专利名称：热界面材料制备方法
技术领域：
本发明涉及一种热界面材料的制备方法，尤其涉及一种包含碳纳米管的热界面材料的制备方法。
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，而器件体积却变得越来越小，其散热成为一个越来越重要的问题，其对散热的要求也越来越高。为了满足这些需要，各种散热方式被大量的运用，如利用风扇散热、水冷辅助散热和热管散热等方式，并取得一定的散热效果，但由于散热器与半导体集成器件的接触界面并不平整，一般相互接触的只有不到2％的面积，没有理想的接触界面，从根本上极大地影响了半导体器件向散热器进行热传递的效果，因此在散热器与半导体器件的接触界面间增加一导热系数较高的热界面材料来增加界面的接触面积就显得十分必要。
传统的热界面材料是将一些导热系数较高的颗粒分散到聚合物材料中形成复合材料，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在很大程度上取决于聚合物载体的性质。其中以油脂、相变材料为载体的复合材料因其使用时为液态而能与热源表面浸润故接触热阻较小，而以硅胶和橡胶为载体的复合材料的接触热阻就比较大。这些材料的一个普遍缺陷是整个材料的导热系数比较小，典型值在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，而增加聚合物载体中导热颗粒的含量使颗粒与颗粒尽量相互接触可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，但当聚合物载体中导热颗粒的含量增加到一定程度时，会使聚合物失去所需的性能，如油脂会变硬，从而浸润效果会变差，橡胶也会变硬，从而失去柔韧性，这都会使热界面材料性能大大降低。
近来有一种新的热界面材料，是将定向排列的导热系数约为1100W/mK的碳纤维一端或整个用聚合物固定在一起，从而在聚合物薄膜的垂直方向上形成定向排列的碳纤维阵列，这样每根碳纤维就可以形成一个导热信道，极大提高了这种聚合物薄膜的导热系数，可达到50-90W/mK。但这类材料的一个缺点是不能做得很薄，厚度必须在40微米以上，而材料的热阻与薄膜的厚度成正比，所以，它的热阻降低到一定的程度就难以再进一步降低。
随着碳纳米管高导热性能的发现，为改善热界面材料的性能，提高其热传导系数，一种含有碳纳米管的热界面材料被广泛应用。该热界面材料利用碳纳米管较高的导热特性，通过将预先生长的碳纳米管掺到复合材料中并使二者结成一体而制成。但是，现有技术中所提供的含有碳纳米管的热界面材料的导热性能与预期效果仍有一定差距。究其原因，是由于制备上述热界面材料的碳纳米管在生长过程中长度较大易发生相互缠绕或自我缠绕，因此不能充分利用碳纳米管的纵向导热性高的特点。
综上所述，确有必要提供一种热界面材料的制备方法，采用该方法制备的热界面材料能够较充分地利用碳纳米管的纵向导热性以提高热界面材料的导热系数。
发明内容
下面将以实施例说明一种热界面材料的制备方法，采用该方法制备的热界面材料具有较高的导电性能。
一种热界面材料的制备方法，包括以下步骤(一)提供一定量的碳纳米管及液态基底材料；(二)将碳纳米管球磨4小时以上，球磨后碳纳米管平均长度为600～2000纳米且其至少一末端呈开口状；以及(三)将球磨后的碳纳米管与液态基底材料混合并使二者形成固态进而得到热界面材料。
其中在步骤(二)中，所述的球磨碳纳米管的过程在球磨机中进行，当球磨机底盘的转速为400转/秒，内盘的反方向转速为800转/秒，且底盘与内盘的旋转方向每隔20分钟交替变换时，球磨时间为6～20小时。
在步骤(二)中，所述的球磨时间为8～10小时。
在步骤(一)中，所述的碳纳米管的平均长度为1000～1600纳米。
在步骤(一)中进一步提供若干纳米金属微粒和/或纳米陶瓷微粒。
在步骤(三)中，所述的碳纳米管管径为20～60纳米。
在步骤(一)中，所述的碳纳米管的制备方法可采用化学气相沉积法、电弧放电法或激光蒸发法。
在步骤(一)中，所述的基底材料为聚合物材料。
在步骤(一)中，所述的基底材料为双组分硅酮弹性体A、B。
在步骤(三)中，碳纳米管与液态基底材料的混合以及基底材料形成固态的方法为混合硅酮弹性体A与部分碳纳米管，可同时使用超声波进行震荡处理20～40分钟；混合硅酮弹性体B与其它部分碳纳米管，可同时使用超声波进行震荡处理20～40分钟；以及混合含有碳纳米管的硅酮弹性体A和硅酮弹性体B，并将混合后的物质在室温下放置约24小时即可以得到柔软弹性的热界面材料。
与现有技术相比，本发明热界面材料的制备方法通过球磨技术控制碳纳米管的长度，使碳纳米管较短进而控制其具有较大的曲率半径，可有效防止制得的热界面材料中的碳纳米管发生相互缠绕或自我缠绕，从而较充分地利用碳纳米管的纵向导热高的特性，提高制得的热界面材料的导热性。
图1是本发明实施例热界面材料的制备方法的流程图。
图2是由本发明实施例热界面材料的制备方法制备的热界面材料的结构示意图。
图3是图2热界面材料中碳纳米管的透射电子显微镜(Transmission ElectronMicroscope)照片。
具体实施例方式
下面将结合附图详细说明本实施例热界面材料的制备方法及采用该方法制备的热界面材料20的结构。
请参阅图1、图2和图3，本实施例热界面材料的制备方法主要包括以下步骤步骤(一)，提供一定量的碳纳米管24及液态基底材料22；其中，基底材料22为聚合物材料，包括预先为液态经固化或凝固后成固体的有机材料，如硅胶系列、聚乙烯乙二醇、聚酯、树脂系列、缺氧胶系列或压克力胶系列。本实施例中优选道康宁(Dow Corning)公司的双组分硅酮弹性体(具体型号为Sylgard 160)，Sylgard 160混合前为A、B两部分液体组分组成，混合后会固化为柔性弹性体。为了进一步增加热界面材料20的导热特性，在步骤(一)中可以同时提供一些纳米金属微粒或纳米陶瓷微粒26，纳米金属微粒26可为铝、银、铜、氧化铝、氮化铝、氮化硼等微粒，本实施例中优选银微粒。
碳纳米管24可以预先通过化学气相沉积法、电弧放电法或激光蒸发法等现有的技术制备，其管径根据实际需要而定，优选管径为20～60纳米。本实施例中优选化学气相沉积法制备碳纳米管24，首先在基底上形成催化剂，然后在高温下通入碳源气以形成碳纳米管。所述催化剂包括铁、镍、钴、钯等过渡金属。所述碳源气包括甲烷、乙烯、丙烯、乙炔、甲醇及乙醇等。具体方法为以硅为基底，在硅基底上覆盖一层约5纳米厚的铁膜，并在空气中300℃条件下进行退火；然后在化学气相沉积腔体(Chemical Vapor Deposition Chamber)中700℃条件下以乙烯为碳源气生长碳纳米管24。
步骤(二)，将碳纳米管24在球磨机中球磨4小时以上，球磨后碳纳米管24平均长度为600～2000纳米且其至少一末端呈开口状；球磨的目的在于使碳纳米管24的平均长度控制在600～2000纳米，进而控制碳纳米管24的曲率半径。球磨的原理在于通过球磨机底盘与内盘的反方向旋转使固定在内盘上的球磨腔内产生离心力，球磨腔内的金属球在离心力的作用下不断撞击收容在球磨腔内的碳纳米管，碳纳米管在撞击下发生断裂从而使碳纳米管的长度变短且断裂后的碳纳米管至少一末端为开口状(如图3所示)。球磨的时间根据球磨机的各项参数而定，例如，当球磨机底盘的转速为400转/秒，内盘的反方向转速为800转/秒，且底盘与内盘的旋转方向每隔20分钟交替变换，此时，球磨时间优选6～20小时，最优地，球磨时间在8～10小时。
优选地，在球磨的过程中控制碳纳米管24平均长度为1000～1600纳米。
步骤(三)，将球磨后的碳纳米管24与液态基底材料22混合并使二者形成固态进而得到热界面材料20。
碳纳米管24在基底材料22中的质量百分比浓度为0.1～5％。当纳米金属微粒和/或纳米陶瓷微粒26在步骤(一)中被提供时，纳米金属微粒和/或纳米陶瓷微粒26与碳纳米管24、液态基底材料22一起混合。混合过程中，为使碳纳米管24和/或纳米金属微粒和/或纳米陶瓷微粒26在基底材料22中均匀分散，可使用超声波对混合物进行震荡处理20～40分钟。基底材料22与碳纳米管24的混合方法以及基底材料22形成固态的方法根据不同的基底材料22选择不同的方法。本实施例中，当选用双组分硅酮弹性体A、B作为基底材料22时，碳纳米管24与基底材料22的混合以及基底材料22形成固态的方法为混合硅酮弹性体A与部分碳纳米管24，可同时使用超声波进行震荡处理20～40分钟；混合硅酮弹性体B与其它部分碳纳米管24，可同时使用超声波进行震荡处理20～40分钟；以及混合含有碳纳米管24的硅酮弹性体A和硅酮弹性体B，并将混合后的物质在室温下放置24小时左右即可以得到柔软弹性的热界面材料20。
请配合参阅图2，由上述热界面材料的制备方法制得的热界面材料20包含基底材料22和分散在基底22内的若干碳纳米管24。当纳米金属微粒和/或纳米陶瓷微粒26在步骤(一)中被提供时，热界面材料中还包含纳米金属微粒和/或纳米陶瓷微粒26。其中，热界面材料20中碳纳米管24的平均长度为600～2000纳米且其至少一末端为开口状，基底材料22的厚度可根据实际需要设定，优选地，基底材料22厚度小于100微米。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
权利要求
1.一种热界面材料的制备方法，包括以下步骤(一)提供一定量的碳纳米管及液态基底材料；(二)将碳纳米管球磨4小时以上，球磨后碳纳米管的平均长度为600～2000纳米且其至少一末端呈开口状；以及(三)将球磨后的碳纳米管与液态基底材料混合并使二者形成固态进而得到热界面材料。
2.如权利要求1所述的热界面材料的制备方法，其特征在于，在步骤(二)中，所述的球磨碳纳米管的过程在球磨机中进行，当球磨机底盘的转速为400转/秒，内盘的反方向转速为800转/秒，且底盘与内盘的旋转方向每隔20分钟交替变换时，球磨时间为6～20小时。
3.如权利要求2所述的热界面材料的制备方法，其特征在于，在步骤(二)中，所述的球磨时间为8～10小时。
4.如权利要求3所述的热界面材料的制备方法，其特征在于，在步骤(一)中，所述的碳纳米管的平均长度为1000～1600纳米。
5.如权利要求4所述的热界面材料的制备方法，其特征在于，在步骤(一)中进一步提供若干纳米金属微粒和/或纳米陶瓷微粒。
6.如权利要求5所述的热界面材料的制备方法，其特征在于，在步骤(三)中，所述的碳纳米管管径为20～60纳米。
7.如权利要求6所述的热界面材料的制备方法，其特征在于，在步骤(一)中，所述的碳纳米管的制备方法可采用化学气相沉积法、电弧放电法或激光蒸发法。
8.如权利要求7所述的热界面材料的制备方法，其特征在于，在步骤(一)中，所述的基底材料为聚合物材料。
9.如权利要求8所述的热界面材料的制备方法，其特征在于，在步骤(一)中，所述的基底材料为双组分硅酮弹性体A、B。
10.如权利要求9所述的热界面材料的制备方法，其特征在于，在步骤(三)中，碳纳米管与液态基底材料的混合以及基底材料形成固态的方法为混合硅酮弹性体A与部分碳纳米管，可同时使用超声波进行震荡处理20～40分钟；混合硅酮弹性体B与其它部分碳纳米管，可同时使用超声波进行震荡处理20～40分钟；以及混合含有碳纳米管的硅酮弹性体A和硅酮弹性体B，并将混合后的物质在室温下放置24小时即可以得到柔软弹性的热界面材料。
全文摘要
本发明涉及一种热界面材料的制备方法，包括以下步骤(一)提供一定量的碳纳米管及液态基底材料；(二)将碳纳米管球磨4小时以上，球磨后碳纳米管的平均长度为600～2000纳米且其至少一末端呈开口状；以及(三)将球磨后的碳纳米管与液态基底材料混合并使二者形成固态进而得到热界面材料。
文档编号C09K5/14GK101058721SQ20061006034
公开日2007年10月24日 申请日期2006年4月21日 优先权日2006年4月21日
发明者宋鹏程, 刘长洪, 范守善 申请人:清华大学, 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司