CN101343532A - 碳纳米管复合热界面材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳纳米管复合热界面材料的制备方法，其包括以下步骤：提供一基底，其上形成有碳纳米管阵列；将熔化的第一填充材料填充入碳纳米管阵列的空隙中，凝固第一填充材料与碳纳米管阵列得到第一复合材料；提供一第二填充材料，第二填充材料的熔点高于第一填充材料的熔点，将熔化的第二填充材料注入到第一复合材料的表面，待第一填充材料被熔化的第二填充材料完全熔化而从碳纳米管阵列的空隙中流出后，凝固第二填充材料与碳纳米管阵列，从而得到由碳纳米管与第二填充材料复合的碳纳米管复合热界面材料。
Description
技术领域
本发明涉及热界面材料的制备方法，尤其涉及一种碳纳米管复合热界面材料的制备方法。
背景技术
随着微电子产业的蓬勃发展，电子芯片的主频越来越高，线宽越来越窄，导致芯片产生的热量越来越大，因此，散热问题逐渐成为束缚芯片性能的一大障碍。研究发现，散热元件与芯片之间以及散热元件之间的界面热阻是制约散热模组散热效率的重要因素。目前，通常采用热界面材料来减小界面热阻，以提高散热元件的散热效率。
热界面材料通常是导热率相对较高，而且比较柔软的材料，用来填充芯片与散热元件之间的界面。通常的热界面材料包括导热膏和相变片，其组成通常是在有机基体中混合了高导热的金属或者陶瓷材料，从而得到较好的填隙效果和传热效果。然而，自从日本科学家Iijima于1991年发现碳纳米管，请参见“Helical microtubulesof graphitic carbon”，S Iijima，Nature，vol.354，p56(1991)，由于具备良好机械、导热及导电特性等，碳纳米管成为制备热界面复合材料的优选。以碳纳米管为填充物得到的热界面复合材料，可以显著增强热界面复合材料的机械强度及韧性，提高导热率和导电率。因此，有关碳纳米管复合材料的技术成为当前纳米技术领域的一个研究热点。
目前，使用定向排列的碳纳米管阵列的复合热界面材料是作为热界面材料的一个优选方案。对于计算机芯片及其散热模组系统来说，热量主要沿着垂直于芯片表面的方向传播，定向排列的碳纳米管可以有效利用其轴向高热导率，使得相对较少的碳纳米管数量可以达到相对较高的传热效率。
现有技术中，碳纳米管复合热界面材料的制备方法包括注入法和沉积法。注入法是将熔化的金属直接注入到碳纳米管阵列的空隙中，冷凝后金属便将碳纳米管包裹起来得到碳纳米管复合热界面材料。由于碳纳米管之间的空气很难在注入过程中排出去，因此，这种方法虽然操作简单，但是很容易在复合材料中掺杂很多空气泡，不利于金属和碳纳米管之间的紧密结合。
沉积法分物理沉积法和化学沉积法。物理沉积法是直接将金属蒸汽或者溅射出来的金属颗粒沉积在碳纳米管阵列上面，这种方法效率比较低，而且要在真空环境中进行，制作成本高。化学沉积法一般利用电镀或者化学镀的方法，利用电化学或者还原反应将金属沉积在碳纳米管阵列的空隙中，化学沉积可靠性高，但必须使用金属盐溶液作为电解或者化学反应的对象，限制了用于复合的金属的种类，而且化学废液的处理会带来环保问题。
有鉴于此，有必要提供一种操作简单、成本低的碳纳米管复合材料的制备方法。
发明内容
以下，将以实施例说明一种碳纳米管复合热界面材料的制备方法。
一种碳纳米管复合热界面材料的制备方法，其包括以下步骤：提供一基底，其上形成有碳纳米管阵列；将熔化的第一填充材料填充入碳纳米管阵列的空隙中，凝固第一填充材料与碳纳米管阵列得到第一复合材料；提供一第二填充材料，第二填充材料的熔点高于第一填充材料的熔点，将熔化的第二填充材料注入到第一复合材料的表面，待第一填充材料被熔化的第二填充材料完全熔化而从碳纳米管阵列的空隙中流出后，凝固第二填充材料与碳纳米管阵列，从而得到由碳纳米管与第二填充材料复合的碳纳米管复合热界面材料。
本技术方案的碳纳米管复合热界面材料制备方法，相对于现有技术来说具有以下优点：首先，第一填充材料在填充碳纳米管阵列的空隙过程对空隙中的空气进行了初步排挤，第二填充材料对第一填充材料排挤的过程同时会对残留的空气进行二次驱除，因此，最终制得的碳纳米管复合热界面材料中基本不会存在气泡。其次，整个制备工艺简单、成本低，并适合大量制备碳纳米管复合热界面材料。
附图说明
图1～图5为本技术方案制备碳纳米管复合热界面材料的工艺流程示意图。
图6为本技术方案用于制备碳纳米管复合热界面材料的制备装置示意图。
图7～图10为利用本技术方案的制备装置制备碳纳米管复合热界面材料的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例对本技术方案的碳纳米管复合热界面材料的制备方法进行详细说明。
本技术方案的碳纳米管复合材料的制备方法包括以下步骤：提供一基底，其上形成有碳纳米管阵列；将熔化的第一填充材料填充入碳纳米管阵列的空隙中，凝固第一填充材料与碳纳米管阵列得到第一复合材料；提供一第二填充材料，第二填充材料的熔点高于第一填充材料的熔点，将熔化的第二填充材料注入到第一复合材料的表面，待第一填充材料被熔化的第二填充材料完全熔化而从碳纳米管阵列的空隙中流出后，凝固第二填充材料与碳纳米管阵列，从而得到由碳纳米管与第二填充材料复合的碳纳米管复合热界面材料。
本技术方案第一实施例提供一种碳纳米管复合热界面材料的制备方法。
第一步：参阅图1，提供一基底10，其上形成有碳纳米管阵列20。基底10可以是表面设置催化剂的金属或非金属材料，催化剂可以为铁、钴、镍等金属薄膜或颗粒。碳纳米管阵列20的制备方法可采用化学气相沉积法等已知技术。所制备的碳纳米管阵列20是由多个以阵列状排布的碳纳米管22形成，相邻的碳纳米管之间存在有空隙21。
第二步：参阅图2，将熔化的液态第一填充材料30填充入碳纳米管阵列20的空隙21中，凝固第一填充材料30与碳纳米管阵列20得到第一复合材料40。所述第一填充材料30为易熔材料，所谓易熔材料，是指在较低温度下可以变成液体的材料。本实施例中，第一填充材料30采用石蜡。
上述第一填充材料30填充入碳纳米管阵列20的空隙21的具体过程为：将具有碳纳米管阵列20的基底10浸入熔化的液态石蜡中，静置一段时间，待液态石蜡基本完全填充到碳纳米管阵列20的空隙21中后，对填充有液态石蜡的碳纳米管阵列20进行冷却，待石蜡凝固后便可得到石蜡与碳纳米管阵列20复合形成的第一复合材料40，其具有一表面41。
上述碳纳米管阵列20的基底10浸入熔化的液态石蜡中的过程中，存在于碳纳米管阵列20空隙21中的空气会被液态石蜡排挤出去，从而液态石蜡可以较好的填充在碳纳米管阵列20的空隙21中。
优选地，所述将碳纳米管阵列20的基底10浸入熔化的液态石蜡中的过程中，可以对液态石蜡进行适当功率的超声波震荡，这样可以提高碳纳米管阵列20空隙21中空气的排出效率，从而有助于液态石蜡更好的填充在碳纳米管阵列20的空隙21中。
第三步：参阅图3，提供一第二填充材料50，第二填充材料50的熔点高于第一填充材料30的熔点，将熔化的液态第二填充材料50注入到第一复合材料40的表面41，待第一填充材料30被液态第二填充材料50完全熔化而从碳纳米管阵列20的空隙21中流出后，凝固第二填充材料50与碳纳米管阵列20，从而得到由碳纳米管阵列20与第二填充材料50复合得到的碳纳米管复合热界面材料60。
第二填充材料50可以为低熔点金属材料，如铟、汞、或者此类金属所形成的合金。也可以为高熔点金属材料，如铜、钛、或者此类金属所形成的合金。本实施例中，第二填充材料50为铟。
由于第二填充材料50的熔点高于第一填充材料30的熔点，因此，当熔化的液态第二填充材料50注入到第一复合材料40的表面41上时，第二填充材料50的温度可以使得第一复合材料40中的固态第一填充材料30熔化为液态而从碳纳米管阵列20的空隙21中流出，这样液态第二填充材料50便会占据第一填充材料30的空间填充到碳纳米管阵列20的空隙21中。
当第一复合材料40中的第一填充材料30被第二填充材料50完全熔化并从碳纳米管阵列20的空隙21中流出后，第二填充材料50便完全占据第一填充材料30的空间，即碳纳米管阵列20的空隙21完全被第二填充材料50所填充，此时，冷却第二填充材料50使其凝固，从而得到待制备的碳纳米管阵列20与第二填充材料50的碳纳米管复合热界面材料60，如图4所示。
上述制备的碳纳米管复合热界面材料60在实际应用中通常与发热元件(如芯片)、散热器(如集成热扩散器)等相结合，为了使得所制备的碳纳米管复合热界面材料60与发热元件和散热器的表面充分结合，提高热传递效果，可以将碳纳米管复合热界面材料60的表面进行处理，使得其中的碳纳米管20的端部从第二填充材料50伸出，如图5所示。使得碳纳米管20的端部从第二填充材料50中露出的方法包括机械抛光法、化学-机械抛光法、湿化学蚀刻法、电化学蚀刻法、电浆蚀刻法等现有技术。
由于发热元件或散热器的表面并非理想的平面，在纳米尺度的基础上，发热元件或散热器的表面会存在凹凸不平，从第二填充材料50伸出的碳纳米管20的端部可以伸入到发热元件或散热器表面的凹面中，从而使得碳纳米管复合热界面材料60比较充分的和发热元件或散热器结合，以提高散热效果。
本技术方案提供一种碳纳米管复合热界面材料的制备装置。
参阅图6所示，本技术方案提供一种碳纳米管复合热界面材料的制备装置100，其包括一容器110，该容器110的靠近底部的侧壁开设至少一个开口111。开口111处最好设置有开关阀(图未标示)。该容器110为一筒状体，其横截面形状可为圆、椭圆、多边形等，开口111的形状不限。本实施例中容器110的横截面为圆形的筒体。
图7至图10为利用装置100制备碳纳米管复合热界面材料60的示意图。首先，如图7所示，将具有碳纳米管阵列20的基底10与装置100的容器110进行装配，可以将基底10放置在容器110中；也可以将容器110设置在基底10上并使得碳纳米管阵列20容纳在容器110中，本实施例中采用后者。
然后，如图8所示，使容器110的开口111关闭，将熔化的液态第一填充材料30注入容器110中，待第一填充材料30充分填充到碳纳米管阵列20的空隙21中，冷却凝固第一填充材料30得到由第一填充材料30与碳纳米管阵列20所复合的第一复合材料40，该固态第一复合材料40具有表面41。
其次，如图9所示，使容器110的开口111敞开，将熔化的液态第二填充材料50注入到容器110中并形成在第一复合材料40的表面41，且第二填充材料50的熔点高于第一填充材料30。此时，固态第一填充材料30被液态第二填充材料50所加热熔化成为液态，逐渐从碳纳米管阵列20的空隙21中流出，并进一步从容器110的开口111流出容器110，待容器110中的第一填充材料30全部变为液态从开口111流出容器110后，将容器110的开口111关闭，冷却凝固第二填充材料50，从而得到由第二填充材料50与碳纳米管阵列20所复合的碳纳米管复合热界面材料60。
本技术方案的碳纳米管复合热界面材料制备方法，相对于现有技术来说具有以下优点：首先，第一填充材料在填充碳纳米管阵列的空隙过程对空隙中的空气进行了初步排挤，第二填充材料对第一填充材料排挤的过程同时会对残留的空气进行二次驱除，因此，最终制得的碳纳米管复合热界面材料中基本不会存在气泡。其次，整个制备工艺简单、成本低，并适合大量制备碳纳米管复合热界面材料。
可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思做出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种碳纳米管复合热界面材料的制备方法，其包括以下步骤：
提供一基底，其上形成有碳纳米管阵列；
将熔化的第一填充材料填充入碳纳米管阵列的空隙中，凝固第一填充材料与碳纳米管阵列得到第一复合材料；
提供一第二填充材料，第二填充材料的熔点高于第一填充材料的熔点，将熔化的第二填充材料注入到第一复合材料的表面，待第一填充材料被熔化的第二填充材料完全熔化而从碳纳米管阵列的空隙中流出后，凝固第二填充材料与碳纳米管阵列，从而得到由碳纳米管与第二填充材料复合的碳纳米管复合热界面材料。
2.如权利要求1所述的碳纳米管复合热界面材料的制备方法，其特征在于，所述第一填充材料为石蜡。
3.如权利要求2所述的碳纳米管复合热界面材料的制备方法，其特征在于，所述第二填充材料为铟、汞、铜或钛。
4.如权利要求1所述的碳纳米管复合热界面材料的制备方法，其特征在于，在将熔化的第一填充材料填充入碳纳米管阵列的空隙过程中，利用超声波对熔化的第一填充材料进行震荡。
5.如权利要求1所述的碳纳米管复合热界面材料的制备方法，其特征在于，进一步包括对所得到的碳纳米管复合热界面材料进行表面处理使得其中的碳纳米管阵列至少一端伸出第二填充材料。
6.如权利要求5所述的碳纳米管复合热界面材料的制备方法，其特征在于，所述表面处理方法包括机械抛光法、化学-机械抛光法、湿化学蚀刻法、电化学蚀刻法或电浆蚀刻法。
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