专利名称：一种热界面材料及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种热界面材料及其制造方法，尤其涉及一种利用碳纳米管导热的热界面材料及其制造方法。
背景技术：
近年来，随着半导体器件集成工艺的快速发展，半导体器件的集成化程度越来越高，但是，器件体积却变得越来越小，其对散热的需求越来越高，已成为一个越来越重要的问题。为满足该需要，风扇散热、水冷辅助散热及热管散热等各种散热方式被广泛运用，并取得一定的散热效果，但因散热器与半导体集成器件的接触界面的不平整，一般相互接触面积不到2％，没有一个理想的接触界面，从根本上影响半导体器件向散热器传递热量的效果，故，在散热器与半导体器件之间增加一具较高热传递系数的热界面材料以增加界面之接触程度实为必要。
传统热界面材料是将导热系数较高的颗粒分散于银胶基体以形成复合材料，如石墨、氮化硼、氧化硅、氧化铝、银或其它金属等。此种材料的导热性能取决于银胶基体的性质。其中以油脂、相变材料为基体的复合材料因其使用时为液态能与热源表面浸润，故接触热阻较小，而硅胶和橡胶为载体的复合材料接触热阻相对较大。该类材料一普遍缺陷为整个材质导热系数较小，典型值为1W/mK，这已经越来越不能适应半导体集成化程度的提高对散热的需求，而增加银胶基体的导热颗粒含量使得颗粒与颗粒之间尽量相互接触以增加整个复合材料的导热系数，如某些特殊的界面材料因此可达到4-8W/mK，然而，银胶基体的导热颗粒含量增加至一定程度时，会使银胶基体失去原本的性能，如油脂会变硬，从而浸润效果变差，橡胶亦会变得较硬，从而失去应有的柔韧性，这都将使热界面材料性能大大降低。
近来有一种热界面材料，是将定向排列的导热系数约为1100W/mK之碳纤维一端或整体用聚合物固定，从而在热界面材料的垂直方向形成定向排列的碳纤维阵列，以使每一碳纤维均可形成一导热信道，该方式可有效提高热界面材料的导热系数，达到50-90W/mK。但是，该类材料一个缺点是厚度必须在40微米以上，而整个热界面材料的导热系数与薄膜的厚度成反比，故当其热阻降低至一定程度，进一步降低的空间相当有限。
为改善热界面材料的性能，提高其热传导系数，各种材料被广泛试验。Savas Berber等人2000年在美国物理学会上发表一篇名为“Unusually HighThermal Conductivity of Carbon Nanotubes”的文章指出，“Z”形(10，10)碳纳米管在室温下导热系数可达6600W/mK，具体内容可参阅文献Phys.Rev.Lett(2000)，Vol. 84，P.4613。
美国专利第6,407,922号揭示一种利用碳纳米管导热的热界面材料，其是将碳纳米管掺到银胶基体结成一体，通过注模方式制得热界面材料，且该热界面材料的两导热表面的面积不等，其中与散热器接触一面的面积大于与热源接触一面的面积，这样可有利于散热器散热，但该方法制得的热界面材料有不足之处，其一，注模方式制得热界面材料厚度较大，导致该热界面材料的导热系数较高，增加该热界面材料的体积，与器件向小型化方向发展的趋势不相适应，且热界面材料缺乏柔韧性；其二，碳纳米管在基体材料中未有序排列，其在基体分布的均匀性较难确保，因而热传导的均匀性亦受到影响，且碳纳米管纵向导热的优势未充分利用，影响热界面材料的热传导系数。
有鉴于此，提供一种具优良的热传导效果、厚度薄、柔韧性佳且热传导均匀的热界面材料实为必要。
发明内容为解决现有技术的技术问题，本发明的目的是提供一种导热效果优良、厚度薄、柔韧性佳的热界面材料。
本发明的另一目的是提供此种热界面材料的制造方法。
为实现本发明的目的，本发明提供一种热界面材料，其包括一银胶基体，该银胶基体包括一第一表面及一相对于第一表面的第二表面；及多个碳纳米管，该多个碳纳米管分布于银胶基体中；其中该银胶材料包括纳米银颗粒、纳米氮化硼颗粒及合成油，该多个碳纳米管相互平行且于该银胶基体沿第一表面向第二表面延伸。
本发明热界面材料的制造方法包括以下步骤提供一碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列置于一基底上；用银胶涂覆浸润碳纳米管阵列；
冷却固化，形成热界面材料。
与现有的热界面材料相比，本发明提供的热界面材料因碳纳米管阵列具均匀定向排列的优点，该热界面材料的每一根碳纳米管均可于垂直热界面材料方向形成热传导信道，得到导热系数较高的热界面材料。
图1是本发明含有催化剂薄膜的基底示意图。
图2是于图1所示基底生长定向排列的碳纳米管阵列示意图。
图3是本发明银胶涂覆浸润碳纳米管阵列的示意图。
图4是本发明固化的碳纳米管阵列于基体被揭起的过程示意图。
图5是本发明含碳纳米管阵列的热界面材料示意图。
图6是本发明热界面材料的应用示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
请参阅图1与图2，首先在一基底11均匀沉积一催化剂层12，其方法可利用热沉积、电子束沉积或溅射法完成。基底11的材料可用玻璃、石英、硅或氧化铝。本实施例采用多孔硅，其表面为一多孔层，孔的直径极小，一般小于3纳米。催化剂层12的材料可为铁、钴、镍及其合金，本实施方式选用铁作为催化剂材料。
氧化催化剂层12，形成催化剂颗粒(图未示)，再将分布有催化剂的基底11置于反应炉中(图未示)，于700～1000摄氏度下，通入碳源气，生长出碳纳米管阵列，其中碳源气可为乙炔、乙烯等气体，碳纳米管阵列22的高度在一定范围内可通过控制其生长时间来控制，一般生长高度为1～100微米，本实施例的碳纳米管阵列22的生长高度为100微米。有关碳纳米管阵列22的生长方法已较为成熟，具体可参阅文献Science，1999，283，512-414及文献J.Am.Chem.Soc，2001，123，11502-11503，此外美国专利第6,350,488号亦公开一种大面积生长碳纳米管阵列的方法。
请参阅图3、图4，用银胶32涂覆浸润生长完备的定向排列碳纳米管阵列22，待银胶32完全浸润碳纳米管阵列22。该银胶32材料包括纳米银颗粒、纳米氮化硼颗粒及合成油(Polysynthetic Oils)，其中，该纳米银颗粒粒径为1～90纳米，纯度为99.9％，纳米氮化硼颗粒粒径为1～30纳米。银胶32的完全浸润的时间同碳纳米管阵列22的高度、密度以及整个碳纳米管阵列22的面积及银胶32自身的粘度有关。
将经银胶32浸润的碳纳米管阵列22冷却固化，再将该含碳纳米管阵列22的银胶32从基底11进行脱膜，形成热界面材料40，其厚度为100微米，与原先碳纳米管阵列22高度一致。即热界面材料40的厚度取决于所生长的碳纳米管阵列22的高度，故，可通过控制碳纳米管阵列22的生长高度制得所需不同厚度的热界面材料40。
再请参阅图5，本发明的热界面材料40，碳纳米管阵列22经银胶32固结形成一体，碳纳米管阵列22于银胶32垂直、均匀分布，形成多个热传递信道，所形成的热界面材料40具导热系数较高，且导热均匀的特点。
本发明制得的热界面材料40，碳纳米管阵列22于热界面材料40的形态基本未变，即碳纳米管阵列22的碳纳米管之间距未变，且碳纳米管阵列未聚集成束，保持初始定向排列的状态。
本发明采用的银胶32可为纳米银颗粒、纳米氮化硼颗粒及合成油混合而成，其导热系数较高，挥发性较低。其中，添加纳米氮化硼颗粒可有效改善热传导的稳定性为利于银胶32充分浸润碳纳米管阵列22，其粘度的要求低于100mps。
请参阅图6，本发明制得碳纳米管阵列的热界面材料40具有极佳导热系数，可广泛应用于包括中央处理器(CPU)、功率晶体管、视频图形阵列芯片(VGA)、射频芯片在内的电子器件80中，热界面材料40置于电子器件80与散热器60之间，能提供电子器件80与散热器60之间一优良接口热接触，热界面材料40的第一表面42与电子器件80的表面(未标示)接触，与第一表面42相对应的热界面材料40的第二表面44与散热器60的底面(未标示)接触。由于本发明制得碳纳米管阵列之热界面材料40极薄，其厚度仅微米级，故具较佳的柔韧性，即便于电子器件80的表面参差不齐情势之下，本发明的热界面材料40亦能提供电子器件80与散热器60之间一良好热接触。
权利要求
1.一热界面材料，其包括一银胶基体，该银胶基体包括一第一表面及一相对于第一表面之第二表面，及多个碳纳米管，该多个碳纳米管分布于该银胶基体中，该银胶材料包括纳米银颗粒、纳米氮化硼颗粒及合成油，其特征在于，该多个碳纳米管相互平行且于该银胶基体沿第一表面向第二表面延伸。
2.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，该纳米银颗粒粒径为1～90纳米，纯度为99.9％，纳米氮化硼颗粒粒径为1～30纳米。
3.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，该热界面材料的第一表面与热源相接触，该第二表面与散热器相接触。
4.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，该热界面材料厚度为1～100微米。
5.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，该第一表面与该第二表面相互平行。
6.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，该多个碳纳米管垂直于热界面材料的第一及第二表面。
7.一种热界面材料的制造方法，其包括以下步骤提供一碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列置于一基底；用银胶涂覆浸润碳纳米管阵列；固化浸润碳纳米管阵列后的银胶，形成热界面材料。
8.如申请专利范围第7项所述的热界面材料的制造方法，其特征在于，该碳纳米管阵列的形成方法包括化学气相沉积法。
9.如申请专利范围第7项所述的热界面材料的制造方法，其特征在于，该银胶材料包括纳米银颗粒、纳米氮化硼颗粒及合成油。
10.如申请专利范围第7项所述的热界面材料的制造方法，其特征在于，该纳米银颗粒的纯度为99.9％，粒径为1～90纳米，纳米氮化硼颗粒粒径为1～30纳米。
11.如申请专利范围第7项所述的热界面材料的制造方法，其特征在于，银胶粘度低于100mps。
12.如申请专利范围第7项所述的热界面材料的制造方法，其特征在于，该热界面材料的制造方法进一步包括从基底揭下固化碳纳米管的银胶基体。
全文摘要
本发明涉及一种基于碳纳米管阵列导热的热界面材料，包括一银胶基体，该银胶基体包括一第一表面及一相对于第一表面的第二表面；及多个碳纳米管，该多个碳纳米管分布于该银胶基体中；其中，该银胶基体由纯银颗粒、氮化硼颗粒、合成油组成，该多个碳纳米管相互平行且从该银胶基体第一表面向第二表面延伸。另外，本发明还提供该热界面材料的制造方法。该制造方法包括以下步骤提供一碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列置于一基底；用银胶涂覆浸润碳纳米管阵列；固化银胶，形成热界面材料；将固化的银胶从基底上揭下。
文档编号C09K5/14GK1632040SQ20031011765
公开日2005年6月29日 申请日期2003年12月24日 优先权日2003年12月24日
发明者吕昌岳, 余泰成, 陈杰良 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司, 鸿海精密工业股份有限公司