TWI383038B - 熱介面材料，具該熱介面材料之電子裝置及製備方法 - Google Patents

Description

熱介面材料，具該熱介面材料之電子裝置及製備方法

本發明涉及一種熱介面材料，具該熱介面材料之電子裝置及該電子裝置之製備方法。

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，器件體積變得越來越小，然，半導體器件體積之減小也提高了其對散熱之要求。為滿足該半導體器件對散熱之需要，風扇散熱、水冷輔助散熱及熱管散熱等各種散熱方式被廣泛運用，並取得一定之散熱效果。但因散熱裝置與熱源(半導體集成器件，如CPU)之接觸介面不平整，實際接觸面積一般不到總面積之2%，因此從根本上影響熱源向散熱裝置傳遞熱量之效果。為了增加熱源與散熱裝置兩個介面之間之接觸面積，通常於熱源與散熱裝置之間填加一導熱係數較高之熱介面材料(Thermal Interface Materials)，用於填補熱源與散熱裝置接觸時產生之微空隙及表面凹凸不平之孔洞，增加熱源與散熱裝置兩個介面之接觸面積，減少熱傳遞之阻抗，改善熱源與散熱裝置間之熱傳遞效果。

傳統之熱介面材料係通過於如矽膠、橡膠之類之柔性基體中添加一些具有優異導熱性能之導熱顆粒如氧化矽、銀或其他金屬等來形成複合材料。奈米碳管沿其軸向方向具有極高之導熱係數，使其成為最具潛力之熱介面材料之一。2004年9月16日申請並於2005年6月2日公開之 第2005/0116336 A1號美國專利申請公開了一種熱介面材料，該熱介面材料將複數奈米碳管均勻分散於一柔性基體中，該複數奈米碳管相互搭接於熱源與散熱裝置之間形成複數導熱通道。

奈米碳管軸向方向之導熱係數較高，但其徑向方向之導熱係數極低，因此，由該複數奈米碳管形成之導熱通道中，其熱傳遞路徑之長度取決於相互搭接成該一導熱通道之所有奈米碳管之軸向長度之和。而該複數奈米碳管於柔性基體中之方向難以控制，該奈米碳管軸向方向與熱傳遞方向一致之概率很小，因此，需要較多之奈米碳管搭接才能形成一導熱通道，從而造成該熱介面材料之傳熱路徑較長；且，由於奈米碳管之尺寸較小，相互搭接之兩個奈米碳管之間之熱阻較大，無法有效利用奈米碳管之導熱性能。因此，該熱介面材料之導熱性能還有待進一步提高。

有鑒於此，提供一種導熱性能更佳之熱介面材料，具該熱介面材料之電子裝置及該電子裝置之製備方法實為必要。

一種熱介面材料，其包括一柔性基體及分佈於該柔性基體中之複數複合導熱顆粒。該複合導熱顆粒包括一金屬顆粒及至少一奈米碳管複合於該金屬顆粒中。

一種熱介面材料，其包括一柔性基體及分佈於該柔性基體中之複數金屬顆粒。至少部分金屬顆粒中每一第一金屬顆粒進一步包括至少一奈米碳管複合於該第一金屬顆 粒中形成複數複合導熱顆粒。

一種電子裝置，其包括一熱源及一設置於該熱源表面之熱介面材料。該熱介面材料包括一柔性基體及分佈於該柔性基體中之複數第一金屬顆粒。至少部分該第一金屬顆粒中每一第一金屬顆粒進一步包括至少一奈米碳管複合於該第一金屬顆粒中形成複數複合導熱顆粒。

一種電子裝置之製備方法，其包括如下步驟：提供一熱介面材料預製體及一熱源，該熱源具有一使該熱源不至於過熱損壞之保護溫度，該熱介面材料預製體包括一柔性基體、填充於該柔性基體中之複數第二金屬顆粒及複數奈米碳管，該第二金屬顆粒粒徑小於100奈米，且該第二金屬顆粒於該粒徑下之熔融溫度小於該保護溫度；將該熱介面材料預製體設置於該熱源表面；加熱該熱介面材料預製體，使該第二金屬顆粒熔融團聚；冷卻該熱介面材料預製體，形成熱介面材料於熱源表面。

相較於先前技術，該熱介面材料中之奈米碳管複合於第一金屬顆粒中形成複合導熱顆粒。由於該複合導熱顆粒之熱傳遞方向無方向性限制，由該複數複合導熱顆粒相互搭接而形成之導熱通道，具有較短之熱傳遞路徑；且，由於複合導熱顆粒具有較大之粒徑，相互搭接之複合導熱顆粒之間之熱阻較小。因此，該熱介面材料有效利用了奈米碳管優異之導熱性能，具有較好之導熱性能。

下面將結合附圖對本發明實施例之熱介面材料，具該熱介面材料之電子裝置及該電子裝置之製備方法作進一步 詳細說明。

請參閱圖1，為本發明實施例提供之電子裝置100，其包括一熱源10、一散熱裝置20及一熱介面材料30，該熱介面材料30設置於該熱源10及散熱裝置20之間，用於將該熱源10產生之熱量傳遞給該散熱裝置20。

該熱源10可以係半導體集成器件，也可以係IC電路，電阻或其他發熱元件。該熱源10具有一使該熱源10不至於過熱損壞之保護溫度T1。可以理解，當該熱源10之溫度超過T1時，該熱源10會由於過熱而損壞，即T1為熱源10不至於損壞之最大容忍溫度。優選地，該保護溫度T1小於350℃。在本實施例中，該熱源10為CPU，其保護溫度T1為120℃。

該散熱裝置20用於將該熱源10產生之熱量快速導出，使熱源10不產生熱積累。

該熱介面材料30於設置於該熱源10與散熱裝置20之間。請參閱圖2，該熱介面材料30包括一柔性基體31及填充於該柔性基體31中之複數複合導熱顆粒32。

該柔性基體31之熔融溫度大於該保護溫度T1，使該熱介面材料30於工作時能夠保持固定之形狀，不從該電子裝置100溢出。在本實施例中，該柔性基體31為熱塑性樹脂與熱固性聚合物所組成之混合體。其中，該熱塑性樹脂可為環氧樹脂系列，酚醛樹脂系列，聚醯胺樹脂系列中之任意一種；該熱固性聚合物材料可為丁苯橡膠系列，溶膠凝膠系列，矽膠系列中之任意一種。在本實施例中 ，該柔性基體31為酚醛樹脂系列與溶膠凝膠系列所組成之混合物。

該複數複合導熱顆粒32均勻分散於該柔性基體31中，該複數複合導熱顆粒32在該熱介面材料30中之質量百分含量為15%~95%，該複合導熱顆粒32之粒徑大於100奈米且於該粒徑之熔融溫度大於該保護溫度T1。該複合導熱顆粒包括一第一金屬顆粒321及至少一奈米碳管322複合於該第一金屬顆粒321中。該第一金屬顆粒321於該熱介面材料30中之質量百分含量為15%~95%，該第一金屬顆粒321之材料可為銀、銅、錫鉛合金或鋁。該奈米碳管322於該熱介面材料30中之質量百分含量為1%~25%，其包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管或多壁奈米碳管，進一步地，為了增強該奈米碳管322對第一金屬顆粒321之親和力，可對該奈米碳管322之表面進行修飾，如通過化學鍍等方法於該奈米碳管322之表面鍍上金屬或合金。

該複合導熱顆粒32通過該第一金屬顆粒321複合至少一奈米碳管322而形成，具體地，該奈米碳管322分散於該第一金屬顆粒321中。該複合導熱顆粒32有效利用了奈米碳管322優異之導熱性能，且大大降低分散於同一第一金屬顆粒321中之複數奈米碳管322之間之介面熱阻。由於該複合導熱顆粒32之熱傳遞方向無方向性限制，由該複數複合導熱顆粒32相互搭接而形成之導熱通道，具有較短之熱傳遞路徑；且，由於複合導熱顆粒32具有較大之粒徑，相互搭接之複合導熱顆粒32之間之熱阻較小。因此，該熱介面材料100有效利用了奈米碳管322優異之導熱 性能，具有較好之導熱性能。

在該熱介面材料30中，還可包括複數未複合該奈米碳管322之第一金屬顆粒321，該第一金屬顆粒321之粒徑大於100奈米。亦即，該柔性基體31中之導熱粒子包括複合導熱顆粒32與第一金屬顆粒321兩種。此時，該導熱通道由該複數複合導熱顆粒32及複數第一金屬顆粒321相互搭接而形成。可以理解，當該熱介面材料30還包括複數未複合該奈米碳管322之第一金屬顆粒321時，該熱介面材料30也可通過如下方式描述，該熱介面材料30包括柔性基體31及分散於該柔性基體31中之複數第一金屬顆粒321。其中一部分第一金屬顆粒321與奈米碳管322複合形成複數複合導熱顆粒32。

請參閱圖3及圖4，該電子裝置100之製備方法包括如下步驟。

步驟S101，提供一熱介面材料預製體及一熱源10，該熱源10具有一使該熱源10不至於過熱損壞之保護溫度T1，該熱介面材料預製體包括一柔性基體31、填充於該柔性基體31中之複數第二金屬顆粒3211及複數奈米碳管322，該第二金屬顆粒3211之粒徑小於100奈米，且該第二金屬顆粒3211於該粒徑下之熔融溫度T2小於該保護溫度T1。優選地，該保護溫度T1為120℃，該第二金屬顆粒3211之粒徑小於50奈米。本實施例中，該第二金屬顆粒3211為粒徑於20奈米左右之銀顆粒，其於該粒徑之熔融溫度T2為100℃左右。該第二金屬顆粒3211也可為粒徑範圍於10奈米~20奈米之錫鉛合金顆粒，其於該粒徑之熔 融溫度T2為91℃。

步驟S102，將該熱介面材料預製體設置於熱源10表面。可通過將該熱介面材料預製體直接設置於熱源10表面；或將該熱介面材料預製體溶解於一溶劑塗覆於該熱源10表面，再揮發掉該溶劑而使該熱介面材料預製體設置於熱源10表面。

步驟S103，加熱該熱介面材料預製體，使該第二金屬顆粒3211熔融團聚。具體地，該加熱溫度於該第二金屬顆粒3211於該粒徑之熔融溫度T2與保護溫度T1之間。該第二金屬顆粒3211於熔融態下會相互結合形成具較大粒徑之第一金屬顆粒321，該第一金屬顆粒321之粒徑大於100奈米。其中，部分第一金屬顆粒321可複合至少一奈米碳管322形成複合導熱顆粒32，此時，該複合導熱顆粒32之粒徑也大於100奈米。可以理解，該第一金屬顆粒321與第二金屬顆粒3211之材料相同，粒徑不同，該第一金屬顆粒321之粒徑大於100奈米，而第二金屬顆粒3211之粒徑則小於100奈米；該第一金屬顆粒321與第二金屬顆粒3211具有不同之物理性質，這係因為當金屬材料粒徑小於100奈米時，尤其係粒徑小於50奈米時，其熔點隨著粒徑之減小而減小，而該金屬材料於粒徑大於100奈米時，其熔點則保持穩定且大於該金屬材料於粒徑小於100奈米時之熔點。該第二金屬顆粒3211於一定條件下可轉換為第一金屬顆粒321，如複數第二金屬顆粒3211於熔融態相互融合而轉換成第一金屬顆粒321。在本實施例中，該加熱溫度小於120℃，具體地，當該第二金屬顆粒3211 為粒徑20奈米之銀顆粒時，該加熱溫度為100℃~120℃；當該第二金屬顆粒3211為粒徑範圍於10奈米~20奈米之錫鉛合金顆粒時，該加熱溫度為91℃~120℃。

步驟S104，將一散熱裝置20扣合於該熱介面材料預製體表面，使該熱介面材料預製體位於該熱源10與散熱裝置20之間。在該熱介面材料預製體於熔融態時將該散熱裝置20扣合於該熱介面材料預製體表面，可靈活調節該散熱裝置20與該熱源10之間之距離。可以理解，該熱介面材料預製體於熔融態下，更容易被壓縮，從而能夠進一步縮短該散熱裝置20與該熱源10之間之距離，縮短熱傳遞路徑。

步驟S105，冷卻該熱介面材料預製體，形成熱介面材料30於熱源10表面。冷卻該熱介面材料預製體形成熱介面材料30後，該第一金屬顆粒321之粒徑大於100奈米，且其於該粒徑下之熔融溫度大於該保護溫度T1。具體地，當該第一金屬顆粒321為粒徑大於100奈米之銀顆粒時，其熔融溫度為962℃；當該第一金屬顆粒321為粒徑大於100奈米之錫鉛合金顆粒時，其熔融溫度為183℃。可以理解，該熱介面材料預製體經過冷卻形成熱介面材料30後，當再次將溫度升高到該第一金屬顆粒321於較小粒徑之熔融溫度T2時，該複合有奈米碳管之第一金屬顆粒321或複合導熱顆粒32也不會熔融，從而能夠保持於固態下工作。

在該步驟S102中，還可包括如下步驟：將一散熱裝置20扣合於該熱介面材料預製體表面，使該熱介面材料預製 體位於該熱源10與散熱裝置20之間。且，此時該步驟S104將不再必要。

該製備方法利用金屬材料之粒徑於小於100奈米時其熔融溫度變化之特性，將導熱係數高之金屬與奈米碳管於較低之溫度下複合，從而獲得導熱性能較好之熱介面材料。且該熱介面材料於形成過程中，該金屬材料具有一相變之過程，熔融態之金屬材料能夠有效浸潤到該熱介面材料與熱源接觸表面間之間隙，從而使該熱介面材料與該熱源及散熱裝置為面接觸，減小該熱介面材料與熱源及散熱裝置之間之熱阻，且該熔融溫度不至於對熱源造成損壞；其次，該複合導熱顆粒具有較大之粒徑，減小該複合導熱顆粒與柔性基體之間之介面熱阻；再次，該複合導熱顆粒於熱源工作時始終保持固態，保持了金屬材料及奈米碳管優異之導熱性能。

該熱介面材料中之奈米碳管複合於第一金屬顆粒中形成複合導熱顆粒。由於該複合導熱顆粒之熱傳遞方向無方向性限制，由該複數複合導熱顆粒相互搭接而形成之導熱通道，具有較短之熱傳遞路徑；且，由於複合導熱顆粒具有較大之粒徑，相互搭接而形成之複合導熱顆粒之間之熱阻較小。因此，該熱介面材料有效利用了奈米碳管優異之導熱性能，具有較好之導熱性能。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化， 皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

100‧‧‧電子裝置

10‧‧‧熱源

20‧‧‧散熱裝置

30‧‧‧熱介面材料

31‧‧‧柔性基體

32‧‧‧複合導熱顆粒

321‧‧‧第一金屬顆粒

3211‧‧‧第二金屬顆粒

322‧‧‧奈米碳管

圖1係本發明實施例提供之電子裝置之結構示意圖。

圖2係圖1中熱介面材料微觀結構示意圖。

圖3係本發明製備熱介面材料之熱介面材料預製體之微觀結構示意圖。

圖4係本發明實施例提供之電子裝置之製備方法之流程示意圖。

30‧‧‧熱介面材料

31‧‧‧柔性基體

32‧‧‧複合導熱顆粒

321‧‧‧第一金屬顆粒

322‧‧‧奈米碳管

Claims (19)

1. 一種熱介面材料，其包括一柔性基體，其改進在於，該熱介面材料進一步包括複數複合導熱顆粒分佈於該柔性基體中，該複合導熱顆粒包括一第一金屬顆粒及至少一奈米碳管複合於該第一金屬顆粒中，該至少一奈米碳管分散於該第一金屬顆粒內部。
2. 如申請專利範圍第1項所述之熱介面材料，其中，該複數複合導熱顆粒於柔性基體中相互接觸組成複數導熱通道。
3. 如申請專利範圍第1項所述之熱介面材料，其中，該複合導熱顆粒之粒徑大於100奈米。
4. 如申請專利範圍第1項所述之熱介面材料，其中，該第一金屬顆粒於該熱介面材料中之質量百分含量為15%~95%。
5. 如申請專利範圍第1項所述之熱介面材料，其中，該第一金屬顆粒之材料包括銀、銅、錫鉛合金或鋁。
6. 如申請專利範圍第1項所述之熱介面材料，其中，該奈米碳管於該熱介面材料中之質量百分含量為15%~95%。
7. 如申請專利範圍第1項所述之熱介面材料，其中，該奈米碳管表面經過修飾，對金屬具有親和力。
8. 一種熱介面材料，其包括一柔性基體，其改進在於，該熱介面材料進一步包括複數第一金屬顆粒分佈於該柔性基體中，至少部分第一金屬顆粒中每一第一金屬顆粒進一步包括至少一奈米碳管複合於該第一金屬顆粒中形成複數複合導熱顆粒，該至少一奈米碳管分散於該第一金屬顆粒內部。
9. 如申請專利範圍第8項所述之熱介面材料，其中，該第一 金屬顆粒之粒徑大於100奈米。
10. 一種電子裝置，其包括一熱源及一設置於該熱源表面之熱介面材料，該熱介面材料包括一柔性基體，其改進在於，該熱介面材料進一步包括複數第一金屬顆粒分佈於該柔性基體中，至少部分該第一金屬顆粒中每一第一金屬顆粒進一步包括至少一奈米碳管複合於該第一金屬顆粒中形成複數複合導熱顆粒，該至少一奈米碳管分散於該第一金屬顆粒內部。
11. 如申請專利範圍第10項所述之電子裝置，其中，該電子裝置進一步包括一散熱裝置設置於該熱介面材料與該熱源相對之表面。
12. 如申請專利範圍第11項所述之電子裝置，其中，該熱源具有一使該熱源不至於過熱損壞之保護溫度，該熱介面材料位於熱源與散熱裝置之間，該第一金屬顆粒之熔融溫度大於該保護溫度。
13. 一種電子裝置之製備方法，其包括如下步驟：提供一熱介面材料預製體及一熱源，該熱源具有一使該熱源不至於過熱損壞之保護溫度，該熱介面材料預製體包括一柔性基體、填充於該柔性基體中之複數第二金屬顆粒及複數奈米碳管，該第二金屬顆粒粒徑小於100奈米，且該第二金屬顆粒於該粒徑下之熔融溫度小於該保護溫度；將該熱介面材料預製體設置於該熱源表面；加熱該熱介面材料預製體，使該第二金屬顆粒熔融團聚；冷卻該熱介面材料預製體，形成熱介面材料於熱源表面。
14. 如申請專利範圍第13項所述之電子裝置之製備方法，其中，在加熱該熱介面材料預製體，使該第二金屬顆粒熔融團 聚步驟後，在冷卻該熱介面材料預製體，形成熱介面材料於熱源表面步驟前，進一步包括如下步驟：將一散熱裝置扣合於該熱介面材料預製體表面，使該熱介面材料預製體位於該熱源與散熱裝置之間。
15. 如申請專利範圍第13項所述之電子裝置之製備方法，其中，在將該熱介面材料預製體設置於該熱源表面步驟中，進一步包括如下步驟：將一散熱裝置扣合於該熱介面材料預製體表面，使該熱介面材料預製體位於該熱源與散熱裝置之間。
16. 如申請專利範圍第13項所述之電子裝置之製備方法，其中，該熱介面材料預製體加熱溫度位於該第二金屬顆粒於該粒徑下之熔融溫度與該保護溫度之間。
17. 如申請專利範圍第16項所述之電子裝置之製備方法，其中，該第二金屬顆粒之粒徑小於50奈米，該加熱溫度小於120℃。
18. 如申請專利範圍第17項所述之電子裝置之製備方法，其中，該第二金屬顆粒為粒徑範圍於18奈米~22奈米之間之銀顆粒，該加熱溫度為100℃~120℃。
19. 如申請專利範圍第17項所述之電子裝置之製備方法，其中，該第二金屬顆粒為粒徑範圍於10~20奈米之錫鉛合金顆粒，該加熱溫度為91℃~120℃。