於外表看起來的接觸區域，結果導致受限的熱流及高熱電阻。
圖1B描繪具有習知技術熱界面材料(TIM)來提供改良的熱流之表面16及18。TIM為垂直對準碳奈米管陣列(VACNT)。奈米等級的熱傳送介質能夠促進配對的 表面之間延伸的實體/熱接觸超出它們橋接的粗糙性，但是具有上述幾項不利點，諸如昂貴的製造設施、可能破壞電子組件之高合成溫度及雜質的存在等。
本發明的概念涉及熱界面材料，其高熱傳導、奈米大小的介質已沉積在配對部份表面之間的接面或邊界區域中，以便降低其熱接觸電阻。由於其奈米大小尺寸，所以這些介質能夠置放及充填與所有實際材料表面一起存在之毫米至奈米尺寸的空隙內，不管它們的狀態為何、類型表面光滑還是粗糙不平。
高熱傳導奈米粒子，尤其是具有大的寬高比之奈米粒子，係用於增強橫越存在於塊狀材料界面中之邊界或界面層的熱傳送。奈米粒子的寬高比被定義作粒子的最大直線尺寸對其最小尺寸之比例。奈米粒子可具有下至約5：1上至10,000：1及更高的寬高比。在其他形式中，例如奈米粒子可以是等軸的，諸如奈米鑽等。許多字詞被共用於說明各種形狀及大小的奈米粒子，包括奈米柱、奈米管、奈米絲、奈米線及奈米鑽。
根據實施例，奈米粒子不需要用於流動載體或作為接合黏著劑內的充填材料來增強熱傳送，而是僅以乾燥固態狀態分佈在邊界區域中。奈米粒子介質可與具有微米或更大的粗糙或不平坦特徵之塊狀材料一起使用，以及與諸如VACNT陣列等低密度的基於奈米的熱界面材料一起使用，以實質上降低熱接觸電阻。連同高傳導VACNT陣列一起使用，它們提供具有穩定熱傳送特性之順從界面。圖 2描繪銀奈米線(AgNW)已沉積在VACNT上之本發明的較佳實施例。圖2所示之AgNW的1000：1寬高比圖解這些界面介質的空間跨距及共面特性。
在其他實施例中，奈米粒子可以是具有更適度的寬高比之等軸或針狀形狀。高熱傳導粒子可為電絕緣的，如、奈米鑽、奈米氮化硼粒子等，或導電且由銀、銅、或金奈米線/柱(NW、NR)所組成的。具有5至10,000的寬高比之針狀NW尤其有效。它們在界面區中呈現平坦狀態，容易橫跨大間隙/溝槽且包容且有高粗糙特徵的匹配表面。
圖3圖示利用NW界面介質可達成之接觸電阻的降低之性能及規模。以(m2K)/W為單位驗明及比較幾種可選擇的熱界面介質及其接觸電阻。這些包括黏熱油脂，例如以30圖示之Arctic Silver 5®及以32圖示之Shin-Etsu MicroSi G751®，與充填環氧黏著劑，諸如以34圖示之Ablebond 965或以36圖示之Diemat SK70等。圖3亦圖示以38表示之聚氨酯(PU)VACNT陣列(矽基底)及以40表示之PU VACNT(石英基底)之可達成的接觸電阻。
最後，圖3的42描繪根據本發明的較佳實施例之TIM，具有AgNW的PU VACNT。如所示，此TIM以100X的係數降低接觸電阻。AgNW界面介質亦被觀察到符合及贏得DARPA有雄心的奈米技術界面(NTI)計畫的1mm2K/W目標。
此處所說明之步驟或操作僅為例子。在不違背本發明的精神之下，這些步驟或操作可具有許多變化。例如，可以不同順序來執行步驟，或者可添加、刪減、或修改步驟。
雖然此處已詳細描繪及說明本發明的例示實施，但是精於本技藝之人士應明白，在不違背本發明的精神之下，可進行各種修改、添加、取代等等，因此這些被視作在下面申請專利範圍所定義之本發明的範疇內。
10‧‧‧表面
12‧‧‧表面
14‧‧‧實際接觸區域

Claims (16)

  1. 一種熱界面材料(TIM)，包含：基材，用以在電子裝置中的兩表面之間提供熱轉移；以及複數個高熱傳導奈米粒子，係分佈在該基材的該表面上。
  2. 根據申請專利範圍第1項之TIM，其中，該基材包含垂直對準碳奈米管陣列。
  3. 根據申請專利範圍第1項之TIM，其中，該等奈米粒子包含奈米柱或奈米線。
  4. 根據申請專利範圍第1項之TIM，其中，該等奈米粒子包含具有寬高比在約5及大於1000之間的奈米柱或奈米線。
  5. 根據申請專利範圍第4項之TIM，其中，該等奈米粒子另包含具有約1000的寬高比之銀奈米線。
  6. 根據申請專利範圍第4項之TIM，其中，該等奈米粒子另包含銅奈米線或奈米柱。
  7. 根據申請專利範圍第4項之TIM，其中，該等奈米粒子另包含金奈米線或奈米柱。
  8. 根據申請專利範圍第4項之TIM，其中，該等奈米粒子另包含奈米鑽。
  9. 根據申請專利範圍第4項之TIM，其中，該等奈米粒子另包含由氮化硼所製成的奈米管。
  10. 根據申請專利範圍第1項之TIM，其中，該等奈 米粒子另包含針狀奈米柱或奈米線。
  11. 一種熱界面材料(TIM)，係用於積體電路(IC)電子裝置，包含：垂直對準碳奈米管陣列(VACNT)，用以在該電子裝置中的兩表面之間提供熱轉移；以及複數個高熱傳導奈米粒子，係分佈在該VACNT的該表面上，該等奈米粒子具有在約5及大於1000之間的寬高比。
  12. 根據申請專利範圍第4項之TIM，其中，該等奈米粒子另包含具有約1000的寬高比之銀奈米線。
  13. 根據申請專利範圍第4項之TIM，其中，該等奈米粒子另包含銅奈米線或奈米柱。
  14. 根據申請專利範圍第4項之TIM，其中，該等奈米粒子另包含金奈米線或奈米柱。
  15. 根據申請專利範圍第4項之TIM，其中，該等奈米粒子另包含奈米鑽。
  16. 根據申請專利範圍第4項之TIM，其中，該等奈米粒子另包含由氮化硼所製成的奈米管。
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