專利名稱：熱介面材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱介面材料及其制備方法，尤其涉及一種利用納米材料的熱介面材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，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(lái)越高，器件體積變得越來(lái)越??；其散熱成為一個(gè)越來(lái)越重要的問(wèn)題，其對(duì)散熱的要求也越來(lái)越高。為滿足器件的散熱需求，各種散熱方式被大量運(yùn)用，如利用風(fēng)扇散熱、水冷輔助散熱及熱管散熱等方式，并取得一定的散熱效果。但是，由于散熱器與半導(dǎo)體器件的接觸介面并不平整，沒(méi)有一個(gè)較理想的接觸介面；一般相互接觸的只有不到2％面積，其極大影響半導(dǎo)體器件向散熱器進(jìn)行熱傳遞的效果，從而在散熱器與半導(dǎo)體器件的物理接觸介面間增加一導(dǎo)熱系數(shù)較高的熱介面材料(Thermal Interface Material，TIM)來(lái)增加該介面的接觸程度就顯得十分必要。
傳統(tǒng)的熱介面材料是將一些導(dǎo)熱系數(shù)較高的金屬或陶瓷等顆粒填充物(Particle filler)分散到基體材料(Matrix Material)中而形成復(fù)合材料。其中，導(dǎo)熱系數(shù)較高的金屬有銀、銅、鋁、鉍、銦、錫、鋅等；導(dǎo)熱系數(shù)較高的陶瓷有氧化鋁、氮化硼、氮化鋁、三氧化二硼、氧化鋅等；基體材料包括硅膠、聚硅氧烷樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酯、聚脂油、聚氨基甲酸酯、聚亞醯胺、聚丙烯酸類等。
但是，上述金屬或陶瓷顆粒填充物導(dǎo)熱系數(shù)仍不夠高(例如金屬銀的導(dǎo)熱系數(shù)為428W/K·m)，從而熱介面材料整體導(dǎo)熱性能較差，不能適應(yīng)半導(dǎo)體高集成、高性能化對(duì)散熱性能的需求。

發(fā)明內(nèi)容下面將以實(shí)施例說(shuō)明一種高導(dǎo)熱性能的熱介面材料。
以及，通過(guò)實(shí)施例說(shuō)明一種高導(dǎo)熱性能的熱介面材料的制備方法。
為實(shí)現(xiàn)以上內(nèi)容，提供一熱介面材料，其包括一基體及分布在該基體中的納米復(fù)合材料。其中，納米復(fù)合材料包括納米纖維及分布在該納米纖維內(nèi)、外管壁的導(dǎo)熱顆粒。
所述基體材料選自硅膠、聚硅氧烷樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酯、聚脂油、聚氨基甲酸酯、聚亞醯胺或聚丙烯酸類等高分子材料。
所述納米纖維選自碳納米管、碳納米線或碳纖維。
所述導(dǎo)熱顆粒材料選自金屬或陶瓷。
所述導(dǎo)熱顆粒粒徑為微米級(jí)，優(yōu)選為納米級(jí)。
以及，提供一熱介面材料的制備方法，其包括以下步驟提供一基體；制備納米復(fù)合材料；使制得的納米復(fù)合材料分散在所述基體中；將上述分散在基體中的納米復(fù)合材料切片，以形成一熱介面材料。
所述制備納米復(fù)合材料步驟具體包括將納米纖維與金屬離子溶液混合；對(duì)上述混合溶液進(jìn)行攪拌的同時(shí)，加入還原劑還原出金屬顆粒；分離出上述固態(tài)產(chǎn)物，即為納米復(fù)合材料。
所述金屬離子溶液包括AgNO3溶液、Cu(NO3)2溶液、CuCl2溶液。
所述還原劑包括聯(lián)胺、硼氫化鈉、氰硼氫化鈉、氯化亞錫、鹽酸羥胺。
所述分離是通過(guò)過(guò)濾法、離心法等固液相分離方式進(jìn)行分離。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實(shí)施例所提供的熱介面材料的填充物納米復(fù)合材料包括納米纖維(如碳納米管)及分布在該碳納米管內(nèi)、外管壁的導(dǎo)熱顆粒(如納米銀顆粒)。由于碳納米管沿一維管壁軸向具有極高導(dǎo)熱性能(導(dǎo)熱系數(shù)k值可達(dá)6000W/K·m)，故使用上述納米復(fù)合材料作為填充劑的熱介面材料具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能；在碳納米管內(nèi)壁上沉積納米級(jí)銀顆粒相當(dāng)于在其內(nèi)部填充高導(dǎo)熱性能材料，進(jìn)一步提高整體熱介面材料的導(dǎo)熱性能。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例中納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例中熱介面材料的組成示意圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例中熱介面材料制備流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
請(qǐng)參見(jiàn)圖1及圖2，圖1是本實(shí)施例中納米復(fù)合材料20的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本實(shí)施例中熱介面材料1的組成示意圖。本發(fā)明第一實(shí)施例提供一種熱介面材料1，其包括一基體10及分布在基體10中的納米復(fù)合材料20。其中，納米復(fù)合材料20包括納米纖維21及分布在納米纖維21內(nèi)、外管壁的導(dǎo)熱顆粒22。
基體10材料可選自硅膠、聚硅氧烷樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酯、聚脂油、聚氨基甲酸酯、聚亞醯胺或聚丙烯酸類等高分子材料。納米纖維21可選自碳納米管、碳納米線、碳纖維等纖維材料。導(dǎo)熱顆粒22材料可選自如銀、銅、鋁、鉍、銦、錫或鋅等金屬或如氧化鋁、氮化硼、氮化鋁、三氧化二硼、氧化鋅等陶瓷。導(dǎo)熱顆粒22粒徑為微米級(jí)，優(yōu)選為納米級(jí)，進(jìn)一步優(yōu)選為1～100nm。本實(shí)施例中基體10材料為硅膠；納米纖維21為碳納米管；導(dǎo)熱顆粒22材料為銀，其粒徑為50nm。
納米復(fù)合材料20包括碳納米管及分布在該碳納米管內(nèi)、外管壁的納米銀顆粒。由于碳納米管沿一維管壁軸向具有極高導(dǎo)熱性能(導(dǎo)熱系數(shù)k值可達(dá)6000W/K·m)，比金屬銀(導(dǎo)熱系數(shù)k值為428W/K·m)導(dǎo)熱性能好得多，所以，使用上述納米復(fù)合材料20作為填充劑的熱介面材料1具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能；即使由于加工等原因，碳納米管并非全部沿垂直于熱介面材料1與待散熱元件(圖未示)相接觸的表面分布時(shí)，分布在該碳納米管內(nèi)、外管壁的納米級(jí)銀顆粒亦可幫助熱介面材料1達(dá)到較高的導(dǎo)熱性能；碳納米管內(nèi)部中空，通常狀況下充滿導(dǎo)熱性能較差的空氣或硅膠，在其內(nèi)壁上填充納米級(jí)銀顆粒相當(dāng)于在其內(nèi)部填充高導(dǎo)熱性能材料，從而提高空間利用率，進(jìn)一步提高熱介面材料1整體的導(dǎo)熱性能。
下面，將詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例的熱介面材料1的制備方法，請(qǐng)參閱圖3。該熱介面材料1的制備方法包括以下步驟步驟100提供一基體10?；w10材料可選自硅膠、聚硅氧烷樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酯、聚脂油、聚氨基甲酸酯、聚亞醯胺或聚丙烯酸類等高分子材料。
步驟200制備納米復(fù)合材料20。本實(shí)施例是利用化學(xué)還原法還原出微米等級(jí)或納米等級(jí)的銀顆粒，并將該還原出的銀顆粒沉積在碳納米管的內(nèi)、外管壁上而形成納米復(fù)合材料20，其制備流程具體如下所述首先，將碳納米管與金屬離子溶液(Mn+)混合。碳納米管可采用電弧放電法、氣相生長(zhǎng)法或激光法制備。金屬離子溶液(Mn+)可為AgNO3溶液、Cu(NO3)2溶液或CuCl2溶液等，本實(shí)施例中選用AgNO3溶液，其濃度參考碳納米管及欲達(dá)到的導(dǎo)熱性能而定。
然后，將銀顆粒沉積在碳納米管內(nèi)、外管壁上。具體地，將上述混合溶液均勻攪拌，且在攪拌過(guò)程中，緩慢加入含有還原劑(R)的溶液，并繼續(xù)攪拌至反應(yīng)完全，其反應(yīng)可由下式表示
被還原出的微米級(jí)或納米級(jí)金屬顆?；蚍稚⒃诜磻?yīng)溶液中，或沉積在碳納米管內(nèi)、外管壁中形成納米復(fù)合材料20。還原劑R可為聯(lián)胺(N2H4)、硼氫化鈉(NaBH4)、氰硼氫化鈉(NaBH3CN)、氯化亞錫(SnCl2)、鹽酸羥胺(H3No.HCl)等。另外，通過(guò)控制金屬離子溶液與還原劑溶液的濃度及反應(yīng)狀態(tài)，如溶液酸堿值、溫度等、或添加介面活性劑、穩(wěn)定試劑等添加劑，可控制金屬顆粒的尺寸大小。
最后，分離出上述固體產(chǎn)物，即為納米復(fù)合材料20。將反應(yīng)完全的溶液中納米復(fù)合材料、微納米金屬產(chǎn)物與反應(yīng)溶液進(jìn)行分離，即將溶液進(jìn)行過(guò)濾，以分離出固相與液相，并繼續(xù)加入適當(dāng)溶劑洗去固相產(chǎn)物表面的還原劑及雜質(zhì)。該分離方法不限于過(guò)濾方式，其它如離心等固液相分離方式也適用。
步驟300將制得的納米復(fù)合材料20分散在基體10中。具體地，將上述納米復(fù)合材料20與基體(硅膠)10均勻混合在一起并固化，以將納米復(fù)合材料20分散在基體10中。
步驟400，將上述分散在硅膠中的納米復(fù)合材料切片，以形成一熱介面材料。具體地，利用生物醫(yī)學(xué)成熟的精確微米級(jí)切片技術(shù)，將上述分散在硅膠中的納米復(fù)合材料進(jìn)行切片，以獲取一定厚度(如50微米)的熱介面材料1(參見(jiàn)圖2)。熱介面材料1的厚度可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要確定。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，如采用其它材質(zhì)纖維或其它基體材料等設(shè)計(jì)，只要其不偏離本發(fā)明的實(shí)施效果即可。
權(quán)利要求
1.一種熱介面材料，其包括一基體；分布在該基體中的納米復(fù)合材料；其特征在于，該納米復(fù)合材料包括納米纖維及分布在該納米纖維管壁上的導(dǎo)熱顆粒。
2.如權(quán)利要求1所述的熱介面材料，其特征在于，所述納米纖維管壁包括納米纖維內(nèi)、外管壁。
3.如權(quán)利要求1或2所述的熱介面材料，其特征在于，所述基體材料選自高分子材料。
4.如權(quán)利要求1或2所述的熱介面材料，其特征在于，所述納米纖維選自碳納米管、碳納米線或碳纖維。
5.如權(quán)利要求1或2所述的熱介面材料，其特征在于，所述導(dǎo)熱顆粒材料選自金屬或陶瓷。
6.如權(quán)利要求1或2所述的熱介面材料，其特征在于，所述導(dǎo)熱顆粒粒徑為微米級(jí)。
7.如權(quán)利要求1或2所述的熱介面材料，其特征在于，所述導(dǎo)熱顆粒粒徑為納米級(jí)。
8.一種熱介面材料的制備方法，其包括以下步驟提供一基體；制備納米復(fù)合材料；將制得的納米復(fù)合材料分布在所述基體中；將上述分散在硅膠中的納米復(fù)合材料切片，以形成一熱介面材料。
9.如權(quán)利要求8所述的熱介面材料的制備方法，其特征在于，所述納米復(fù)合材料包括納米纖維及分布在該納米纖維管壁上的導(dǎo)熱顆粒。
10.如權(quán)利要求9所述的熱介面材料的制備方法，其特征在于，所述導(dǎo)熱顆粒是通過(guò)化學(xué)還原法制備而成。
11.如權(quán)利要求8、9或10所述的熱介面材料的制備方法，其特征在于，所述制備納米復(fù)合材料步驟具體包括將納米纖維與金屬離子溶液混合；對(duì)上述混合溶液進(jìn)行攪拌的同時(shí)，加入還原劑還原出金屬顆粒；分離出上述固體產(chǎn)物，即為納米復(fù)合材料。
12.如權(quán)利要求11所述的熱介面材料的制備方法，其特征在于，所述金屬離子溶液包括AgNO3溶液、Cu(NO3)2溶液、CuCl2溶液。
13.如權(quán)利要求11所述的熱介面材料的制備方法，其特征在于，所述還原劑包括聯(lián)胺、硼氫化鈉、氰硼氫化鈉、氯化亞錫、鹽酸羥胺。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱介面材料及其制備方法。該熱介面材料包括基體及分布在該基體中的納米復(fù)合材料。其中，納米復(fù)合材料包括納米纖維及分布在納米纖維內(nèi)、外管壁的導(dǎo)熱顆粒。所述納米纖維選自碳納米管、碳納米線或碳纖維。所述導(dǎo)熱顆粒粒徑為微米級(jí)，優(yōu)選為納米級(jí)。另，本發(fā)明還提供上述熱介面材料的制備方法。
文檔編號(hào)C09K5/14GK1854241SQ20051003447
公開日2006年11月1日 申請(qǐng)日期2005年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月28日
發(fā)明者董才士 申請(qǐng)人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司