CN101600323A

CN101600323A - 高效能纳米线导热膜及其制造方法

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Publication number: CN101600323A
Application number: CNA2009100394604A
Authority: CN
Inventors: 郭世明
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2009-12-09

Abstract

本发明公开了一种高效能纳米线导热膜及其制造方法，该高效能纳米线导热膜具有一铝阳极氧化膜，铝阳极氧化膜的一面镀有导电极，铝阳极氧化铝膜的纳米管内具有由金属离子沉积而形成的金属线。高效能纳米线导热膜的制造方法是利用阳极处理法制得的铝阳极氧化膜经去除铝基材与阻障层后，得到铝阳极氧化膜，铝阳极氧化膜内具有双面通孔的阵列纳米管；之后于铝阳极氧化膜的一面镀上导电极；再使金属离子沉积于铝阳极氧化膜的纳米管内形成次微米或纳米金属线。铝阳极氧化膜内具有阵列纳米管，金属离子沉积于纳米管内形成金属线后，可给热源提供多条独立散热的途径，使之沿同一方向快速地传送热，导热效率非常高。

Description

高效能纳米线导热膜及其制造方法

技术领域：

本发明涉及导热材料技术领域，尤其是涉及一种纳米导热膜及其制造方法。

背景技术：

所有的电子设备基本上都是会发热的物品，而所有会发热的东西都有着散热及过热的问题。随着电子产业的发展，集成电路内的元件密度也有着急速上升的趋势，短小轻薄意味着电子产品内部空间会非常狭窄，热的处理相对困难。电子元件主要的损坏原因中，以IntelPentium 4处理器为例，其建议的工作温度中，P-N接合温度不能超过73℃、芯片温度不能高于100℃；当处理器工作温度每上升1℃，处理速度会下降0.15％，漏电流也会随着温度上升而增加，于是温度会变得更高；而温度变高，漏电流又会变得更大，从而陷入恶性循环。温度每上升10~15℃，晶片寿命将会减少50％。

除了集成电路外，功率型LED也是需散热的元件之一，其散热特性直接影响到LED的工作温度、发光效率、发光波长与使用寿命等。目前LED的发光效率仅能达到10~20％，另外80~90％的能量转换为热能，所以LED发光中的光谱不包含红外光部分。LED产生的热能无法靠辐射方式散出，散热途径主要以热传导与热对流为主，将热量由LED的元件本体传出，经热传导至高导热系数的材料，再由风扇热对流将热气散开；如果LED的热能无法及时散出，将加速晶片老化、失效(高于125℃)、或焊点熔化(高于125℃)等问题。因此大量使用LED于一模组，若无法将电流产生的热量及时散出，保持PN接面的温度在允许的范围内，将无法获得稳定的光输出和维持正常的元件寿命。据统计，电子装置损坏的原因中以高温导致功能丧失所占的比重最高达55％，因此散热问题已经成为电子产品制造上的重要课题。

散热器的组成是由风扇、散热板与导热板(导热膏或导热贴布)，电子产品所产生的热源经导热板传送至散热板，再由风扇利用强制对流的方式将热移除；其中导热板的要求除了导热系数高外，其与热源的接触面也需紧密。另外，散热板要具备高导热系数外，也需具有大的散热表面积。热导系数一般用以评估材料的导热特性，当热导系数值越大，其散热效果越佳，常用的金属中以银的散热效果最佳(430)，其次为铜(400)、金(320)、铝(235)、钨(170)、镁(160)、钼(139)、锌(120)、镍(91)、铁(80)、锡(67)、钛(22)。常为半导体元件的矽基材为150，而导热用的银胶仅为10~25。高导热材一直是散热产业的重点研发技术之一，高热导材料正以各种不同面貌投入散热领域，例如铝基复合材料、碳纤维强化复合材料；此类材料具有高热传导率、低膨胀系数和低密度(质量轻)的优点。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种高效能纳米线导热膜及其制造方法，该纳米线导热膜具有比一般导热材料更好的性能。

为实现上述目的，本发明的高效能纳米线导热膜，用于快速地传送冷-热界面的温度，它具有一铝阳极氧化膜，铝阳极氧化膜的一面镀有导电极，铝阳极氧化铝膜的纳米管内具有由金属离子沉积而形成的金属线。

本发明的高效能纳米线导热膜的制造方法是利用阳极处理法制得的铝阳极氧化膜经去除铝基材与阻障层后，得到铝阳极氧化膜，铝阳极氧化膜内具有双面通孔的阵列纳米管；之后于铝阳极氧化膜的一面镀上导电极；再使金属离子沉积于铝阳极氧化膜的纳米管内形成次微米或纳米金属线。

在上述制造方法中，铝阳极氧化膜的纳米管管径、管长与管密度分别为10至500nm、0.1至200μm、10⁸至10¹²pore/cm²。

在上述制造方法中，镀在铝阳极氧化膜一面的导电极为银、金、镍、或铝等金属膜，或铟-锡氧化物(ITO)、氟-锡氧化物(FTO)、锑-锡氧化物(ATO)、铝-锌氧化物(AZO)等氧化物导电膜。

在上述制造方法中，次微米或纳米金属线为铜、金、银、钨、镁、钼、锌、镍、铁、或锡；采用电镀、脉冲电镀、蒸镀法、或化学凝胶法沉积于铝阳极氧化膜的纳米管内。

在上述制造方法中，可利用弱碱或弱酸，将铝阳极氧化膜表面微蚀刻，使部分金属线裸露于铝阳极氧化膜的纳米管管口。

在上述制造方法中，金属线裸露于铝阳极氧化膜的一面或两面。

本发明的有益效果在于：铝阳极氧化膜内具有阵列纳米管，金属离子沉积于纳米管内形成金属线后，可给热源提供多条独立散热的途径，使之沿同一方向快速地传送热，导热效率非常高。本发明的导热膜具有环保性、生物相容性、以及轻量化的特性，可被用于3C消费性电子产品或发光二极管的散热使用。

附图说明：

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为具有多个纳米铜线的导热片置于热源与散热板介面示意图；

图2为具有次纳米管结构的阳极氧化铝模板的SEM显微影像；(a)为正面影像、(b)为背面影像；

图3为利用脉冲电镀法将铜线沉积于阳极氧化铝模板内；(a)较小倍率的SEM横截面显微影像，显示铜线在AAO内的沉积率达100％，(b)较大倍率的SEM显微影像，显示铜线为单晶结构；

图4为利用脉冲电镀法将铜线沉积于阳极氧化铝模板内；(a)经电镀后铜线的线头裸露于模板管口，(b)经碱性溶液蚀刻后，有较长的铜线裸露于模板外部；

图5为测试热传导特性用的真空腔体示意图。

主要元件符号说明：

11：金属散热板 12：AAO模板

13：元件的热源 14：受散热板与元件压平的弯曲铜线

15：纳米或次微米铜线 16：导电极

510：玻璃真空腔体 511：真空阀门

512：O型垫圈 520：冷却铜管

521：冷却管入口 53、53’：矽棒

53；导热膜 550：热阻丝

56、56’：隔热布 551：直流电源

571：低温端的热电偶572：高温端的热电偶

具体实施方式：

以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。

具有阵列纳米管排列的铝阳极氧化膜可使铝材经由阳极处理后而得，称为铝阳极氧化膜(AAO)，例如制作纳米管管径为15nm的AAO，其步骤包含：

(1)、铝材经机械研磨至#2000号砂纸后，置于大气炉内进行550℃、1小时的退火处理。

(2)、将退火后的铝材置于电解液中进行电解抛光，电解液的成分为15％过氯酸(HCLO₄)+15％单丁醚乙二脂(CH₃(CH₂)₃OCH₂CH₂OH)+15％乙醇(C₂H₆O)，电解抛光条件为42伏特(V)、15℃、10分钟。

(3)、第一次阳极处理；将电解抛光后的铝材进行阳极处理，电解液的成分为10％的硫酸(H₂SO₄)，阳极处理条件为18伏特(V)、15℃、20分钟。

(4)、移除阳极处理膜；移除液成分为1.8％铬酸(CrO₃)+6％磷酸(H₃PO₄)，操作条件为：将阳极处理后的铝材浸渍于移除液中60℃、30分钟。

(5)、第二次阳极处理；实施条件与第二次阳极处理条件相同，阳极膜的厚度随着阳极处理时间增加而增厚，膜厚的成长速率约为15um/hr。

(6)、移除铝基材，获得单一AAO薄膜；移除液成分为8％盐酸(HCI)+20％氯化铜(CuCl₂)，操作条件为：将阳极处理后的铝材浸渍于移除液中25℃、30分钟。

根据以上的制程参数改变，例如，电压、电解液成分与阳极处理时间的变化，则AAO内的纳米管孔径可被控制于10~500nm内，AAO的厚度可被控制于0.1~200um内。

图1显示一散热片11置于热传导膜12上，电子元件的表面热源13经由热传导膜12传送至散热片11散热，而热传导膜12结构为具规则排列管径的铝阳极氧化膜15，经脉冲电镀沉积有铜线14在其内。为了增加铜线14与散热片11平面的接触点，利用酸性溶液将热传导膜12上端的铝阳极氧化膜溶解，使较长的铜线14裸露于铝阳极氧化膜外部，热传导膜12下端为铜导电薄膜16，此三明治结构的散热装置经受压后，热传导膜12两端的裸露铜线14与铜导电薄膜16将更紧密贴紧于散热片11与电子元件的表面热源13。

图2为双面开孔孔径约200nm的AAO的扫描式电子显微镜(SEM)影像。将所得双面开孔的AAO其中一面，利用蒸镀法镀上一层铜膜电极，以利于后续AAO/铜线的脉冲电镀用。

图3显示经脉冲电镀后，铜离子沉积于AAO管内形成铜线，其电解液成分为180g/L CuSO₄·5H₂O+50ml/L H₂SO₄，电流密度为60mA/cm³，镀浴温度为25℃，脉冲频率为0.1Hz的方波，电镀时间为3分钟。

为了增加铜纳米线与散热片平面的接触点，可利用碱性溶液0.5wt.％NAOH)将部分的AAO溶解，使较长的铜线裸露于模板外部，如图4显示(a)经脉冲电镀后铜线的线头裸露于模板管口，(b)经碱性溶液蚀刻后，有较长的铜线裸露于模板外部。

为了测试本发明导热膜的导热效果，本实验同时设计一热传测试腔体如图5所示，玻璃制成的真空腔体510，经机械泵浦抽至10^-3torr后，关闭真空阀门511，并利用O型垫圈512保持腔体内的真空度，腔体内设置有冷却铜管520，循环水经由冷却管入口521与冷却管出口522保持矽棒的低温，腔体内另一端则有热阻丝550经直流电源551供应器外加电压后缠绕于另一矽棒53’上，保持矽棒53’的高温，测试的导热片54则置于低温矽棒53与高温矽棒53’间，量测温度由高温矽棒53’传送至低温矽棒53’的速度，导热片的热传特性，可量测低温端热电偶572的温度后得到，为防止温度由腔体两端传出，腔体两端与矽棒接触处设置有隔热布56、56’。经实验证明，本发明的导热膜导热性能优良，可以达到快速散热的效果。

以上所述为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明实施的范围。任何熟悉此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许更动与润饰，即凡依本发明所做的均等变化与修饰，应为本发明专利保护范围所涵盖。

Claims

1.高效能纳米线导热膜，用于快速地传送冷-热界面的温度，其特征在于：它具有一铝阳极氧化膜，铝阳极氧化膜的一面镀有导电极，铝阳极氧化铝膜的纳米管内具有由金属离子沉积而形成的金属线。

2.权利要求1所述高效能纳米线导热膜的制造方法，其特征在于：它是利用阳极处理法制得的铝阳极氧化膜经去除铝基材与阻障层后，得到铝阳极氧化膜，铝阳极氧化膜内具有双面通孔的阵列纳米管；之后于铝阳极氧化膜的一面镀上导电极；再使金属离子沉积于铝阳极氧化膜的纳米管内形成次微米或纳米金属线。

3.根据权利要求2所述的高效能纳米线导热膜的制造方法，其特征在于：铝阳极氧化膜的纳米管管径、管长与管密度分别为10至500nm、0.1至200μm、10⁸至10¹²pore/cm²。

4.根据权利要求2所述的高效能纳米线导热膜的制造方法，其特征在于：镀在铝阳极氧化膜一面的导电极为金属膜或氧化物导电膜。

5.根据权利要求2所述的高效能纳米线导热膜的制造方法，其特征在于：次微米或纳米金属线为铜、金、银、钨、镁、钼、锌、镍、铁、或锡；采用电镀、脉冲电镀、蒸镀法、或化学凝胶法沉积于铝阳极氧化膜的纳米管内。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的高效能纳米线导热膜的制造方法，其特征在于：可利用弱碱或弱酸，将铝阳极氧化膜表面微蚀刻，使部分金属线裸露于铝阳极氧化膜的纳米管管口。

7.根据权利要求6所述的高效能纳米线导热膜的制造方法，其特征在于：金属线裸露于铝阳极氧化膜的一面或两面。