專(zhuān)利名稱(chēng)：一種熱界面材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種熱界面材料，特別涉及一種改善熱源與散熱裝置之間接觸面以提高散熱性能的熱界面材料及其制造方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路的密集化及微型化程度越來(lái)越高，電子元件變得更小及以更高速度運(yùn)行，使其對(duì)散熱的要求越來(lái)越高。因此，為盡快將熱量從熱源散發(fā)出去，在電子元件表面安裝一散熱裝置成為業(yè)內(nèi)普遍的做法，其利用散熱裝置材料的高熱傳導(dǎo)性能，將熱量迅速向外部散發(fā)，但是，散熱裝置與熱源表面的接觸經(jīng)常存在一定間隙，使散熱裝置與熱源表面未能緊密接觸，成為散熱裝置散熱的一大缺陷。針對(duì)散熱裝置與熱源表面的接觸問(wèn)題，業(yè)內(nèi)應(yīng)對(duì)辦法一般是在電子元件與散熱裝置之間添加一熱界面材料，通常即導(dǎo)熱膠，利用導(dǎo)熱膠的可壓縮性及高導(dǎo)熱性能使電子元件產(chǎn)生的熱量迅速傳到散熱裝置，然后再通過(guò)散熱裝置把熱量散發(fā)出去。該方法還可在導(dǎo)熱膠內(nèi)添加高導(dǎo)熱性材料以增加導(dǎo)熱效果。但是，當(dāng)電子元件釋放熱量而達(dá)到高溫時(shí)，導(dǎo)熱膠與電子元件材質(zhì)所發(fā)生熱變形并不一致，這將直接導(dǎo)致導(dǎo)熱膠與電子元件的接觸面積降低，從而抑制其散熱效果。
由于傳統(tǒng)導(dǎo)熱膠不能滿(mǎn)足當(dāng)前快速散熱要求，因而業(yè)內(nèi)多轉(zhuǎn)向能改善電子元件與散熱裝置的接觸，減小此接觸界面間距的熱界面材料，以提高整體熱傳導(dǎo)效率。如美國(guó)專(zhuān)利第6,294,408號(hào)專(zhuān)利提供了一種控制傳熱接觸界面間距的方法，該專(zhuān)利認(rèn)為熱傳導(dǎo)過(guò)程中，熱界面材料與散熱裝置的接觸界面間距產(chǎn)生的熱阻為電子元件散熱的最大熱阻，因而有必要控制其接觸界面間距以提高導(dǎo)熱效果。該間距控制方法是用機(jī)械方法將一厚度比電子元件與散熱底座之間間距稍厚的熱界面材料壓縮，使熱界面材料最終厚度跟電子元件與散熱底座之間間距相等，從而達(dá)到控制熱傳界面間距以提高導(dǎo)熱效率。但是，該方法是在室溫下實(shí)施，因此，當(dāng)電子元件工作達(dá)到較高溫度時(shí)，由于熱界面材料與電子元件及散熱底座具有不同的熱擴(kuò)散系數(shù)及熱形變效應(yīng)，勢(shì)必引起熱界面材料與電子元件及散熱底座之間間距增大，直接導(dǎo)致散熱效果下降。
為提高電子元件工作溫度時(shí)熱界面材料的接觸緊密性，減小界面之間距，也有在熱界面材料中添加高導(dǎo)熱系數(shù)的顆粒，并對(duì)硅膠、橡膠等基體進(jìn)行改性處理。如美國(guó)專(zhuān)利第6,605,238號(hào)或中國(guó)大陸專(zhuān)利第00812789.1號(hào)所揭露的一種柔軟且可交聯(lián)的熱界面材料，該材料是將馬來(lái)酐加合到橡膠中，并添加銀、銅、鋁或金屬氮化物、碳纖維及其混合物等高熱傳導(dǎo)性材料。當(dāng)處于電子元件高溫工作環(huán)境時(shí)，該熱界面材料中的烯烴受熱活化會(huì)交聯(lián)而形成一種軟凝膠，避免了熱脂類(lèi)熱界面材料的高溫下界面脫層。然而該熱界面材料的填料含量高達(dá)95wt％以上，橡膠含量較少，并不能完整地體現(xiàn)橡膠的特性，降低橡膠粘性，減小其扣合力。而且反復(fù)熱循環(huán)使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，橡膠將會(huì)變硬并最終老化，直接導(dǎo)致該熱界面材料性能下降。
有鑒于此，提供一種厚度薄、熱傳導(dǎo)性能優(yōu)良及導(dǎo)熱效率高，在電子元件工作溫度下能保持緊密接合形狀的熱界面材料實(shí)為必要。

發(fā)明內(nèi)容為克服先前技術(shù)中熱界面材料與電子元件及散熱裝置之間接合不緊密，熱界面材料導(dǎo)熱效果不良等問(wèn)題，本發(fā)明目的在于提供一種厚度薄、熱傳導(dǎo)性能優(yōu)良及導(dǎo)熱效率高的熱界面材料。
本發(fā)明的另一目的在于提供這種熱界面材料的制造方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種熱界面材料，其包括一薄膜及一緊貼該薄膜的導(dǎo)熱膠，該導(dǎo)熱膠可為一銀膠或硅膠。其中該薄膜包括形狀記憶合金，該形狀記憶合金可選自NiTiCu、CuAlNi、CuAlZn、NiTiAlCu、NiTiAlZn或NiTiAlZnCu等納米合金。該薄膜厚度范圍為100～2000納米，以500～1000納米為佳；形狀記憶合金顆粒大小范圍為10～100納米，以20～40納米為佳。
本發(fā)明還涉及該熱界面材料的制造方法，其可包括以下步驟提供一基座，其可為一具一表面的散熱裝置基座；在熱源工作溫度及一定真空度下，在基座表面沉積一形狀記憶合金薄膜；提供一導(dǎo)熱膠，其可為銀膠或硅膠；將該導(dǎo)熱膠與薄膜緊密扣合，即形成熱界面材料。
上述制造方法中熱源工作溫度可通過(guò)熱源工作時(shí)所產(chǎn)生的熱流計(jì)算而得，沉積可采用濺射沉積，并保持基座自轉(zhuǎn)，以使其表面濺射均勻。
另外，該制造方法中導(dǎo)熱膠與薄膜緊密扣合時(shí)所需扣合力為49～294牛頓，且以98～137牛頓為佳。
與先前的熱界面材料相比，本發(fā)明提供的熱界面材料是由形狀記憶合金組成，該形狀記憶合金在相應(yīng)電子元件工作溫度下沉積形成，當(dāng)使用時(shí)，熱界面材料在電子元件工作溫度時(shí)將恢復(fù)其沉積時(shí)緊密接合形狀，即可增加導(dǎo)熱效率。避免先前技術(shù)中電子元件溫度上升時(shí)熱界面材料與的接觸面積下降，以至于導(dǎo)熱效率下降的問(wèn)題。另外，本發(fā)明提供的熱界面材料采用微米級(jí)厚度的納米合金，利用其大表面積及納米尺寸效應(yīng)，并在合金中添加有如鋁銅等高導(dǎo)熱性材料，最終可提高該熱界面材料的導(dǎo)熱性能。

圖1是本發(fā)明所提供的形成有熱界面材料的基座的示意圖。
圖2是本發(fā)明的熱界面材料應(yīng)用示意圖。
圖3是本發(fā)明的熱界面材料形成時(shí)與基座接觸界面的截面放大示意圖。
圖4是本發(fā)明的熱界面材料非工作狀態(tài)時(shí)與基座接觸界面的截面放大示意圖。
圖5是本發(fā)明的熱界面材料工作時(shí)與基座接觸界面的截面放大示意圖。
圖6是本發(fā)明的熱界面材料制造方法流程圖。
具體實(shí)施方式請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明提供的熱界面材料10形成在散熱基座21的基座表面22上。該熱界面材料10包括一形成在基座表面22的薄膜12；及一緊貼于該薄膜12的導(dǎo)熱膠13，該導(dǎo)熱膠13可包含一銀膠或硅膠，如G751膠(產(chǎn)于Shin-Etsu公司)。其中該薄膜12是由形狀記憶合金11組成，在電子元件工作溫度下采用濺射沉積方法形成于基座表面22上，該方法可使該熱界面材料10與基座21緊密接合成為一體。其中，該形狀記憶合金11可選自NiTiCu、CuAlNi、CuAlZn、NiTiAlCu、NiTiAlZn或NiTiAlZnCu等納米合金；該薄膜12厚度范圍為100～2000納米，以500～1000納米為佳；形狀記憶合金11顆粒大小范圍為10～100納米，并以20～40納米為佳。本發(fā)明選用納米NiTiCu合金作為形狀記憶合金。
請(qǐng)參閱圖2，即本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用示意圖。熱界面材料10位于電子元件30與散熱裝置20之間，且熱界面材料10藉由薄膜12與基座21結(jié)合成為一體，然后與電子元件30相貼靠。工作時(shí)由發(fā)熱源電子元件30所產(chǎn)生的熱量，先經(jīng)熱界面材料10的導(dǎo)熱膠13傳到薄膜12，再傳到散熱裝置20，其中，由于組成薄膜12的形狀記憶合金11(圖未標(biāo))具有形狀記憶功能，即能記憶熱源工作溫度下的緊密接合形狀，使得薄膜12保持與散熱裝置20緊密接合，以將熱量迅速高效地傳導(dǎo)到散熱裝置20，并通過(guò)散熱裝置20散發(fā)出去，從而達(dá)到將電子元件30的熱量及時(shí)散發(fā)出，保證電子元件30正常運(yùn)作的目的。
本發(fā)明是基于形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)(SME，Shape Memory Effect)來(lái)實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱美國(guó)第6,689,486號(hào)專(zhuān)利及中國(guó)第02136712.4號(hào)公開(kāi)專(zhuān)利申請(qǐng)。該效應(yīng)使合金由低溫馬氏體相轉(zhuǎn)向較高溫度時(shí)奧氏體相過(guò)程中發(fā)生晶相形變，與一般錯(cuò)位變形不同之處在于該晶相形變受熱時(shí)或處于熱流循環(huán)中能夠恢復(fù)原來(lái)較高溫度時(shí)奧氏體相形狀，且該變形是可逆變化過(guò)程，即在低溫下，合金也會(huì)由較高溫度的奧氏體相轉(zhuǎn)向低溫馬氏體相。因此，利用此形狀記憶效應(yīng)，只需使熱界面材料在熱源工作溫度下形成，即可使低溫或室溫下發(fā)生變形后的熱界面材料在發(fā)熱源工作時(shí)恢復(fù)到制造時(shí)緊密接合狀態(tài)。從而保證熱量快速高效地散發(fā)出。
結(jié)合上述原理，請(qǐng)一并參閱圖3、圖4及圖5，詳細(xì)說(shuō)明熱界面材料10與基座的扣合狀況。在電子元件30工作熱循環(huán)溫度下，濺射沉積形成與基座21緊貼成為一體的含薄膜12及導(dǎo)熱膠13的熱界面材料10，此時(shí)，該熱界面材料10的薄膜12含有較高溫度時(shí)的奧氏體相，熱界面材料10處于與基座表面22緊密接合的形狀(如圖3所示)，使得熱界面材料10與基座表面22密切扣合。而電子元件30處于未工作狀況，如室溫時(shí)，受溫度影響，薄膜12將由較高溫度的奧氏體相轉(zhuǎn)向低溫馬氏體相，則薄膜12處于與基座表面22未緊密接合的形狀，使得熱界面材料10與基座21接觸的表面(圖未標(biāo)示)并未與基座表面22密切扣合(如圖4所示)。當(dāng)電子元件30處于工作狀況下，即熱界面材料10處于電子元件30工作熱循環(huán)溫度時(shí)，由于溫度回升，薄膜12發(fā)生相變，由低溫馬氏體相轉(zhuǎn)到較高溫度時(shí)的奧氏體相，從而恢復(fù)至形成時(shí)與基座表面22緊密接合的形狀，達(dá)到與基座21密切扣合的效果，從而提高熱界面材料10的導(dǎo)熱效率(如圖5所示)。
請(qǐng)參閱圖6，本發(fā)明所提供熱界面材料的制造方法包括以下步驟提供一基座，其可為一具一表面的散熱裝置基座；
在熱源工作溫度及一定真空度下，在基座表面沉積一形狀記憶合金薄膜；提供一導(dǎo)熱膠，其可為銀膠或硅膠；將該導(dǎo)熱膠與薄膜緊密扣合，即形成熱界面材料。
其中，該形狀記憶合金可選自NiTiCu、CuAlNi、CuAlZn、NiTiAlCu、NiTiAlZn或NiTiAlZnCu等納米合金，本發(fā)明選用NiTiCu作為形狀記憶合金。導(dǎo)熱膠與薄膜緊密扣合時(shí)所需扣合力為49～294牛頓，且以98～137牛頓為佳。
另外，該薄膜的沉積可采用直流磁控濺射(DC Magnetron SputteringSystem)、共濺射(Co-Sputtering System)射頻濺射(RF sputtering System)或脈沖鐳射蒸鍍(Pulsed Laser Deposition)等方法來(lái)完成。濺射沉積時(shí)可保持基座自轉(zhuǎn)，以使其表面濺射均勻。濺射系統(tǒng)的真空度低于8×10-6托，以5×10-7托真空度為佳；沉積時(shí)熱源工作溫度為其工作熱循環(huán)時(shí)溫度，熱源工作溫度可通過(guò)熱源工作時(shí)產(chǎn)生的熱流計(jì)算所得，如CPU，工作溫度通常在50～100℃之間，本發(fā)明采用90℃(CPU散熱為120W時(shí)溫度)為熱源工作溫度。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的熱界面材料是由形狀記憶合金組成，利用其形狀記憶效應(yīng)、大表面積及納米尺寸效應(yīng)，使該熱界面材料具有優(yōu)良熱傳導(dǎo)性能及高導(dǎo)熱效率。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，凡熟悉本案技藝的人士，依本案發(fā)明精神所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)包含在以下的專(zhuān)利權(quán)利要求書(shū)內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種熱界面材料，其包括一薄膜及一緊貼該薄膜的導(dǎo)熱膠，其特征在于該薄膜包括形狀記憶合金，可用于形成在散熱裝置的基座表面上。
2.如權(quán)利要求1所述的熱界面材料，其特征在于該形狀記憶合金可選自NiTiCu、CuAlNi、CuAlZn、NiTiAlCu、NiTiAlZn或NiTiAlZnCu納米合金。
3.如權(quán)利要求1所述的熱界面材料，其特征在于該薄膜厚度范圍為100～2000納米。
4.如權(quán)利要求2所述的熱界面材料，其特征在于該形狀記憶合金顆粒大小范圍為10～100納米。
5.一種熱界面材料制造方法，其特征在于該方法可包括以下步驟提供一基座；在熱源工作溫度及一定真空度下，在基座表面沉積一形狀記憶合金薄膜；提供一導(dǎo)熱膠；將該導(dǎo)熱膠與薄膜緊密扣合，形成熱界面材料。
6.如權(quán)利要求5所述的熱界面材料制造方法，其特征在于該薄膜的沉積可采用直流磁控濺射、共濺射、射頻濺射或脈沖鐳射蒸鍍方法來(lái)完成。
7.如權(quán)利要求5所述的熱界面材料制造方法，其特征在于該濺射室內(nèi)真空度低于8×10-6托。
8.如權(quán)利要求5所述的熱界面材料及其制造方法，其特征在于該導(dǎo)熱膠與形狀記憶合金薄緊密扣合時(shí)所需力為49～294牛頓。
9.如權(quán)利要求6所述的熱界面材料制造方法，其特征在于該方法可在濺射沉積的同時(shí)保持基座自轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種熱界面材料，其包括一薄膜及一緊貼于該薄膜的導(dǎo)熱膠。其中該薄膜是由形狀記憶合金組成，可采用真空濺射沉積形成于一基座表面，該形狀記憶合金可包括納米NiTiCu合金。另外，本發(fā)明還涉及該熱界面材料的制造方法。本發(fā)明所提供的熱界面材料包含具有形狀記憶功能、大表面積的納米級(jí)合金薄膜，在熱源工作溫度下能恢復(fù)其最初沉積時(shí)的形狀，以增加其與散熱裝置之間接觸面積，從而使該熱界面材料具有優(yōu)良熱傳導(dǎo)性能及高導(dǎo)熱效率。
文檔編號(hào)H01L23/42GK1684251SQ20041002692
公開(kāi)日2005年10月19日 申請(qǐng)日期2004年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月15日
發(fā)明者陳杰良 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