CN100543103C - 热界面材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热界面材料及其制备方法。该热界面材料包括一聚合物相变材料载体，添加于聚合物相变材料载体中的添加剂，所述添加剂用于改善载体材料的柔韧性和稳定性，及调节载体材料的相变温度，以及分散在载体中的碳纳米管，其中至少一部分碳纳米管的一端露出载体，所述碳纳米管在该热界面材料中的含量是0.1～5wt%，所述聚合物相变材料的熔融相变点在50～60℃之间。该热界面材料的制备方法包括下列步骤：提供一定量的碳纳米管，一定量的聚合物相变材料以及一定量的添加剂；将聚合物相变材料及添加剂一起加热至熔融状态形成混合物；将碳纳米管加入上述混合物中并使其分散；固化，切片形成产品。该制备方法没有引入复杂昂贵的加工工艺，可大规模生产热界面材料，成本低，且确保部分碳纳米管一端露出载体，导热性能好。该热界面材料可广泛用于半导体器件散热技术中。

Description

热界面材料及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及一种热界面材料及其制备方法，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，器件体积变得越来越小，其对散热的需求越来越高，高效率散热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，但因散热器与热源(半导体集成器件，如CPU)的接触界面不平整，实际接触面积一般不到总面积的10％，剩余的90％为空气，而空气的导热性很差，因此从根本上影响半导体器件向散热器传递热量的效果，因此，传统的散热器通过在散热器与半导体器件之间，增加一导热系数较高的热界面材料，以增加界面的接触程度，改善半导体器件与散热器间的热传递效果。

传统热界面材料将导热系数较高的颗粒分散于聚合物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聚合物基体的性质。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，因此接触热阻较小，而以硅胶或橡胶为载体的复合材料的接触热阻相对较大。该类材料的普遍缺陷是整体材质导热系数较小，典型值为1W/mK，这已经不能适应半导体集成化程度的提高对散热的需求。增加聚合物基体的导热颗粒含量，使得颗粒与颗粒之间尽量相互接触，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，然而，聚合物基体的导热颗粒含量增加至一定程度时，会使聚合物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界面接触性能大大降低。

为改善热界面材料的性能，提高导热系数，各种材料被广范试验。1991年，发现了碳纳米管(具体参见Nature，1991，354，56)。因碳纳米管具有长径比大，长度可为直径的几千倍；强度高，为钢的100倍，但重量只有钢的六分之一；韧性与弹性极佳的特性，且碳纳米管沿其纵向方向有极高的热导系数，使其成为最具潜力的热界面材料之一。美国物理学会上发表一篇名为“碳纳米管显著热导性”的文章指出对于“Z”字形(10，10)碳纳米管在室温下其导热系数可达6600W/mK，具体可参阅文献Phys.Rev.Lett，2000年，84，4613。

美国公开文献号为20030117770的专利申请揭示一种热界面材料及其制备方法，其将热塑性聚合物填隙材料注入碳纳米管(束)阵列周围，以支撑碳纳米管(束)阵列，通过机械研磨或化学腐蚀去除生长碳纳米管(束)阵列的基底，以及通过化学机械抛光或机械研磨去除多余填隙材料，形成热界面材料层。由于其采用碳纳米管导热，热界面材料的导热效率大大提高。但是上述热界面材料成本太高，原因有三：

(1)碳纳米管阵列生长成本高，一个阵列得到一块热界面材料，不能批量生产热界面材料；

(2)需要机械研磨或化学腐蚀等复杂工艺去除生长碳纳米管(束)阵列的基底，生产效率低，且造成基底材料浪费；

(3)需要通过化学机械抛光或机械研磨去除多余填隙材料，否则碳纳米管埋没在热塑性聚合物填隙材料中，不能接触到发热半导体器件或散热器表面，从而不能发挥热界面材料应有的高导热性能，而该化学机械抛光或机械研磨过程进一步降低热界面材料生产效率，进一步提高生产成本。

有鉴于此，提供一种确保碳纳米管与半导体器件或散热器表面有效接触，生产成本低的热界面材料及制备方法非常重要。

【发明内容】

以下将说明一种确保碳纳米管与半导体器件或散热器表面有效接触，生产成本低的热界面材料，以及该热界面材料的制备方法。

该热界面材料包括一聚合物相变材料载体，添加于聚合物相变材料载体中的添加剂，所述添加剂用于改善载体材料的柔韧性和稳定性，及调节载体材料的相变温度，以及分散在载体中的碳纳米管，其中至少一部分碳纳米管的一端或两端露出载体，所述碳纳米管在该热界面材料中的含量是0.1～5wt％，所述聚合物相变材料的熔融相变点在50～60℃之间。

所述聚合物相变材料包括石蜡。

所述添加剂包括二甲基亚砜。

所述热界面材料还包括分散在载体中的非碳纳米管导热材料微粒，该非碳纳米管导热材料微粒在热界面材料中的含量是0.1～5wt％。

所述非碳纳米管导热材料微粒包括纳米金属粉体或纳米陶瓷粉体。

所述非碳纳米管导热材料微粒包括铝、银、铜、氧化铝、氮化铝或氮化硼。

上述热界面材料的制备方法包括下列步骤：

提供碳纳米管及聚合物相变材料，所述碳纳米管在该热界面材料中的含量是0.1～5wt％，所述聚合物相变材料的熔融相变点在50～60℃之间；

将聚合物相变材料加热熔融；

将碳纳米管加入上述熔融聚合物相变材料中并使其分散；

固化，切片形成产品。

其中可在聚合物相变材料中添加添加剂，以改善聚合物相变材料的柔韧性和稳定性，及调节载体材料的相变温度。

其中还可在添加碳纳米管同时，往混合物中加入0.1～5wt％的非碳纳米管导热材料微粒。

所述非碳纳米管导热微粒包括纳米金属粉体或纳米陶瓷粉体。

所述非碳纳米管导热材料微粒包括铝、银、铜、氧化铝、氮化铝、氮化硼。

所述碳纳米管可采用电弧放电法、化学气相沉积法等生长方法制备，其制备方法不影响后续形成的热界面材料的质量，因此碳纳米管可低成本大量获得。

所述碳纳米管可在具氧化性的酸中煮沸5～30分钟，提高碳纳米管的纯度和增强其与其他物质的接合程度。

所述具氧化性的酸包括浓硝酸或浓硫酸。

所述添加剂包括二甲基亚砜。

采用液态超声震荡的方法分散碳纳米管，可确保碳纳米管在载体中分散良好。

分散碳纳米管时保持材料温度大于60℃，震荡时间为20～40分钟。

采用切片机将固化后的载体材料切片，切片厚度可视需要而定，通常为1～30微米。该切片步骤既加工成型了产品，又可使部分碳纳米管在切片表面露出，因为切片机刀片所到之处必有部分碳纳米管被切断，该碳纳米管的一端即从切面露出。当切片较薄时，部分碳纳米管则两端均从载体中露出，这样更有利于发挥热界面材料的高导热性能。

上述热界面材料的制备方法没有引入复杂昂贵的加工工艺，可大规模生产热界面材料，成本低，且切片确保部分碳纳米管一端露出载体，使碳纳米管与器件表面能有效接触，充分发挥热界面材料的高导热性能。

【附图说明】

图1是本发明第一实施例中热界面材料结构示意图。

图2是本发明第二实施例中热界面材料结构示意图。

图3是热界面材料制备方法流程图。

【具体实施方式】

下面将结合附图及具体实施例对热界面材料进行详细说明。

请先参阅图1，热界面材料10包括一聚合物相变材料载体11，添加于聚合物相变材料载体中的添加剂，以及分散在载体中的碳纳米管12，其中一部分碳纳米管12的一端露出载体11。当切片较薄时，部分碳纳米管则两端均从载体中露出，这样更有利于发挥热界面材料的高导热性能。该聚合物相变材料是指在一定温度(熔融相变点)下能熔融的聚合物，本实施例选用熔融相变点在50～60℃的相变材料，如石蜡。添加剂用于改善载体材料的柔韧性和稳定性，还可调节载体材料的相变温度，如二甲基亚砜添加在石蜡载体材料中，可起到上述作用。碳纳米管在热界面材料中的含量是0.1～5wt％，部分碳纳米管的一端露出于载体材料，该热界面材料10填充在半导体器件及散热器之间，部分碳纳米管12露出载体材料的一端可与器件表面接触，充分发挥热界面材料10的高导热效率。半导体器件工作时，界面温度升高，相变材料载体缓慢发生相变化，即由固态转变为胶态，填充于半导体器件及散热器之间，增大二者的有效接触面积。

聚合物变相材料载体中还可以分散填充一些非碳纳米管导热材料微粒，该非碳纳米管导热材料微粒在热界面材料中的含量可以为0.1～5wt％，该微粒导热无方向性，可提高载体材料的导热性能，从而进一步提高热界面材料的导热性能。该非碳纳米管导热材料微粒包括纳米金属粉体或纳米陶瓷粉体，如铝、银、铜、氧化铝、氮化铝、氮化硼等。

如图2所示，热界面材料20包括一聚合物相变材料载体21，添加于聚合物相变材料载体中的添加剂，以及分散在载体21中的碳纳米管22及非碳纳米管导热材料微粒23，其中一部分碳纳米管22的一端露出载体21。

如图3所示，上述热界面材料的制备方法包括下列步骤：

步骤1，提供一定量的碳纳米管，一定量的聚合物相变材料以及一定量的添加剂；步骤2，将聚合物相变材料及添加剂一起加热至熔融状态形成混合物；步骤3，将碳纳米管加入上述混合物中并使其分散；步骤4，固化，切片形成产品。

步骤1中，碳纳米管可采用电弧放电法、化学气相沉积法等生长方法制备，由于其制备方法不影响后续形成的热界面材料的质量，因此碳纳米管可低成本大量获得。另外，碳纳米管可在具氧化性的酸中煮沸5～30分钟，如浓硝酸、浓硫酸或混合酸等，以提高碳纳米管的纯度和增强其与其他物质的接合程度。

所述聚合物相变材料是指在一定温度(熔融相变点)下能熔融的聚合物，本实施例选用熔融相变点在50～60℃的相变材料，如石蜡。添加剂为可选择成分，用于改善载体材料的柔韧性和稳定性，还可调节载体材料的相变温度，如二甲基亚砜添加在石蜡载体材料中，可起到上述作用。

步骤2中，由于聚合物相变材料熔融相变点在50～60℃，因此将相变材料及添加剂加热到60℃以上，即可将其熔融形成混合物。

步骤3，所述碳纳米管的添加量可以为0.1～5wt％，采用液态超声震荡的方法将其分散，可确保碳纳米管在载体中分散良好。分散时保持材料温度大于60℃，震荡时间为20～40分钟。

步骤4，采用切片机将固化后的载体材料切片，切片厚度可视需要而定，通常为1～30微米。该切片步骤既加工成型了产品，又可使部分碳纳米管在切片表面露出，因为切片机刀片所到之处必有部分碳纳米管被切断，该碳纳米管的一端即从切面露出。当切片较薄时，部分碳纳米管则两端均从载体中露出，这样更有利于发挥热界面材料的高导热性能。

另外，还可在步骤3中，添加碳纳米管同时，往混合物中加入0.1～5wt％的非碳纳米管导热材料微粒，并与碳纳米管同时分散。其中非碳纳米管导热微粒包括纳米金属粉体或纳米陶瓷粉体，如铝、银、铜、氧化铝、氮化铝、氮化硼等。

上述热界面材料的制备方法没有引入复杂昂贵的加工工艺，可大规模生产热界面材料，成本低，且确保部分碳纳米管一端露出载体，使碳纳米管与器件表面能有效接触，充分发挥热界面材料的高导热性能。

Claims (18)

1.一种热界面材料包括：一聚合物相变材料载体，添加于聚合物相变材料载体中的添加剂，所述添加剂用于改善载体材料的柔韧性和稳定性，及调节载体材料的相变温度，以及分散在载体中的碳纳米管，其中至少一部分碳纳米管的一端或两端露出载体，所述碳纳米管在该热界面材料中的含量是0.1～5wt％，所述聚合物相变材料的熔融相变点在50～60℃之间。

2.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1～30微米。

3.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于所述聚合物相变材料包括石蜡。

4.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于所述添加剂包括二甲基亚砜。

5.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还包括分散在载体中的非碳纳米管导热材料微粒。

6.如权利要求5所述的热界面材料，其特征在于该非碳纳米管导热材料微粒在热界面材料中的含量是0.1～5wt％。

7.如权利要求5所述的热界面材料，其特征在于非碳纳米管导热材料微粒包括纳米金属粉体或纳米陶瓷粉体。

8.如权利要求5所述的热界面材料，其特征在于非碳纳米管导热材料包括铝、银、铜、氧化铝、氮化铝、氮化硼。

9.一种热界面材料的制备方法，其包括下列步骤：

提供碳纳米管及聚合物相变材料，所述碳纳米管在该热界面材料中的含量是0.1～5wt％，所述聚合物相变材料的熔融相变点在50～60℃之间；

将聚合物相变材料加热熔融；

将碳纳米管加入上述熔融聚合物相变材料中并使其分散；

固化，切片。

10.如权利要求9所述热界面材料的制备方法，其特征在于加热聚合物相变材料时，添加添加剂一起熔融，所述添加剂用于改善载体材料的柔韧性和稳定性，及调节载体材料的相变温度。

11.如权利要求10所述热界面材料的制备方法，其特征在于所述添加剂包括二甲基亚砜。

12.如权利要求9所述热界面材料的制备方法，其特征在于在添加碳纳米管同时，往混合物中加入占热界面材料0.1～5wt％的非碳纳米管导热材料微粒。

13.如权利要求9所述热界面材料的制备方法，其特征在于所述碳纳米管可采用电弧放电法或化学气相沉积法制备。

14.如权利要求9所述热界面材料的制备方法，其特征在于将所述碳纳米管放在具氧化性的酸中煮沸5～30分钟。

15.如权利要求14所述热界面材料的制备方法，其特征在于该具氧化性的酸包括浓硝酸或浓硫酸。

16.如权利要求9所述热界面材料的制备方法，其特征在于采用液态超声震荡的方法分散碳纳米管，分散碳纳米管时保持材料温度大于60℃，震荡时间为20～40分钟。

17.如权利要求9所述热界面材料的制备方法，其特征在于切片机将固化后的载体材料切片。

18.如权利要求9所述热界面材料的制备方法，其特征在于切片厚度为1～30微米。

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