專利名稱：熱界面材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱界面材料及其制備方法，尤其涉及一種具有碳納米管的熱界面材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著半導(dǎo)體器件集成工藝的快速發(fā)展，半導(dǎo)體器件的集成化程度越來越高，而器件體積卻變得越來越小，其散熱成為一個(gè)越來越重要的問題，其對散熱的要求也越來越高。為了滿足這些需要，各種散熱方式被大量的運(yùn)用，如利用風(fēng)扇散熱、水冷輔助散熱和熱管散熱等方式，并取得一定的散熱效果，但由于散熱器與半導(dǎo)體集成器件的接觸界面并不平整，一般相互接觸的只有不到2％面積，沒有理想的接觸界面，，從根本上極大地影響了半導(dǎo)體器件向散熱器進(jìn)行熱傳遞的效果，因此在散熱器與半導(dǎo)體器件的接觸界面間增加一導(dǎo)熱系數(shù)較高的熱界面材料來增加界面的接觸程度就顯得十分必要。
傳統(tǒng)的熱界面材料是將一些導(dǎo)熱系數(shù)較高的顆粒分散到聚合物材料中形成復(fù)合材料，如石墨、氮化硼、氧化硅、氧化鋁、銀或其它金屬等。此種材料的導(dǎo)熱性能在很大程度上取決于聚合物載體的性質(zhì)。其中以油脂、相變材料為載體的復(fù)合材料因其使用時(shí)為液態(tài)而能與熱源表面浸潤故接觸熱阻較小，而以硅膠和橡膠為載體的復(fù)合材料的接觸熱阻就比較大。這些材料的一個(gè)普遍缺陷是整個(gè)材料的導(dǎo)熱系數(shù)比較小，典型值在1W/mK，這已經(jīng)越來越不能適應(yīng)半導(dǎo)體集成化程度的提高對散熱的需求，而增加聚合物載體中導(dǎo)熱顆粒的含量使顆粒與顆粒盡量相互接觸可以增加整個(gè)復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，如某些特殊的界面材料因此可達(dá)到4-8W/mK，但當(dāng)聚合物載體中導(dǎo)熱顆粒的含量增加到一定程度時(shí)，會(huì)使聚合物失去所需的性能，如油脂會(huì)變硬，從而浸潤效果會(huì)變差，橡膠也會(huì)變硬，從而失去柔韌性，這都會(huì)使熱界面材料性能大大降低。
為改善熱界面材料的性能，提高其導(dǎo)熱系數(shù)，納米碳球、鉆石粉末以及碳納米管等具有優(yōu)良導(dǎo)熱性能的材料被用做導(dǎo)熱填充材料。Savas Berber等人于2000年在美國物理學(xué)會(huì)上發(fā)表的一篇名為“Unusually High ThermalConductivity of Carbon Nanotubes”的文章指出“Z”形(10，10)碳納米管在室溫下導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)6600W/mK，具體內(nèi)容可參閱文獻(xiàn)Phys.Rev.Lett，vol.84，p.4613。研究如何將碳納米管用于熱界面材料并充分發(fā)揮其優(yōu)良的導(dǎo)熱性成為提高熱界面材料性能的一個(gè)重要方向。
現(xiàn)有技術(shù)中有一種利用碳納米管導(dǎo)熱特性的熱界面材料，將碳納米管摻到基體材料中結(jié)成一體，然后通過模壓方式制成熱界面材料，該熱界面材料的兩導(dǎo)熱表面的面積不相等，其中與散熱器接觸的導(dǎo)熱表面的面積大于與熱源接觸的導(dǎo)熱表面的面積，這樣可有利于散熱器散熱。但是，該方法制成的熱界面材料，碳納米管雜亂無序的排列在基體材料中，其在基體材料中分布的均勻性較難得到保證，因而熱傳導(dǎo)的均勻性也受到影響，而且沒有充分利用碳納米管縱向?qū)岬膬?yōu)勢，影響了熱界面材料的導(dǎo)熱性能。
以及一種制備陣列碳納米管熱界面結(jié)構(gòu)的方法，將平板電容浸入包含無序分布碳納米管的熱塑性聚合物漿料中，調(diào)節(jié)電容平板間距并取出；通過給平板電容加電壓形成電場，使所述平板電容的碳納米管在熱塑性聚合物漿料中定向排列；將所述漿料固化后取出即成為熱界面結(jié)構(gòu)。
雖然，上述現(xiàn)有技術(shù)中所提供的熱界面材料導(dǎo)熱性能有較大提升，但是與預(yù)期效果仍有一定差距。究其原因，上述熱界面材料中的碳納米管很可能只有一小部分的尖端從聚合物材料中露出，甚至完全被聚合物材料包裹起來。因此，碳納米管形成的導(dǎo)熱通路與熱接觸面之間隔有一層熱阻相對較大的聚合物材料，從而導(dǎo)致整個(gè)熱界面材料的熱阻增加，導(dǎo)熱性能不理想。
有鑒于此，提供一種熱阻小，導(dǎo)熱性能優(yōu)異的熱界面材料及其制備方法實(shí)為必要。

發(fā)明內(nèi)容以下，將以若干實(shí)施例說明一種熱界面材料。
以及通過這些實(shí)施例說明一種熱界面材料制備方法。
為實(shí)現(xiàn)上述內(nèi)容，提供一種熱界面材料，其包括一聚合物材料以及分布于該聚合物材料中的多個(gè)碳納米管，該熱界面材料形成有一第一表面及相對于第一表面的第二表面，所述多個(gè)碳納米管兩端分別伸出所述熱界面材料的第一表面及第二表面。
所述聚合物材料包括硅膠系列、聚乙烯乙二醇、聚酯、環(huán)氧樹脂系列、缺氧膠系列或壓克力膠系列。
優(yōu)選，所述多個(gè)碳納米管為一碳納米管陣列。
優(yōu)選，所述多個(gè)碳納米管垂直于所述熱界面材料的第一表面和/或第二表面。
以及，提供一種熱界面材料的制備方法，其包括下述步驟提供多個(gè)碳納米管；在所述多個(gè)碳納米管的上端及下端各形成一保護(hù)層；用聚合物材料填充所述兩端有保護(hù)層的多個(gè)碳納米管；去除所述保護(hù)層，形成熱界面材料。
所述多個(gè)碳納米管生長于一基底。
所述基底材料包括玻璃、硅、金屬及其氧化物。
優(yōu)選，所述多個(gè)碳納米管為一碳納米管陣列。
所述碳納米管陣列的形成方法包括化學(xué)氣相沉積法、沉積法及印刷法。
所述保護(hù)層材料包括壓敏膠。
所述聚合物材料包括硅膠系列、聚乙烯乙二醇、聚酯、環(huán)氧樹脂系列、缺氧膠系列或壓克力膠系列。
優(yōu)選，所述熱界面材料的制備方法進(jìn)一步包括對所述熱界面材料進(jìn)行反應(yīng)離子蝕刻(RIE，Reactive Ion Etching)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)方案的熱界面材料中碳納米管的兩端均露出，所述碳納米管形成的導(dǎo)熱通路可與熱接觸面直接接觸，而不會(huì)被熱阻相對較大的聚合物材料阻隔。因此，所述熱界面材料可進(jìn)一步降低熱阻，提升導(dǎo)熱性能。

圖1是本技術(shù)方案熱界面材料結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本技術(shù)方案熱界面材料的制備流程示意圖。
圖3是本技術(shù)方案生長碳納米管陣列的示意圖。
圖4是圖3中碳納米管陣列上端形成保護(hù)層的示意圖。
圖5是圖4中納米管陣列兩端均形成保護(hù)層的示意圖。
圖6是圖5碳納米管陣列注入聚合物材料的示意圖。
圖7是圖6碳納米管陣列去除保護(hù)層后的示意圖。
圖8是本技術(shù)方實(shí)施例中碳納米管陣列的SEM(Scanning ElectronMicroscope，掃描電子顯微鏡)側(cè)視圖。
圖9是本技術(shù)方實(shí)施例中制備好的熱界面材料的SEM側(cè)視圖。
圖10是本技術(shù)方實(shí)施例中制備好的熱界面材料的SEM俯視圖。
圖11是圖10中熱界面材料經(jīng)反應(yīng)離子蝕刻后的SEM俯視圖。
具體實(shí)施方式下面將結(jié)合附圖對本技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
請參閱圖1，本技術(shù)方案提供一種熱界面材料10，其包括一聚合物材料5以及分布于所述聚合物材料5中的碳納米管陣列2，所述熱界面材料10形成有一第一表面(未標(biāo)示)及相對于第一表面的第二表面(未標(biāo)示)，所述碳納米管陣列2中，碳納米管兩端分別于所述熱界面材料10的第一表面及第二表面露出。
所述聚合物材料5包括硅膠系列、聚乙烯乙二醇、聚酯、環(huán)氧樹脂系列、缺氧膠系列或壓克力膠系列。
優(yōu)選，所述碳納米管陣列2垂直于所述熱界面材料第一表面和第二表面。
請參閱圖2，本技術(shù)方案還提供一種原位注模法(In-situ Injection Molding)作為熱界面材料10的制備方法，其包括下述步驟步驟11，提供一基底1，并于所述基底1上生長一碳納米管陣列2；步驟12，在所述碳納米管陣列2的上端形成一保護(hù)層；步驟13，去除所述基底1，并在所述碳納米管陣列2的下端形成一保護(hù)層；步驟14，用聚合物材料5填充所述有保護(hù)層的碳納米管陣列2；步驟15，去除所述保護(hù)層，形成熱界面材料。
請一并參閱圖3至圖11，本技術(shù)方案結(jié)合實(shí)施例對各步驟進(jìn)行詳細(xì)說明。
步驟11，提供一基底1，并于所述基底1上形成一碳納米管陣列2。所述基底1材料包括玻璃、硅、金屬及其氧化物。所述碳納米管陣列2的形成方法包括化學(xué)氣相沉積法、沉積法及印刷法。本實(shí)施例中采用化學(xué)氣相沉積法，首先在基底1上形成催化劑，然后在高溫下通入碳源氣以形成碳納米管陣列2。所述催化劑包括鐵、鎳、鈷、鈀等過渡金屬。所述碳源氣包括甲烷、乙烯、丙烯、乙炔、甲醇及乙醇等。具體方法為以硅為基底1，在硅基底1上覆蓋一層5nm厚的鐵膜(圖未示)，并在空氣中300℃條件下進(jìn)行退火；然后在化學(xué)氣相沉積腔體(Chemical Vapor Deposition Chamber)中700℃條件下以乙烯為碳源氣生長碳納米管陣列2。所述碳納米管陣列2直立在所述硅基底1上，高度約0.3mm。所述碳納米管陣列2的SEM(Scanning ElectronMicroscope，掃描電子顯微鏡)側(cè)視圖如圖8所示；圖8中插入的圖片為直徑約12nm，具有8層壁的單根多壁碳納米管的HRTEM(High ResolutionTransmission Electron Microscopy，高分辨穿透式電子顯微鏡)圖。
步驟12，在所述碳納米管陣列2的上端形成一保護(hù)層。通過覆蓋一保護(hù)層將所述碳納米管陣列2中碳納米管的上端保護(hù)起來，所述保護(hù)層包括壓敏膠。本實(shí)施例中采用壓敏膠3(Pressure Sensitive Adhesive)作為保護(hù)層。具體方法為在一聚酯片4(Polyester Film)上涂覆一層約0.05mm的壓敏膠3，將所述聚酯片4置于所述碳納米管陣列2的上方，輕壓所述聚酯片4，使所述聚酯片4上涂覆的壓敏膠3覆蓋所述碳納米管陣列2的上端，從而形成一保護(hù)層。本實(shí)施例中壓敏膠3選用撫順輕工業(yè)科學(xué)研究所的壓敏膠材料(具體型號為YM881)。
步驟13，去除所述基底1，并在所述碳納米管陣列2的下端形成一保護(hù)層。揭去所述碳納米管陣列2下端的基底1，以步驟12的方式在所述碳納米管陣列2的下端同樣形成一保護(hù)層，從而形成類注模模具的上下端都有保護(hù)層的碳納米管陣列2。
步驟14，用聚合物材料5填充所述有保護(hù)層的碳納米管陣列2。將所述兩端有防護(hù)層的碳納米管陣列2浸入聚合物材料5的溶液或熔融液中，使所述聚合物材料5填充所述兩端有防護(hù)層的碳納米管陣列2的空隙，然后取出所述碳納米管陣列2，在真空下將所述碳納米管陣列2中填充的聚合物材料5固化或凝固。所述聚合物材料5包括硅膠系列、聚乙烯乙二醇、聚酯、環(huán)氧樹脂系列、缺氧膠系列或壓克力膠系列。本實(shí)施例中，所述聚合物材料5選用道康寧(Dow Corning)公司的雙組分硅酮彈性體(具體型號為Sylgard160)。Sylgard 160混合前為A、B兩部分液體組分組成，混合后會(huì)固化為柔性彈性體。將所述兩端有防護(hù)層的碳納米管陣列2浸入Sylgard 160的溶液中，所述溶液中Sylgard 160的A、B兩部分液體組分與乙酸乙酯的體積比為1∶1∶1。將填充后的碳納米管陣列2取出后置于真空腔中，在室溫下固化24小時(shí)。所述碳納米管陣列2中填充Sylgard 160后的SEM側(cè)視圖如圖8所示，可以看出，所述碳納米管陣列2的形態(tài)基本未變。
步驟15，去除所述保護(hù)層，形成熱界面材料。所述聚酯片4可直接揭去，剩余的壓敏膠3可選用有機(jī)溶劑溶解消去，從而形成熱界面材料10。本實(shí)施例中，選用二甲苯作為有機(jī)溶劑溶解所述壓敏膠3。此時(shí)熱界面材料10的SEM俯視圖如圖9所示，所述碳納米管陣列2中大部分碳納米管的尖端露出所述熱界面材料10的表面。
本技術(shù)方案還可進(jìn)一步包括一反應(yīng)離子蝕刻步驟，以確保所述碳納米管陣列2中所有碳納米管的尖端露出所述熱界面材料10的表面。本實(shí)施例中采用O2等離子體在壓力為6Pa，功率為150W的條件下對所述熱界面材料第一表面及第二表面分別處理15分鐘，所述熱界面材料經(jīng)過反應(yīng)離子蝕刻后的SEM俯視圖如圖10所示。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)方案的熱界面材料10中碳納米管陣列2中的碳納米管兩端均從熱界面材料10的表面露出，所述碳納米管形成的導(dǎo)熱通路可與熱接觸面直接接觸，而不會(huì)被熱阻相對較大的聚合物材料阻隔。因此，所述熱界面材料可進(jìn)一步降低熱阻，提升導(dǎo)熱性能。
可以理解的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案和技術(shù)構(gòu)思做出其他各種相應(yīng)的改變和變形，而所有這些改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種熱界面材料，其包括一聚合物材料以及分布于該聚合物材料中的多個(gè)碳納米管，該熱界面材料形成有一第一表面及相對于第一表面的第二表面，其特征在于，所述多個(gè)碳納米管兩端分別伸出所述熱界面材料的第一表面及第二表面。
2.如權(quán)利要求1所述的熱界面材料，其特征在于，所述聚合物材料包括硅膠系列、聚乙烯乙二醇、聚酯、環(huán)氧樹脂系列、缺氧膠系列或壓克力膠系列。
3.如權(quán)利要求2所述的熱界面材料，其特征在于，所述多個(gè)碳納米管為一碳納米管陣列。
4.如權(quán)利要求1所述的熱界面材料，其特征在于，所述多個(gè)碳納米管垂直于所述熱界面材料第一表面和/或第二表面。
5.一種熱界面材料的制備方法，其包括下述步驟提供多個(gè)碳納米管；在所述多個(gè)碳納米管的上端及下端各形成一保護(hù)層；用聚合物材料填充所述兩端有保護(hù)層的多個(gè)碳納米管；去除所述保護(hù)層，形成熱界面材料。
6.如權(quán)利要求5所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述多個(gè)碳納米管生長于一基底。
7.如權(quán)利要求6所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述基底材料包括玻璃、硅、金屬及其氧化物。
8.如權(quán)利要求7所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述多個(gè)碳納米管為一碳納米管陣列。
9.如權(quán)利要求8所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述碳納米管陣列的形成方法包括化學(xué)氣相沉積法、沉積法及印刷法。
10.如權(quán)利要求9所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述化學(xué)氣相沉積法采用的催化劑包括鐵、鎳、鈷、鈀。
11.如權(quán)利要求9所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述化學(xué)氣相沉積法采用的碳源氣包括甲烷、乙烯、丙烯、乙炔、甲醇及乙醇。
12.如權(quán)利要求5所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述保護(hù)層材料包括壓敏膠。
13.如權(quán)利要求5所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述聚合物材料包括硅膠系列、聚乙烯乙二醇、聚酯、環(huán)氧樹脂系列、缺氧膠系列或壓克力膠系列。
14.如權(quán)利要求13所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述聚合物材料填充方法包括將所述兩端有保護(hù)層的多個(gè)碳奈米管浸入所述聚合物材料的溶液或熔融液中。
15.如權(quán)利要求14所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述熱界面材料的制備方法還包括固化所述兩端有保護(hù)層的多個(gè)碳奈米管中填充的聚合物材料。
16.如權(quán)利要求5至15中任意一項(xiàng)所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述熱界面材料的制備方法還包括進(jìn)一步對所述熱界面材料進(jìn)行反應(yīng)離子蝕刻。
17.如權(quán)利要求16所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述反應(yīng)離子蝕刻包括O2等離子體蝕刻。
全文摘要
本發(fā)明提供一種熱界面材料，其包括一聚合物材料以及分布于該聚合物材料中的多個(gè)碳納米管，該熱界面材料形成有一第一表面及相對于第一表面的第二表面，所述多個(gè)碳納米管兩端分別伸出所述熱界面材料的第一表面及第二表面。本發(fā)明還提供所述熱界面材料的制備方法。
文檔編號C04B35/52GK1837147SQ20051003384
公開日2006年9月27日 申請日期2005年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月24日
發(fā)明者黃華, 吳揚(yáng), 劉長洪, 范守善 申請人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司