TWI246879B - Thermal interface material and method for making same - Google Patents

Description

1246879 案號 93110604

五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域^ 本發明係關於一種熱介面材料及其製造方法’尤指〜 種利用奈米碳管導熱之熱介面材料及其製造方法。 【先前技術】 近年來，隨著半導體器件集成工藝之快速發展，半導 體器件之集成化程度越來越高。惟，器件體積變得越來越 小，其對散熱之需求越來越高，已成為一個越來越重要之 問通。為滿足該需要，風扇散熱、水冷輔助政熱及熱管敢 熱等各種散熱方式被廣泛運用，旅取得一定散熱效果，但 因散熱器與半導體集成器件之接觸介面不平整，一般相互 接觸面積不到2%，未有一個理想之接觸介面，從根本上影 響半導體器件向散熱器傳遞熱量之效果，故，於散熱器與 半導體器件之間增加一具較高熱傳遞係數之介面材料以增 加介面之接觸程度實為必要。… 曰 傳統熱介面材料係將導熱係數較高之顆粒分散 基體以形成複合材料，如石墨、氮化硼、氧化石夕、氧：膠 S之Ξΐ其ΪΪ屬丄:此f材料之導熱性能取決於銀膠基 使用時為液態相變材料為基體之複合材料因其 ^ ^ it m & ^...... /原表面浸潤，故接觸熱阻較小，& 分修興橡膠為載體之複 平乂】、，而 料一普遍缺陷係整個材埶^阻相對較大。該類材 1仏κ，這已經越來越材不匕熱声係丰數較小，典型值為 對散熱之需求，而增加銀 ^導體集成化程度之提高 與顆粒之間儘量相互接觸以二熱顆粒含量使得顆粒 數，如某些特殊之介面材# : "個歿合材料之導埶係 一 材科因此可達到4，/mK，惟、，係銀 1246879 案號 93110604 94. 23 年月曰 修正 五、發明說明（2) 膠基體之導熱顆粒含量增加至一定程度時，會使銀膠基體 失去原本之性能，如油脂會變硬，從而浸潤效果變差，橡 膠亦會變得較硬，從而失去應有之柔韌性，這都將使熱介 面材料性能大大降低。 近來有一種熱介面材料，係將定向排列之導熱係數約 為1100 W/mK之碳纖維一端或整體用聚合物固定，從而於 熱介面材料之垂直方向形成定向排列之碳纖維陣列，以使 每一碳纖維均可形成一導熱通道，該方式可有效提高熱介 面材料之導熱係數，達到5 0 -90 W/mK。、惟，該類材料一個 缺點係厚度必須大於4 〇微米，而整個熱介面材料之導熱係 數與薄膜之厚度成反比，故當其熱阻降低至一定程度，進 一步降低之空間相當有限。 為改善熱介面材料之性能，提高其熱傳導係數，各種 材料被廣泛試驗。Savas Berber等人於2 000年於美國物 理學會上發表一篇名為"Unusually High Thermal Conductivity of Carbon Nano tubes ” 之文章指出，’’ Z’f 形 10)奈米碳管於室溫下導熱係數可達6 6 〇〇 W/mK，具

體内容可參閱文獻 Phys· Rev. Lett( 20 0 0 )，Vol· 84，P 接觸

第8頁 4613。研究如何將奈米碳管用於熱介面材料並充分發揮其 優良之導熱性成為提高熱介面材料性能之一個重要方向了 美國專利第6, 407, 9 22號揭示一種利用奈米碳管導熱 之熱介面材料，其係將奈米碳管摻到銀膠基體結成_體、、、， 通過〉主模方式製得熱介面材料。該熱介面材料之兩導熱表 2 =面積不等，其中與散熱器接觸一面之面積大於與ί二 面之面積，這樣可有利於散熱器散熱。惟，該方、、= 1246879 案號 五、發明說明（3) 製得之熱介面 面材料厚度較 熱介面材料體 不相適應，且 於基體材料中 保’因而熱傳 之優勢未充分 有鑒於此 小，柔拿刃性好 【内容】 為解決先 厚度薄、導熱 之熱介面材料 本發明之 法。 為實現本 其包括一高分 中；該熱介面 第二表面，該 分佈且沿熱介 出兩表面形成 為實現本 料之製造方法 將奈米碳管陣 系轉化為固相 ^U〇6〇£ 材料有 大，雖 積之增 該熱介 未有序 導之均 利用， ’提供 ’導熱 前技術 係數大 不足 該熱 加， 面材 排列 勻性 影響 一種 均勻 之問 ，接 之處， 介面材 與器件 料缺乏 ’其於 亦受到 熱介面 厚度薄 之熱介 題，本 觸熱阻 曰 另一目的係提供此 發明之 子材料 材料形 奈米碳 面材料 兩彎曲 發明之 ，其包 列浸潤 ，生成 目的，本發 及複數奈米 成有一第一 管兩端開口 的第一表面 Γ!，主模方式製得埶介 枓之導埶係奴± 向小型化方Ϊ ，但該 柔韌性；复發展之趨勢 美辦八# 一 —，奈米碳管 $塑刀a之岣勻性較難確 来雙管縱向導熱 材ΐ之熱傳導係數。面材料實t:要接觸熱阻 f明之目的於於提供一種 、，柔韌性好，導熱均勻種熱介面材料之製造方 ^提供一種熱介面材料， 兔管分佈於該高分子材料 表面及相對於第一表面之 ’於該高分子材料中均勻 向第二表面延伸並分別伸 另一 括以 於液 分佈 本發明提供一種熱介面材 下步驟·挺乂 叔供一奈米碳管陣列； ^二子體系；使液相高分子體 —1^5之高分子複合材料；

第9頁 1246879 於·y p _案號 93110604_年月日_ί±ί-_ 五、發明說明（4) 於奈米碳管陣列預定高度，並沿垂直奈米碳管陣列之轴向 方向切割該高分子複合材料，去除奈米碳管陣列頂端之高 分子材料並使得奈米碳管尖端開口；按照預定厚度切割上 述高分子複合材料，形成熱介面材料。

與習知技術之熱介面材料相較，本發明基於奈米碳管 陣列導熱之熱介面材料具以下優點：其一，本發明製得之 熱介面材料，因奈米碳管陣列具有均勻、超順、定向排列 之優點，該熱介面材料之每一根奈米碳管均於垂直熱介面 材料方向形成導熱通道，使得奈米碳管.之縱向導熱特性得 到最大限度之利用，因而可得到導熱係數高且導熱一致均 勻之熱介面材料；其二，利用本方法製得之熱介面材料， 不受奈米碳管陣列之生長高度之限，可通過切割之方法製 得厚度極薄之熱介面材料，一方面可提高熱介面材料之導 熱效果，另一方面，亦可增加熱介面材料之柔韋刃性，並降 低熱介面材料之體積及重量，有利於電子器件向小型化方 向發展之需要；其三，本發明分佈於熱介面材料中之奈米 碳管皆兩端開口，且貫穿整個熱介面材料並露出兩末端， 該兩末端形成有彎曲基本平行於熱介面材料之表面，於應 用時，該奈米碳管末端之彎曲部分能增大熱介面材料與熱 源或散熱裝置之直接接觸面積，有利於更好發揮奈米碳管 之導熱特性。 【實施方式】 下面將結合附圖及具體實施例對本發明進行詳細說 明。 請參閱第一圖及第二圖，首先於一基底11上均勻形成

第10頁 案號 93110604 1246879 月 修正 曰 五、發明說明（5) 一層催化劑薄膜1 2，該催化劑薄膜丨2之形成方法可選自熱 沈積、電子束沈積或濺射法。基底丨丨之材料可用破璃、石 英、矽或氧化鋁。本實施例採用多孔矽，其表面有一層多 孔層，孔之直徑極小，一般小於3奈米。催化劑薄膜丨2之 材料選用鐵’也可選用其他材料，如氮化鎵、鈷、鎳及i 合金材料等。 〃 氧化催化劑薄膜1 2，形成催化劑顆粒（圖未示），再將 分佈有催化劑顆粒之基底11放入反應爐中（圖未示），於 700〜1000攝氏度下，通入碳源氣，生長出奈米碳管陣列， 其中碳源氣可為乙炔、乙烯等氣體，奈米碳管陣列之高度 可通過控制生長時間來控制。有關奈米碳管陣列2 2生長之 方法已較為成熟，具體可參閱文獻Science, 1 9 99，νο1· 283，ρ· 512-414 與文獻：LAm.Chem.soc，2〇〇1，ν〇ι· 123，ρ· 1 1 5 02- 1 1 503，此外美國專利第6,350,488號也公 開了一種生長大面積奈米碳管陣列之方法。 請參閱第三圖，將熔融態高分子32裝進一容器30中， 將已生長好之定向排列之奈米碳管陣列2 2連同基底丨丨一起 次到該熔融態高分子3 2中，直至熔融態高分子3 2完全浸潤 奈米碳管陣列2 2，熔融態高分子3 2完全浸潤之時間同奈米 碳管陣列22的高度、密度以及整個奈米碳管陣列22之面積 相關。為使熔融態高分子3 2能完全浸潤奈米碳管陣列2 2， 該溶融態高分子32之粘度在20OcPs以下。本發明熔融態高 分子32還可用高分子溶液或聚合物單體溶液替代，本實施 例採用之溶融態高分子3 2為溶融態石壤材料。 請參閱第四圖與第五圖，將被熔融態高分子32完全浸

1246879 94)2¾ -----案號 93110604 年月曰________ 五、發明說明（β) 潤之奈米碳管陣列2 2連同基底11 一起從容器3 0中取出，冷 卻使該熔融態高分子3 2固化，形成高分子材料3 4。然後於 奈米碳管陣列2 2預定高度，用切片機（圖未示）將該高分子 材料3 4沿垂直於奈米碳管陣列2 2之軸向方向進行切割，形 成熱介面材料40，其中，於切割前還可進一步將固化後之 高分子材料3 4從基底11上揭下再進行切割，形成熱介面材 料40。 本發明之熱介面材料40之製造方法中也可以先冷卻固 化該溶融態高分子32，再將固化後之高·.分子材料34連同基 底11 一起從容器30中取出，然後直接用切片機於奈米碳^ 陣列22之軸向方向切割該高分子材料34形成熱介面材 40 〇 割高分子材料34形 據奈米碳管陣列2 2 高分子材料34沿垂 ’除去奈米碳管陣 奈米碳管之尖端開 沿同一方向進行切 "面材料4 0中之奈 材料40並露出兩末 該彎曲部分基本平 該奈米碳管末端24 熱裝置之接觸不良 奈米碳管優良之導 為1〜1000微米，本 之生長 直於奈 列22上 口；然 割，即 米碳管 端2 4， 行於熱 之彎曲 ’增大 熱性能 高度將分 米碳管陣 方多餘之 後按照熱 得到所需 兩端開 該兩末端 介面材料 部分能避 直接接觸 。本發明 實施例熱介面材

第12頁 本發明用切片機切 之具體方法為：首先根 佈有奈米碳管陣列2 2之 列2 2軸向方向進行切割 高分子材料34，同時使 介面材料40之所需厚度 之熱介面材料40，該熱 口，且貫穿整個熱介面 24分別形成有一彎曲， 40之表面。於應用時， 免奈米碳管與熱源或散 面積，從而更好地發揮 熱介面材料40之厚度可 1246879 ___案號93110604___年月日 佟正· .· 五、發明說明（7) 料4 0之厚度為2 0微米。通過控制切片機進行切割的位置， 熱介面材料4 0之厚度可根據需求由切片時直接控制，方法 簡單’且容易控制。另，根據切片機切割方向之不同，奈 米碳管末端2 4可形成有不同方向之彎曲，然大部分都將基 本平行於熱介面材料40之表面。 本發明之熱介面材料4 〇，奈米碳管陣列2 2經高分子材 料34固結形成一體，使得奈米碳管陣列22於高分子材料34 中具有分佈均勻、垂直排列之特點，於垂直薄膜方向形成 導熱通道，所形成之熱介面材料4〇具有、.導熱係數高、導熱 均勻之特點。 利用本方法製得之熱介面材料4〇中，分布於熱介面材 料4 0中之奈米碳管陣列2 2之形態基本不變，即奈米碳管陣 列2 2之中奈米碳管之間距未變，且奈米碳管陣列2 2沒有聚 集成束，保持原有定向排列之狀態，並且此熱介面材料4〇 具有良好柔韌性。 丄於奈米碳管之兩末端24均延伸出熱介面材料4〇 彎曲平行於熱介面材料40之表面，其在應用時 二也發揮二；源或散熱裝置之接觸面積，更 手不水石反官之優良導熱性能。 製；之奈米碳管陣列熱介面材 _)、功率\之曰¥體熱性可廣泛應用於包括中央處理器 ^ ^ t Λ；80 / Λ ^ ^/，J aBa ^ (VGA) ^ ^ 熱器60之間，*提# :二面材料40置於電子器件80與散 接觸，熱介面材料4〇之第# ί ”.、 間—優良熱 I·· --之第—表面42與電子器件80之表面

第13頁 1246879 ___93110604 年月曰 修正 五、發明說明（8) (未標示）接觸，與第一表面42相對應之熱介面材料4〇之第 二表面44與散熱器60之底面（未標示）接觸。由於本發明製 得之奈米碳管陣列熱介面材料4 〇可將其厚度控制於微米 級’具有較好之柔韌性，因而，即使於電子器件之表面參 差不齊之情況下，本發明之熱介面材料也能提供電子器件 80與散熱器60之間一良好之熱接觸。另，由於本發明熱介 面材料4 0中之奈米碳管皆兩端開口，且沿熱介面材料之第 一表面42向第二表面44延伸並分別伸出該兩表面42，44形 成兩彎曲基本平行於熱介面材料4〇之策一表面42和第二表

面44。因而，能更好得保證奈米碳管與電子器件8〇及散熱 器6 0之直接接觸，使得奈米碳管之縱向導熱特性得到最大 限度之利用，熱介面材料4〇具有導熱係數高且導熱一致均 勻之特點。 絲上所述，本發明符合發明專利之要件，爰依法提出 專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，舉 凡熟悉本案技藝之人士，於援依本案發明精 等效 修飾或變化，皆應包含於以下之申請專利範圍内。

1246879 _案號93110604_年月日__ 圖式簡單說明 【圖式簡單說明】 第一圖係本發明中形成有催化劑薄膜之基底之示意 圖。 第二圖係第一圖所示基底上生長有定向排列之奈米碳 管陣列之示意圖。 第三圖係第二圖所示之奈米碳管陣列連同基底於熔融 態高分子中浸泡之示意圖。 第四圖係本發明中浸有熔融態高分子之奈米碳管陣列 之固化之示意圖。 、-.

第五圖係本發明中含奈米碳管陣列之熱介面材料示意 圖。 第六圖係本發明熱介面材料之應用示意圖。 【主要元件符號說明】

基底 11 催化劑層 12 奈米碳管陣列 22 末端 24 容器 30 熔融態高分子 32 高分子材料 34 熱介面材料 40 第一表面 42 第二表面 44 散熱器 60 電子器件 80

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Claims (1)

1246879 _案號 93110604_年月日__ 六、申請專利範圍 1. 一種熱介面材料，其包括： 一南分子材料，及 複數奈米碳管分佈於該高分子材料中；其中 該熱介面材料形成有一第一表面及相對於第一表面 之第二表面，該奈米碳管兩端開口，於該高分子材料 中均勻分佈且沿熱介面材料的第一表面向第二表面延 伸並分別伸出兩表面形成兩彎曲。

2. 如申請專利範圍第1項所述之熱介面材料，其中該複數 奈米碳管基本相互平行且垂直於熱介面材料之第一表 面與第二表面。 3. 如申請專利範圍第1項所述之熱介面材料，其中該複數 奈米碳管係形成一奈米碳管陣列。 4. 如申請專利範圍第1項所述之熱介面材料，其中該熱介 面材料之第一表面與一熱源相接觸，該第二表面與一 散熱器相接觸。 5. 如申請專利範圍第4項所述之熱介面材料，其中該熱介 面材料之第一表面與第二表面相互平行。

6. 如申請專利範圍第1項所述之熱介面材料，其中該熱介 面材料之厚度為1〜1〇〇〇微米。 7. 如申請專利範圍第1項所述之熱介面材料，其中該高分 子材料為石堪。 8. —種熱介面材料之製造方法，其包括以下步驟： 提供一奈米碳管陣列； 將奈米碳管陣列浸潤於液相高分子體系；

第16頁 1246879 _案號93110604_年月日_||i_ 六、申請專利範圍 使液相高分子體系轉化為固相，生成分佈有奈米碳 管之高分子複合材料； 於奈米碳管陣列預定高度，並沿垂直於奈米碳管陣 列軸向方向切割該高分子複合材料，去除奈米碳管陣 列頂端之高分子材料並使得奈米碳管尖端開口； 按照預定厚度切割上述高分子複合材料，形成熱介 面材料。 9.如申請專利範圍第8項所述之熱介面材料之製造方法， 其中液相高分子體系粘度於2 0 0 c Ps以下。

1 0.如申請專利範圍第8項所述之熱介面材料之製造方法， 其中該液相高分子體系包括熔融態高分子、高分子溶 液與聚合物單體溶液。 11.如申請專利範圍第1 0項所述之熱介面材料之製造方 法，其中該熔融態高分子包括熔融態石蠟材料。 1 2.如申請專利範圍第8項所述之熱介面材料之製造方法， 其中該奈米碳管陣列生長於一基底上。

1 3.如申請專利範圍第1 2項所述之熱介面材料之製造方 法，其中切割該高分子複合材料以前進一步包括先將 該分佈有奈米碳管之高分子複合材料從基底上揭下。 1 4.如申請專利範圍第8項所述之熱介面材料之製造方法， 其中該奈米碳管陣列之形成方法包括：熱化學氣相沈 積法、電漿增強化學氣相沈積法。

第17頁 1246879 ㈣ 23 曰 修正 ---寒號9311_4 _年月 中文4月摘要（發明名稱：一種熱介面材料及其製造方法） 管分佈 面及相 於該高 第二表 供此種 奈米碳 化該溶 料；按 材料。 種熱介 於該高 對於第 分子材 面延伸 熱介面 管陣列 融態高 照預定 面材料，其包括一 分子材料中’該熱 一表面之第 面 料中均勻分佈且沿 並分別伸出兩表面 材料之製造方法， ，將奈米碳管陣列 分子，生成分佈有 尽度切割上述局分 高分子材料及複數奈米碳 介面材料形成有一第一表 ’該奈米碳管兩端開口， 熱介面材料之第一表面向 形成兩彎曲。本發明還提 其包括以下步驟··提供一 浸潤於熔融態高分子；固 奈米碳管之高分子複合材 子複合材料，形成熱介面 五、（一）、本案代表圖為：第六 圖 (二）、本案代表圖之元件代表符號簡單說明： 熱介面材料 40 第一表面 42 英文發明摘要~· THERMAL INTERFACE MATERIAL AND METHODE FOR MAKING~

A thermal interface material includes a macromolecule material having a first surface and a second surface opposite to the first surface, and an array of carbon nanotubes incorporated in the macromolecule material wherein the carbon nano tubes are opened in both ends and extending from the first surface to the second surface. Further, the carbon nanotubes are extending out

第2頁 1246879 SS 93110604 年 月 曰 修正 四、中文發明摘要（發明名稱：一種熱介面材料及其製造方法） 第二表面 電子器件 44 80 散熱器 60 五、英文發明摘要 SAME) (發明名稱：THERMAL INTERFACE MATERIAL AND METHODE FOR MAKING from the both surfaces of the thermal interface material to form bendings. A preferred method for making the thermal interface material includes the steps of: (a) forming an array of carbon nanotubes; (b) immersing and spreading the array of carbon nanotubes in a melted macromo1 ecu 1e material ; (c ) curing the macromo1 ecu 1 e material; (d) cutting the solidified macromo1 ecu 1 e at a

1246879 2¾ _案號93110604_年月日_ 六、指定代表圖