CN100370604C - 一种热界面材料及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种热界面材料，其包括一薄膜及一紧贴于该薄膜的导热胶。其中该薄膜是由形状记忆合金组成，可采用真空溅射沉积形成于一基座表面，该形状记忆合金可包括纳米NiTiCu合金。另外，本发明还涉及该热界面材料的制造方法。本发明所提供的热界面材料包含具有形状记忆功能、大表面积的纳米级合金薄膜，在热源工作温度下能恢复其最初沉积时的形状，以增加其与散热装置之间接触面积，从而使该热界面材料具有优良热传导性能及高导热效率。
Description
【技术领域】
本发明是关于一种热界面材料，特别涉及一种改善热源与散热装置之间接触面以提高散热性能的热界面材料及其制造方法。
【背景技术】
随着集成电路的密集化及微型化程度越来越高，电子元件变得更小及以更高速度运行，使其对散热的要求越来越高。因此，为尽快将热量从热源散发出去，在电子元件表面安装一散热装置成为业内普遍的做法，其利用散热装置材料的高热传导性能，将热量迅速向外部散发，但是，散热装置与热源表面的接触经常存在一定间隙，使散热装置与热源表面未能紧密接触，成为散热装置散热的一大缺陷。针对散热装置与热源表面的接触问题，业内应对办法一般是在电子元件与散热装置之间添加一热界面材料，通常即导热胶，利用导热胶的可压缩性及高导热性能使电子元件产生的热量迅速传到散热装置，然后再通过散热装置把热量散发出去。该方法还可在导热胶内添加高导热性材料以增加导热效果。但是，当电子元件释放热量而达到高温时，导热胶与电子元件材质所发生热变形并不一致，这将直接导致导热胶与电子元件的接触面积降低，从而抑制其散热效果。
由于传统导热胶不能满足当前快速散热要求，因而业内多转向能改善电子元件与散热装置的接触，减小此接触界面间距的热界面材料，以提高整体热传导效率。如美国专利第6,294,408号专利提供了一种控制传热接触界面间距的方法，该专利认为热传导过程中，热界面材料与散热装置的接触界面间距产生的热阻为电子元件散热的最大热阻，因而有必要控制其接触界面间距以提高导热效果。该间距控制方法是用机械方法将一厚度比电子元件与散热底座之间间距稍厚的热界面材料压缩，使热界面材料最终厚度跟电子元件与散热底座之间间距相等，从而达到控制热传界面间距以提高导热效率。但是，该方法是在室温下实施，因此，当电子元件工作达到较高温度时，由于热界面材料与电子元件及散热底座具有不同的热扩散系数及热形变效应，势必引起热界面材料与电子元件及散热底座之间间距增大，直接导致散热效果下降。
为提高电子元件工作温度时热界面材料的接触紧密性，减小界面之间距，也有在热界面材料中添加高导热系数的颗粒，并对硅胶、橡胶等基体进行改性处理。如美国专利第6,605,238号或中国大陆专利第00812789.1号所揭露的一种柔软且可交联的热界面材料，该材料是将马来酐加合到橡胶中，并添加银、铜、铝或金属氮化物、碳纤维及其混合物等高热传导性材料。当处于电子元件高温工作环境时，该热界面材料中的烯烃受热活化会交联而形成一种软凝胶，避免了热脂类热界面材料的高温下界面脱层。然而该热界面材料的填料含量高达95wt％以上，橡胶含量较少，并不能完整地体现橡胶的特性，降低橡胶粘性，减小其扣合力。而且反复热循环使用时间过长时，橡胶将会变硬并最终老化，直接导致该热界面材料性能下降。
有鉴于此，提供一种厚度薄、热传导性能优良及导热效率高，在电子元件工作温度下能保持紧密接合形状的热界面材料实为必要。
【发明内容】
为克服先前技术中热界面材料与电子元件及散热装置之间接合不紧密，热界面材料导热效果不良等问题，本发明目的在于提供一种厚度薄、热传导性能优良及导热效率高的热界面材料。
本发明的另一目的在于提供这种热界面材料的制造方法。
为实现上述目的，本发明提供一种热界面材料，其包括一薄膜及一紧贴该薄膜的导热胶，该导热胶可为一银胶或硅胶。其中该薄膜由形状记忆合金组成，该形状记忆合金可选自NiTiCu、CuAlNi、CuAlZn、NiTiAlCu、NiTiAlZn或NiTiAlZnCu等纳米合金。该薄膜厚度范围为100～2000纳米，以500～1000纳米为佳；形状记忆合金颗粒大小范围为10～100纳米，以20～40纳米为佳。
本发明还涉及该热界面材料的制造方法，其可包括以下步骤：
提供一基座，其可为一具一表面的散热装置基座，并将其设置于一溅射系统中；
在热源工作温度及一定真空度下，在基座表面沉积一形状记忆合金薄膜；
提供一导热胶，其可为银胶或硅胶；
将该导热胶与薄膜紧密扣合，即形成热界面材料。
上述制造方法中热源工作温度可通过热源工作时所产生的热流计算而得，沉积可采用溅射沉积，并保持基座自转，以使其表面溅射均匀。
另外，该制造方法中导热胶与薄膜紧密扣合时所需扣合力为49～294牛顿，且以98～137牛顿为佳。
与先前的热界面材料相比，本发明提供的热界面材料是由形状记忆合金组成，该形状记忆合金在相应电子元件工作温度下沉积形成，当使用时，热界面材料在电子元件工作温度时将恢复其沉积时紧密接合形状，即可增加导热效率。避免先前技术中电子元件温度上升时热界面材料与的接触面积下降，以至于导热效率下降的问题。另外，本发明提供的热界面材料采用微米级厚度的纳米合金，利用其大表面积及纳米尺寸效应，并在合金中添加有如铝铜等高导热性材料，最终可提高该热界面材料的导热性能。
【附图说明】
图1是本发明所提供的形成有热界面材料的基座的示意图。
图2是本发明的热界面材料应用示意图。
图3是本发明的热界面材料形成时与基座接触界面的截面放大示意图。
图4是本发明的热界面材料非工作状态时与基座接触界面的截面放大示意图。
图5是本发明的热界面材料工作时与基座接触界面的截面放大示意图。
图6是本发明的热界面材料制造方法流程图。
【具体实施方式】
请参阅图1，本发明提供的热界面材料10形成在散热基座21的基座表面22上。该热界面材料10包括一形成在基座表面22的薄膜12；及一紧贴于该薄膜12的导热胶13，该导热胶13可包含一银胶或硅胶，如G751胶(产于Shin-Etsu公司)。其中该薄膜12是由形状记忆合金11组成，在电子元件工作温度下采用溅射沉积方法形成于基座表面22上，该方法可使该热界面材料10与基座21紧密接合成为一体。其中，该形状记忆合金11可选自NiTiCu、CuAlNi、CuAlZn、NiTiAlCu、NiTiAlZn或NiTiAlZnCu等纳米合金；该薄膜12厚度范围为100～2000纳米，以500～1000纳米为佳；形状记忆合金11颗粒大小范围为10～100纳米，并以20～40纳米为佳。本发明选用纳米NiTiCu合金作为形状记忆合金。
请参阅图2，即本发明的实际应用示意图。热界面材料10位于电子元件30与散热装置20之间，且热界面材料10藉由薄膜12与基座21结合成为一体，然后与电子元件30相贴靠。工作时由发热源电子元件30所产生的热量，先经热界面材料10的导热胶13传到薄膜12，再传到散热装置20，其中，由于组成薄膜12的形状记忆合金11(图未标)具有形状记忆功能，即能记忆热源工作温度下的紧密接合形状，使得薄膜12保持与散热装置20紧密接合，以将热量迅速高效地传导到散热装置20，并通过散热装置20散发出去，从而达到将电子元件30的热量及时散发出，保证电子元件30正常运作的目的。
本发明是基于形状记忆合金的形状记忆效应(SME，Shape Memory Effect)来实现，详细内容请参阅美国第6,689,486号专利及中国第02136712.4号公开专利申请。该效应使合金由低温马氏体相转向较高温度时奥氏体相过程中发生晶相形变，与一般错位变形不同之处在于：该晶相形变受热时或处于热流循环中能够恢复原来较高温度时奥氏体相形状，且该变形是可逆变化过程，即在低温下，合金也会由较高温度的奥氏体相转向低温马氏体相。因此，利用此形状记忆效应，只需使热界面材料在热源工作温度下形成，即可使低温或室温下发生变形后的热界面材料在发热源工作时恢复到制造时紧密接合状态。从而保证热量快速高效地散发出。
结合上述原理，请一并参阅图3、图4及图5，详细说明热界面材料10与基座的扣合状况。在电子元件30工作热循环温度下，溅射沉积形成与基座21紧贴成为一体的含薄膜12及导热胶13的热界面材料10，此时，该热界面材料10的薄膜12含有较高温度时的奥氏体相，热界面材料10处于与基座表面22紧密接合的形状(如图3所示)，使得热界面材料10与基座表面22密切扣合。而电子元件30处于未工作状况，如室温时，受温度影响，薄膜12将由较高温度的奥氏体相转向低温马氏体相，则薄膜12处于与基座表面22未紧密接合的形状，使得热界面材料10与基座21接触的表面(图未标示)并未与基座表面22密切扣合(如图4所示)。当电子元件30处于工作状况下，即热界面材料10处于电子元件30工作热循环温度时，由于温度回升，薄膜12发生相变，由低温马氏体相转到较高温度时的奥氏体相，从而恢复至形成时与基座表面22紧密接合的形状，达到与基座21密切扣合的效果，从而提高热界面材料10的导热效率(如图5所示)。
请参阅图6，本发明所提供热界面材料的制造方法包括以下步骤：
提供一基座，其可为一具一表面的散热装置基座；
在热源工作温度及一定真空度下，在基座表面沉积一形状记忆合金薄膜；
提供一导热胶，其可为银胶或硅胶；
将该导热胶与薄膜紧密扣合，即形成热界面材料。
其中，该形状记忆合金可选自NiTiCu、CuAlNi、CuAlZn、NiTiAlCu、NiTiAlZn或NiTiAlZnCu等纳米合金，本发明选用NiTiCu作为形状记忆合金。导热胶与薄膜紧密扣合时所需扣合力为49～294牛顿，且以98～137牛顿为佳。
另外，该薄膜的沉积可采用直流磁控溅射(DC Magnetron SputteringSystem)、共溅射(Co-Sputtering System)射频溅射(RF sputtering System)或脉冲镭射蒸镀(Pulsed Laser Deposition)等方法来完成。溅射沉积时可保持基座自转，以使其表面溅射均匀。溅射系统的真空度低于8×10-6托，以5×10-7托真空度为佳；沉积时热源工作温度为其工作热循环时温度，热源工作温度可通过热源工作时产生的热流计算所得，如CPU，工作温度通常在50～100℃之间，本发明采用90℃(CPU散热为1 20W时温度)为热源工作温度。
与现有技术相比，本发明提供的热界面材料是由形状记忆合金组成，利用其形状记忆效应、大表面积及纳米尺寸效应，使该热界面材料具有优良热传导性能及高导热效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，凡熟悉本案技艺的人士，依本案发明精神所作的等效修饰或变化，皆应包含在以下的专利权利要求书内。
Claims (9)
1.一种热界面材料，其包括一薄膜及一紧贴该薄膜的导热胶，其特征在于该薄膜由形状记忆合金组成，用于形成在散热装置的基座表面上。
2.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于该形状记忆合金选自NiTiCu、CuAlNi、CuAlZn、NiTiAlCu、NiTiAlZn或NiTiAlZnCu纳米合金。
3.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于该薄膜厚度范围为100～2000纳米。
4.如权利要求2所述的热界面材料，其特征在于该形状记忆合金颗粒大小范围为10～100纳米。
5.一种热界面材料制造方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
提供一基座，并将其设置于一溅射系统中；
在热源工作温度及一定真空度下，在基座表面沉积一形状记忆合金薄膜；
提供一导热胶；
将该导热胶与薄膜紧密扣合，形成热界面材料。
6.如权利要求5所述的热界面材料制造方法，其特征在于该薄膜的沉积采用直流磁控溅射、共溅射、射频溅射或脉冲镭射蒸镀方法来完成。
7.如权利要求5所述的热界面材料制造方法，其特征在于该溅射系统内真空度低于8×10-6托。
8.如权利要求5所述的热界面材料制造方法，其特征在于该导热胶与形状记忆合金薄膜紧密扣合时所需力为49～294牛顿。
9.如权利要求6所述的热界面材料制造方法，其特征在于该方法在溅射沉积的同时保持基座自转。
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