TWI414591B

TWI414591B - 熱介面材料及其製備方法

Info

Publication number: TWI414591B
Application number: TW098102402A
Authority: TW
Inventors: 姚湲; 范守善
Original assignee: 鴻海精密工業股份有限公司
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2013-11-11
Also published as: TW201028462A

Description

熱介面材料及其製備方法

本發明涉及一種熱介面材料及其製備方法，尤其涉及一種奈米碳管熱介面材料及其製備方法。

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，其對散熱之需求越來越高，高效率散熱已成為一個越來越重要之問題。為滿足散熱需要，通常在散熱器與半導體器件之間，增加一導熱係數較高之熱介面材料，可使散熱器與半導體器件之間接觸更加緊密，增強半導體器件與散熱器之間之熱傳導效果。

先前之熱介面材料將導熱係數較高之顆粒分散於聚合物基體以形成複合材料，如將石墨、氮化硼、氧化矽、氧化鋁、銀或其他金屬等顆粒分散於聚合物基體中。該類材料之普遍缺陷係整體材質導熱係數較小，一般為1W/m．K，這已經不能適應半導體集成化程度之提高對散熱之需求。增加聚合物基體之導熱顆粒含量，使顆粒與顆粒之間儘量相互接觸，可以增加整個複合材料之導熱係數，如某些特殊之熱介面材料的導熱係數因此可達到4 W/m．K-8 W/m．K，然而，聚合物基體之導熱顆粒含量增加至一定程度時，會使聚合物基體之性能發生改變，如果聚合物基體係橡膠，該橡膠會變得較硬，失去應有之柔韌性，大大降低熱介面材料介面接觸性能，從而使散熱器與半導體器件之間之熱阻增大。

為改善熱介面材料之導熱性能，提高導熱係數，各種材料被廣泛試驗。奈米碳管之長徑比大，長度可為直徑之幾千倍；奈米碳管之強度高，為鋼之一百倍，但重量只有鋼之六分之一；奈米碳管之韌性與彈性極佳，且具有優異之徑向導熱性能，因此，將奈米碳管作為導熱粒子分散於聚合物基體中以形成奈米碳管熱介面材料，成為熱介面材料研究之一重要方向。惟，藉由所述分散法製備之奈米碳管熱介面材料中之奈米碳管雜亂排列，不利於充分利用奈米碳管之徑向導熱性能，使得該奈米碳管熱介面材料之導熱性能提高有限。

為充分利用奈米碳管之徑向導熱性能，業界通常將奈米碳管陣列包埋於基體材料中。然，奈米碳管陣列之高度較小，通常不超過毫米量級，在包埋之過程中，奈米碳管之端部很容易被埋在基體材料中，無法達到與熱源及散熱部件之間之良好接觸，從而使得奈米碳管熱介面材料之表面存在很大之接觸熱阻，降低了其實際導熱性能。

為克服所述缺陷，通常會使用摩擦或者刻蝕之方法使埋在基體材料中之奈米碳管“露頭”。如2003年6月26日於美國公開的，公開號為20030117770A1，名稱為“Carbon Nanotube Thermal Interface Structures”之專利申請揭示了一種熱介面材料及其製備方法。所述熱介面材料包括至少一奈米碳管(束)陣列及一填充於該至少一奈米碳管(束)陣列之聚合物。該至少一奈米碳管(束)陣列中之奈米碳管之間互相平行，且至少一奈米碳管(束)陣列之排列方向與其熱傳導之方向平行。該熱介面材料之製備方法為：將聚合物注入奈米碳管(束)陣列周圍，以支撐奈米碳管(束)陣列，通過機械研磨或化學腐蝕去除生長奈米碳管(束)陣列之基底，以及通過化學機械拋光或機械研磨去除多餘之聚合物，形成熱介面材料。

使用所述專利申請中所採用之方法製備之熱介面材料，由於採用化學機械拋光或機械研磨之方法去除多餘之聚合物，使得奈米碳管露出聚合物之表面，其導熱效率有較大之提高，惟，由於化學機械拋光或機械研磨過程會造成熱介面材料之表面平整度下降，使得該熱介面材料與熱源之接觸熱阻較大，降低了散熱效率。另外，採用化學機械拋光或機械研磨處理工藝，使得其生產成本較高。

有鑒於此，確有必要提供一種可使奈米碳管與熱源接觸良好、導熱率高之熱介面材料及其製造方法。

一種熱介面材料，其包括一奈米碳管陣列及設置於所述奈米碳管陣列一端之一第一基體，其中，所述熱介面材料進一步包括分佈於所述第一基體中之複數個第一導熱粒子，該複數個第一導熱粒子之部分導熱粒子與所述奈米碳管陣列相接觸。

一種熱介面材料之製備方法，其包括下述步驟：提供一奈米碳管陣列；將一第一基體設置於所述奈米碳管陣列之一端；以及添加複數個第一導熱粒子於該第一基體中，使該複數個第一導熱粒子之部分導熱粒子與所述奈米碳管陣列接觸，形成該熱介面材料。

與先前技術相比較，所述熱介面材料由於複數個第一導熱粒子與奈米碳管陣列相接觸，增加了該熱介面材料與熱源之實際熱接觸面積，避免因熱介面材料之平整度下降，而造成之接觸熱阻較大，從而提高了導熱效率。

所述熱介面材料之製備方法，採用添加複數個第一導熱粒子於第一基體中，使得熱介面材料與熱源形成良好之導熱通道；該方法與採用摩擦或者刻蝕之方法使得熱介面材料與熱源形成良好之導熱通道之方法相比，具有操作簡單，成本低之特點。

2‧‧‧奈米碳管陣列

8‧‧‧有機物

10‧‧‧熱介面材料

12‧‧‧基底

14‧‧‧催化劑薄膜

42‧‧‧第一基體

44‧‧‧第二基體

62‧‧‧第一導熱粒子

64‧‧‧第二導熱粒子

圖1係本發明第一實施例提供之熱介面材料之結構示意圖。

圖2係本發明第二實施例提供之熱介面材料製備方法之奈米碳管陣列的結構示意圖。

圖3係本發明第二實施例提供之熱介面材料製備方法之流程圖。

下面將結合附圖對本發明提供之熱介面材料及其製備方法作進一步之詳細說明。

請參閱圖1，本發明第一實施例提供一種熱介面材料10，其包括一奈米碳管陣列2、一有機物8、一第一基體42、一第二基體44、分散於第一基體42中之複數個第一導熱粒子62、分散於第二基體44中之複數個第二導熱粒子64，以及一有機物8。其中，所述第一基體42與第二基體44分別設置於所述奈米碳管陣列2之兩端，所述有機物8填充於所述奈米碳管陣列2中之奈米碳管之間之空隙中。

所述奈米碳管陣列2之兩端為一第一端及與該第一端相對設置之第二端。所述奈米碳管陣列2之高度可根據實際應用之需要而確定。該奈米碳管陣列2包括複數個奈米碳管，該奈米碳管包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中之一種或其任意組合。本實施例中，所述奈米碳管係多壁奈米碳管。所述奈米碳管陣列2優選為超順排奈米碳管陣列，即該奈米碳管陣列2中之絕大多數奈米碳管相互平行。

所述第一基體42設置於所述奈米碳管陣列2之第一端，該奈米碳管陣列2之至少部分奈米碳管之第一端伸入該第一基體42中。所述第二基體44設置於所述奈米碳管陣列2之第二端，該奈米碳管陣列2之至少部分奈米碳管之第二端伸入該第二基體44中。所述第一基體42及第二基體44之厚度可根據實際應用之需求而定。該第一基體42與第二基體44之材質分別為相變材料、樹脂材料及導熱膠中之一種或其任意組合。所述相變材料為石蠟。所述樹脂材料為環氧樹脂、丙烯酸樹脂、矽樹脂。所述第一基體42及第二基體44之材料之選擇，應根據實際應用確定。當第一基體42之溫度高於該第一基體42之熔點時，該第一基體42為熔融態，以保證所述熱介面材料10與熱源形成良好之接觸，提高導熱效率。該第二基體44處於熔點時之性質與第一基體42處於熔點時之性質相同。本實施例中，所述第一基體42及第二基體44之材料均為石蠟。

所述複數個第一導熱粒子62分散於所述第一基體42中，且部分導熱粒子62與奈米碳管陣列2之第一端接觸。所述複數個第二導熱粒子64分散於第二基體44中，且部分第二導熱粒子64與奈米碳管陣列2之第二端接觸。所述第一導熱粒子62與第二導熱粒子64分別為金屬、合金、氧化物及非金屬粒子等粒子中之一種或其任意組合。所述金屬為錫、銅、銦、鉛、銻、金、銀、鉍及鋁等金屬中之一種或其任意組合。所述合金為錫、銅、銦、鉛、銻、金、銀、鉍及鋁等金屬任意組合之合金中之一種或多種。所述氧化物為金屬氧化物及氧化矽等氧化物中之一種或其任意組合。所述非金屬粒子為石墨及矽等非金屬粒子中之一種或其任意組合。所述第一導熱粒子62及第二導熱粒子64之直徑分別為10奈米-10000奈米，其直徑之具體大小視情況而定。所述第一導熱粒子62及第二導熱粒子64之形狀分別為棒狀、片狀、粉末及顆粒等形狀中之一種或其任意組合。本實施例中，所述第一導熱粒子62及第二導熱粒子64係鋁粉，其直徑均為10奈米-1000奈米。

所述有機物8填充於所述奈米碳管陣列2之奈米碳管之間之空隙中，該奈米碳管陣列2之兩端露出該有機物8之表面。該有機物8與所述第一基體42及第二基體44間隔設置或接觸設置。所述有機物8為矽膠系列、聚乙烯乙二醇、聚酯、環氧樹脂系列、缺氧膠系列、壓克力膠系列或橡膠等。所述有機物8之材料與所述第一基體42或第二基體44材料可以相同。本實施例中，所述有機物8與所述第一基體42及第二基體44接觸設置。所述有機物8為一雙組分矽酮彈性體。

本實施例之熱介面材料10應用於電子器件時，當溫度加熱到所述第一基體42及第二基體44之熔點以上時，該第一基體42及第二基體44就會發生相變。此時，熔融態之第一基體42及第二基體44及分散於其中之所述複數個第一導熱粒子62及複數個第二導熱粒子64能夠與電子器件之介面直接接觸，因此，增加了與電子器件之實際熱接觸面積，避免因奈米碳管陣列2中之奈米碳管之端部參差不齊，而造成接觸熱阻較大，提高了導熱效率。另外，由於部分第一導熱粒子62及複數個第二導熱粒子64與奈米碳管陣列2之兩端直接接觸，使得所述奈米碳管陣列2中之奈米碳管通過該複數個第一導熱粒子62及該複數個第二導熱粒子64與電子器件相接觸，確保奈米碳管之徑向導熱性能得到充分發揮，以提高該熱介面材料10之導熱率，從而提高整個電子器件之散熱效果。

可以理解，本實施例提供之熱介面材料可以只有第一基體42或第二基體44。另外，本實施例提供之熱介面材料也可以不填充有機物8。

請一併參閱圖1、圖2及圖3，本發明第二實施例提供一種熱介面材料之製備方法，其包括以下步驟：

步驟一：提供一奈米碳管陣列2。

所述奈米碳管陣列2具有一第一端及與該第一端相對設置之第二端。該奈米碳管陣列2還具有一基底12。該基底12與該奈米碳管陣列2之第二端相連設置，與該奈米碳管陣列2之第一端相對設置。所述奈米碳管陣列2之高度可根據實際應用之需要而確定。該奈米碳管陣列2包括複數個奈米碳管，該奈米碳管包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中之一種或其任意組合。本實施例中，所述奈米碳管係多壁奈米碳管。所述奈米碳管陣列2係超順排奈米碳管陣列，即該奈米碳管陣列2中之絕大多數奈米碳管相互平行。

本實施例中提供之奈米碳管陣列2之製備方法採用化學氣相沈積法，其具體包括以下步驟：首先，在一基底12上形成一層均勻之催化劑薄膜14。該步驟可通過熱沈積法、電子束沈積法或濺射法等方法來實現。基底12之材料可用玻璃、石英、矽或氧化鋁。本實施例採用多孔矽，該多孔矽表面有一層多孔層，該多孔層中具有複數個孔，該複數個孔之直徑極小，一般小於3奈米。該催化劑薄膜14之材料係鐵，也可為其他材料，如氮化鎵、鈷、鎳或其任意組合材料等。

其次，氧化所述催化劑薄膜14，形成催化劑顆粒，再將分佈有該催化劑顆粒之基底12放入反應爐中，在保護氣體環境下，加熱至700-1000攝氏度，通入碳源氣，生長5分鐘-30分鐘即製備出1微米-500000微米之奈米碳管陣列2。其中，碳源氣可為乙炔、乙烯、甲烷等碳氫化合物，奈米碳管陣列2之高度可通過控制生長時間來控制。所述碳源氣可選用乙炔、乙烯、甲烷等化學性質較活潑之碳氫化合物。所述保護氣體為氮氣或惰性氣體。所述惰性氣體為氦氣、氖氣、氬氣、氪氣或氙氣。本實施例中，所述碳源氣為乙炔，所述保護氣體為氬氣。

可以理解，本實施例提供之奈米碳管陣列10不限於所述製備方法。也可為石墨電極恒流電弧放電沈積法或雷射燒蝕法等。具體可參閱文獻“Self-Oriented Regular Arrays of Carbon Nanotubes and Their Field Emission Properties”(Shoushan Fan et al., Science, 1999, vol. 283, p512-414)、文獻“Isotope Labeling of Carbon Nanotubes and Formation of ¹²C-¹³C Nanotube Junctions”(Liang Liu et al., J. Am. Chem. Soc, 2001, 123, 11502-11503)及美國第6,350,488號專利(申請日係2000年6月9日，公告日係2002年2月26日)。

步驟二：將一有機物8填充於所述奈米碳管陣列2之間之空隙中，並使得所述奈米碳管陣列2之第一端露出有機物8之表面。

該步驟具體為：首先，在該奈米碳管陣列2之第一端形成一聚酯片保護層。其次，將具有該保護層之奈米碳管陣列2浸入所述有機物8之溶液或熔融液中，使該有機物8填充該奈米碳管陣列2中之奈米碳管之間之空隙。然後，取出所述奈米碳管陣列2，使該奈米碳管陣列2中填充之有機物8固化或凝固。最後，直接揭去該保護層，使得該奈米碳管陣列2之第一端露出有機物8之表面。其中，所述保護層之形成方法為將一聚酯片置於該奈米碳管陣列2之第一端，並輕壓該聚酯片使該聚酯片與奈米碳管陣列2之第一端緊密接觸，形成該保護層。所述有機物8固化或凝固之方法包括自然乾燥、高溫乾燥或冷卻乾燥。所述有機物8包括矽膠系列、聚乙烯乙二醇、聚酯、環氧樹脂系列、缺氧膠系列、壓克力膠系列或橡膠等。本實施例中，所述有機物8為一雙組分矽酮彈性體。該有機物8之固化方法為自然乾燥。

可以理解，實現所述奈米碳管陣列2之第一端露出有機物8之表面之方法不限於所述之方法，也可通過其他方法使所述奈米碳管陣列2之第一端露出有機物8之表面，如：先將有機物8之溶液或熔融液注入奈米碳管陣列2中，控制有機物8之溶液或熔融液在奈米碳管陣列2中之高度，使奈米碳管陣列之第一端未被有機物8之溶液或熔融液包圍；然後固化有機物8之溶液或熔融液。

步驟三：將一第一基體42設置於所述奈米碳管陣列2之第一端。

具體地，採用印刷或刷子刷塗等方法於所述奈米碳管陣列2之第一端塗覆一第一基體42，使該第一基體42與所述有機物8間隔設置或接觸設置，且包埋住該奈米碳管陣列2露出該有機物8表面之第一端。所述第一基體42為相變材料、樹脂材料及導熱膠或其任意組合之混合物。所述相變材料包括石蠟。所述樹脂材料為環氧樹脂、丙烯酸樹脂或矽樹脂。所述第一基體42之材料與有機物8之材料可以相同。本實施例中，所述第一基體42與所述有機物8接觸設置。所述第一基體42為石蠟。

步驟四：添加複數個第一導熱粒子62於所述第一基體42中，使部分第一導熱粒子62與所述奈米碳管陣列2之第一端接觸。

具體地，將所述複數個第一導熱粒子62撒在所述第一基體42之表面，使該第一基體42之表面佈滿該複數個第一導熱粒子62；加熱該第一基體42之表面至略高於該第一基體42之熔點；此時，所述複數個第一導熱粒子62浸入該第一基體42中，部分第一導熱粒子62與奈米碳管陣列2之第一端相接觸。其中，所述複數個第一導熱粒子62浸入所述第一基體42中之深度，可以通過控制撒在該第一基體42之複數個第一導熱粒子62之數量，使第一導熱粒子62儘量多地包圍奈米碳管陣列2中之至少部分奈米碳管之第一端。

所述第一導熱粒子62之材料為金屬、合金、氧化物及非金屬粒子等導熱粒子中之一種或其任意組合。所述金屬為錫、銅、銦、鉛、銻、金、銀、鉍及鋁等金屬中之一種或其任意組合。所述合金為錫、銅、銦、鉛、銻、金、銀、鉍及鋁等金屬任意組合之合金中的一種或多種。所述氧化物為金屬氧化物及氧化矽等氧化物中之一種或其任意組合。所述非金屬粒子為石墨及矽等非金屬粒子中之一種或其任意組合。所述第一導熱粒子62之直徑為10奈米-10000奈米，其直徑之具體大小視情況而定。所述第一導熱粒子62之形狀為棒狀、片狀、粉末及顆粒等形狀中之一種或其任意組合。本實施例中，所述第一導熱粒子62係鋁粉，其直徑為10奈米-1000奈米。

步驟五：將一第二基體44設置於所述奈米碳管陣列2之第二端。

該步驟具體包括：首先，去除奈米碳管陣列2之基底12，使奈米碳管陣列2之至少部分奈米碳管之第二端露出所述有機物8之表面。其中，所述去除奈米碳管陣列2之基底12之方法為將基底12直接從該奈米碳管陣列2上撕掉；或採用化學之方法將該基底12去除掉。其次，在該奈米碳管陣列2之第二端塗覆該第二基體44之方法與步驟三中在所述奈米碳管陣列2之第一端塗覆一第一基體42之方法相同。所述第二基體44之材料與第一基體42之材料相同。本實施例中，所述第二基體44與所述有機物8接觸設置。所述第二基體44為石蠟。

步驟六：添加複數個第二導熱粒子64於所述第二基體44中，使部分第二導熱粒子64與所述奈米碳管陣列2之第二端接觸，形成該熱介面材料10。

具體地，於所述第二基體44之表面撒上所述複數個第二導熱粒子64，使該第二基體44之表面佈滿該複數個第二導熱粒子64；加熱該第二基體44之表面至略高於該第二基體44之熔點；此時，該複數個第二導熱粒子64浸入該第二基體44中，部分第二導熱粒子64與奈米碳管陣列2之第二端相接觸；從而形成該熱介面材料10。其中，所述複數個第二導熱粒子64浸入所述第二基體44中之深度，可以通過控制撒在該第二基體44之複數個第二導熱粒子64之數量，使該第二導熱粒子64儘量多地包圍奈米碳管陣列2中之至少部分奈米碳管之第二端。所述第二導熱粒子64之材料、形狀及直徑與所述第一導熱粒子62之材料、形狀及直徑相同。本實施例中，所述第二導熱粒子64係鋁粉，其直徑為10奈米-1000奈米。

本發明實施例提供之熱介面材料及其製備方法具有以下優點：其一，由於所述複數個第一導熱粒子及複數個第二導熱粒子之部分導熱粒子與奈米碳管陣列相接觸，使得所述奈米碳管陣列中之奈米碳管通過該複數個第一導熱粒子及複數個第二導熱粒子與熱源相接觸，確保奈米碳管之徑向導熱性能得到充分發揮，以提高熱介面材料之熱導率。其二，所述熱介面材料工作時，所述第一基體及第二基體轉化為熔融態，該熔融態之第一基體及分散於其中之所述複數個第一導熱粒子之部分導熱粒子、該熔融態之第二基體及分散於其中之所述複數個第二導熱粒子之部分導熱粒子能夠與熱源直接接觸，可增加該熱介面材料與熱源之實際熱接觸面積，避免因熱介面材料之平整度下降，而造成接觸熱阻較大，提高了導熱效率。其三，所述熱介面材料之製備方法藉由將複數個第一導熱粒子及複數個第二導熱粒子分別設置於第一基體及第二基體中，使得熱介面材料與熱源形成良好之導熱通道；該方法與採用化學機械拋光或機械研磨之方法使得熱介面材料與熱源形成良好之導熱通道之方法相比，具有操作簡單，成本低之特點。

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。舉凡熟悉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。