TWI300801B - Thermal interface material and methode for making same - Google Patents

Description

1300801 九、發明說明： * · 【發明所屬之技術領域】 本發明係種熱介面材料及其製造方法 碳管導熱之熱介面材料及其製造方法。 凡扣_用奈未 【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 成化程度齡越⑧。惟，ϋ倾賴得錄越小 招 來越高，已成為-個越來越重要之_。為献該越 水冷輔助散熱及熱纽鮮各種餘方式被歧運帛 得一二 熱效果，但因散熱器與半導體集成器件之接觸介面不平整， 接觸面積:^丨2% ’未有—個理想之_介面，從根本 導 件向散熱器傳遞熱量之效果，故，於散熱器 件^ 具較高熱傳遞係數之介面材料以增加介面之接難度實^之^曰加一 =熱介，料係將導熱絲較高之雕分散於銀膠基體以形成 複a材料，如石墨、氮化硼、氧化石夕、氧化紹、銀或与金 2料之雜性能取決於銀職體之性^其中峨旨、相變^料為 二體之複合材賴其使㈣為賴，能熟源表面制，故阻 而_與橡膠為健之複合材料接糖__大。該睛料 - w遍缺陷係整個材將熱係數較小，典型值為lw/mK，這已經越來 越^適應半?體集成化程度之提高對散熱之需求，而增加銀膠基體 ，導‘、、、顆粒含量使得顆粒與顆粒之間儘量相互接觸以增加整個複合材 料之導…、係數如某些特殊之介面材料因此可達到4_8W/mK，惟，銀 膠，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，從而浸满效果變差，橡膠亦會變得較硬，從而 失去應有之柔勒性，這都將使熱介面材料性能大大降低。 近來有-種熱介面材料’係將定向排列之導熱係數約為ιι〇〇 / κ之%或整體用聚合物固定，從*於熱介面材料之垂直 方向形成定向排列之，纖維陣列，以使每一碳纖維均可形成一導熱通 道該方式可有效提尚熱介面材料之導熱係數，達到5請w/mK。惟， 1300801 該類材料一個缺點係厚度必須大於40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2000年於美國物理學會上發表一篇名為 ’’Unusually High Thermal Co.ctivity of Carb〇n 出，”Z”形(10，10)奈米碳管於室溫下導熱係數可達_〇 ，具體 内容可參閱文獻Phys· Rev· Lett(2000)，ν〇1· 84, R 4613。研究如何將^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^料 性能之一個重要方向。 Τ 美國專利第6,407,922號揭示-種利用奈米碳管導埶之 lli係將奈米碳管摻到銀膠基體結成—體，通過注模方式製_介 面材料。該熱介面材料之兩導熱表面之面積不等，孰； 一面之_大_熱源_—面之面積，這樣利散 惟’該方法製得之熱介面材料有不足之處，其―， 面材料厚絲大，_齡珊狀導_數較高， 體積之增加’與H件向小方向發展之趨勢 枓 材料缺乏柔勃性；其二，奈米碳管於基體材料中未有^排^^介面 ，料確保’因而熱傳導之均勻性 : 麵^熱之錄未充分利用，影響熱介面材料之熱傳！^’。不米碳 好，導熱均勻之熱介面材料實t必要'熱係數大，接觸熱阻小，_生 【内容】 為解決先前技術之問題，本發明之目的於於 ίϋϋΓ倾供此軸細_之製妨*。 為貫見本务月之目的’本發 ΠΤ數奈米物於該高分子ί料括:―高 有一第一表面及相對於第—表面之第二表面，該奈形成 I3〇〇8〇i i該高分子材射均勻分佈且沿熱介面材料之第-表面向第二表面延 =^本發狀另-目的，本發賴供—種齡崎料之製 η二匕括以下步驟：提供-奈米碳管陣列；將奈 ，而分子體系；使液相高分子體系轉化為固相，生 =尚分子複合材料；於奈米碳管陣列駄高度，並沿 合材料，形成熱介面材料。 边同刀子複 與習知技術之熱介面材料相較，本發明基於奈米 熱，，面材料具以下優點：其一，本發明製得之教介車之 管陣列具有均勻、超順、⑽排列之優點 科因不米碳 管均於垂直熱介面材料方向形成導熱 管陣列ΐ生長古ϋ，利用本方法製得之熱介面材料，不受奈米碳 料’-方面可提高熱介面材料之導熱效果，介 性，並降低熱介面材料之體積及重量“二二 碳管皆兩端開口，於熱介面材料内從一表至中=米 可直接與熱源以及散熱裝置接觸，而且，二二表面’ 源及散紐軸_、，冑觀舆熱 【實施方式】 ' 下面將結合關及實蘭縣發鴨行詳細說明。 請參閱第-圖及第二圖，首先於—基 薄助，該催化劑薄膜12之形成方法可選 ^ 劑 孔石夕，其表面有—層多孔^孔之本實施例採用多 、之制翻鐵’也可義其他材料，域鱗、銘、錄及其 8 1300801 合金材料等。 氧化催化劑薄膜12 ’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 米碳官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22 生長之方法已較為成熟，具體可參閱文獻Science，1999，v〇l. 283，p. 512-414 與文獻 j.Am.Chem.Soc，2001，ν〇1· 123, ρ· 11502-11503，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，將高分子溶液32裝進一容器3〇中，將已生長好 之定向排列之奈米碳管陣列22連同基底u 一起浸到該高分子溶液32 中，直至尚分子溶液32完全浸潤奈米碳管陣列22，高分子溶液兇完 全次潤之時間同奈米碳管陣列22之高度、密度以及整個奈米碳管陣列 =之面積相關。為使高分子溶液32能完全浸潤奈米碳管陣列22，該 冋为子溶液32之枯度最好小於2〇〇cPs。本發明高分子溶液32之高分 子材料選自樹脂、石夕橡膠或橡膠。本發明高分子溶液32為液相高分子 體^，該高分子溶液32射麟鋪高分子或聚合物單齡液替代， 本貫施例採用之高分子溶液32為矽橡膠高分子溶液。 睛參閱第四圖與第五目，將被高分子溶液Μ完全浸潤之奈米碳管 絲連同基底U 一起從容器3〇中取出，使該液相高分子溶液32 ，化為固相，形成高分子材料34。然後將固化後之高分子材料％從基 上揭下，於奈米碳管陣列a預定高度，用切片機(圖 該高 1子材料34沿垂直於奈米碳管陣列22之軸㈣向進行切割，形成献 科40 ’其中，於切割前還可進一步將固化後之高分子材料34從 土底1上揭下再進行蝴，形成熱介面材料40。 32並面轉敏製造綠巾也可以細b該高分子溶液 同其广Γ轉為固相高分子材料34，再將固化後之高分子材料34連 二紐容^ 3G巾M，織直接用切域於奈米碳管陣列 車向方向_該高分子材料％形雜介面材料4〇。 本發明液相高分子溶_化制相高分子㈣之方法需依據所選 1300801 ，之高分子材料。本實施例矽橡膠高分子溶液之固化由於選用之矽橡 膠高分子溶液為兩組份矽橡膠高分子混合溶液，故，當將生長有奈米 奴官22之基底11浸入該兩組份石夕橡膠高分子混合溶液後，於室溫固化 24小時或於6〇c固化2小時，其自身之反應即可使該石夕橡膠高分子溶 液轉化為固相。本實施例中之兩組份矽橡膠高分子溶液可以由市場上 、本發明用切片機切割高分子材料34形成熱介面材料4〇之具體方 法，：首先根據奈米碳管陣％22之生長高度將分佈有奈米碳管陣列2 之高分子材料34沿垂直於奈雜22軸向方向進行切割，除去 奈米碳管陣歹ij 22上方多餘之高分子材料34，同時使奈米碳管之尖端開 口；然後按照熱介面材料40之所需厚度沿同一方向進行切割，即得到 所需之熱介面材料40，該熱介面材料4〇中之奈米碳管兩端開口，於應 用時能熱源或散熱裝置直接接觸，避免因為過量之高分子材“ 於不米碳管與熱源或散熱器之間影響熱介面材料4 40 ..coo « , =^為20微米。通過控制切片機進行切割的位置，熱介面材料4〇 旱又可根據需求由切片時直接控制，方法簡單，且容易控制。 ^ ’為使切割後得到之熱介面材料表面更加平整，可將已經固化 =回二子材料34浸人舰態石蟻材料中，經過冷卻固化後再進行切 i之表編度”後制之熱介面材 料ίΓt熱介爾料4G，奈米碳管_ 22經高分子㈣34固结 垂米碳管陣列22於高分子材料34中具有分佈均勾、 科’於垂直薄膜方向形成導熱通道，卿成之熱介面材 枓40具有導熱健冑、導辆自之_。 崎 22之St;法:Ϊ口=料40中，基本保持原來奈米碳管陣列 束’保持原有定向排列之狀態，並且此熱介* !3〇〇8〇1 .凊參閲第六圖，本發明製得之奈米碳管陣列孰介 佳之導熱性能，可廣泛應用於包括中央處理器(CPU)、功率雷1具有極 頻圖形陣列晶片_)、射頻晶片於内之電子L牛i中2體、視 4〇置於電子器件8〇與散熱器6 一丨面材料 :之間i良熱接觸，熱介面材料40之第一 未標示)接觸，與第-表面42相對應之熱介面材料40之第Γ =散熱器60之底面(未標示)接觸。由於本發 熱介面材料4〇可將其厚度控制於微米級 官陣列 即使於電子器件之表面參差不齊之情況下，而， 提供電子器件80與散熱器60之間一良好之熱接^之=面ft能 明熱介面材料40中之奈米碳管皆兩端開口，沿熱介面材料；發 表面42向第而44千古以从rn 、 材料40之弟一 • D。弟—表垂直延伸，因而，奈米碳管可與電子器件80乃 政,，，、益60直接接觸，而且，熱介面材料4〇之表面平 8〇及散熱H 60接職阻小，使得奈米碳管之 得2 = 度之利用，熱介面材料4〇具有導熱係數高且導熱限 综^所述，本發明符合發明專利之要件，爱依法提出專利申請。 二以上所述者縣本發歡雛實施例’舉凡縣本紐 内案發明精神所作之等效修飾或變化，皆應包含於^下之申請 【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-圖係第-圖所示基底上生長有定向排列之奈米碳管陣列之示 思圖。 、、包之係第IK*之奈米碳管陣列連同基底於高分子溶液中浸 第四圖係本發财浸有高分子溶液之奈米碳管_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。 〜 11 1300801 【主要元件符號說明】 基底 11 催化劑層 12 奈米碳管陣列 22 容器 30 高分子溶液 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)

1300801 十、申請專利範圍： 1·一種熱介面材料，其包括： 一高分子材料；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 二於該高分子材料中均勻分佈且沿熱介面材=二= ^申破請管專陣^圍第1項所述之熱介面材料，其中該複數奈米碳管係形成- 《如申請專利範圍第城所述之熱介面材料， 與-熱源相接觸，該第二表面與一散熱器相接觸广、〃材料之第-表面 ’㈣齡蝴之第-表面 ===利範圍幻項所述之熱介面材料，其中該熱介面材料之厚度為 7. 一種熱介爾料之製造方法，其包細下步驟： 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· 使液相高分子體系轉化為固相， 於奈米碳管降列預定高度，並沿刀有乎二^二高二分子複合料； 高分子複合材料，去除奈米碳管陣 、巧^ _麵方向切割該 端開口; 碥之焉分子材料並使得奈米碳管尖 按照預定厚度切割上述高分子複合材 8. 如申__第觸述之熱介面二之製m 複合材料以前進一步包括以下步驟：+之方法，其中切割該高分子 用熔融態石蟻材料浸潤分佈有奈 冷卻固化該溶融態錢材料。之_子複合材枓； 13 1300801 9.如申請專聰圍第7項所狀熱介面材料之製^ 系枯度於2〇〇cPs以下。 ^万去其中液相尚分子體 1〇.如申請專利範圍第7項所述之熱介面材料之 體系包括縣態高分子、高分子雜麵合鱗體溶液Γ巾凝相间刀子 其中該南分子溶 11.如申請專利範圍第10項所述之熱介面材料之製造方法 液包括樹脂、矽橡膠與橡膠。 =長申嫩之編敝觀杨射絲米碳管陣 所狀齡崎歡料綠，射切觀高分 ==—步_將該分佈有奈米碳管之高分子複合材料從基 概則付奈米破管陣 熟化學乳相沈積法、電漿增強化學氣相沈積法。 1300801 七、指定代表圖： •(一)本案指定代表圖為：第（六）圖。 (二)本代表圖之元件符號簡單說明： 熱界面材料 40 第一表面 42 第二表面 44 散熱器 60 電子器件 80 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵之化學式：