CN101760035A - 热界面材料及该热界面材料的使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热界面材料，用于将一热源上的热量传递给一散热装置。所述热源具有一使所述热源不至于过热损坏的保护温度，所述热界面材料位于热源与散热装置之间。所述热界面材料包括一柔性基体及至少一填充在所述柔性基体中的第一导热颗粒。所述第一导热颗粒在熔融前的粒径小于100纳米，且该第一导热颗粒在熔融前的的熔点小于所述保护温度。所述第一导热颗粒在熔融后的粒径大于100纳米，且该第一导热颗粒在熔融后的的熔点大于所述保护温度。本发明还涉及一种该热界面材料的使用方法。

Description

热界面材料及该热界面材料的使用方法
技术领域
本发明涉及一种热界面材料及该热界面材料的使用方法。
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，但是，半导体器件体积的减小也提高了其对散热的要求。为满足所述半导体器件对散热的需要，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。但因散热装置与热源(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2％，因此从根本上影响热源向散热装置传递热量的效果。为了增加热源与散热装置两个界面之间的接触面积，通常在热源与散热装置之间填加一导热系数较高的热界面材料(Thermal Interface Materials)，用于填补热源与散热装置接触时产生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞，增加热源与散热装置两个界面的接触面积，减少热传递的阻抗，改善热源与散热装置间的热传递效果。
传统的热界面材料是通过在如硅胶之类的柔性基体中添加一些具有优异导热性能的导热颗粒如碳纳米管，氧化硅，银或其他金属等来形成复合材料。所述复合材料利用柔性基体来增加热源与散热装置的接触面积，利用导热颗粒来提升热界面材料的热传递能力。其中，以油脂，相变材料为柔性基体的复合材料因为使用时为液态，能与热源表面浸润，因此接触热阻较小，而以硅胶，橡胶等为载体的复合材料的接触热阻相对较大。
如于2006年11月30日公开的日本特开第2006-321968号专利申请揭露一种热界面材料，所述热界面材料采用在高分子材料或油类等柔性基体中分散包含有碳材料和陶瓷的复合材料组成物，从而形成复合材料。再如于2004年7月1日公开的美国第20040125565A1号专利申请也公开了一种热界面材料，该热界面材料采用在柔性基体中添加导热性能优异的纳米碳球来形成一复合材料。然而，这类复合材料的普遍特性是所述柔性基体的导热系数较小；而导热系数大的导热颗粒则与热源或散热装置的界面接触面积较小。虽然采用纳米级导热颗粒能在一定程度上提高导热颗粒与热源或散热装置的界面的接触程度，但其改善也相当有限；而且导热颗粒的粒径越小，其比表面积就越大，其与柔性基体之间的界面热阻也相应增加；而采用微米级或以上的导热颗粒虽然可以减小与柔性基体之间的界面热阻，但是难以填充到热源或散热装置的界面中的纳米级空隙，导致所述导热颗粒与所述热源或散热装置的界面热阻增加。
为克服上述问题，现有技术进一步揭示了一种热界面材料，其采用或添加有在工作温度下产生相变的导热颗粒，该导热颗粒在工作温度下为熔融态，能与所述热源或散热装置的界面充分浸润，故能够增加所述导热颗粒与所述热源或散热装置的界面接触面积。如于2003年4月24日公开的美国第20030077478A1号专利揭示了一种热界面材料，该热界面材料采用在柔性基体中添加一熔融温度较低的第一导热颗粒及一熔融温度较高的第二导热颗粒。第一导热颗粒用来增加所述热界面材料与热源或散热装置的界面的浸润程度，第二导热颗粒用来增加所述热界面材料的刚性。然而，具低熔点的第一导热颗粒在工作时处于熔融状态，其本身导热系数会显著下降，从而影响热界面材料的导热系数；另外，大部分导热系数高的导热颗粒在热源工作温度下都难以熔融，如导热性优异的银，铝，铜等的熔点都在350℃以上，而大多数热源的工作温度都在350℃以下，如CPU的工作温度在120℃以下，这使得第一导热颗粒的选材受到很大限制。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种热界面材料。该热界面材料既能够降低其与所述热源或散热装置的界面热阻，又能够降低所述第一导热颗粒与柔性基体之间的界面热阻，还能够使所述第一导热颗粒在工作中保持固态。本发明还提供了一种该热界面材料的使用方法。
一种热界面材料，用于将一热源上的热量传递给一散热装置。所述热源具有一使所述热源不至于过热损坏的保护温度，所述热界面材料位于热源与散热装置之间。所述热界面材料包括一柔性基体及至少一填充在所述柔性基体中的第一导热颗粒。所述第一导热颗粒在熔融前的粒径小于100纳米，且该第一导热颗粒在熔融前的的熔点小于所述保护温度。所述第一导热颗粒在熔融后的粒径大于100纳米，且该第一导热颗粒在熔融后的的熔点大于所述保护温度。
一种热界面材料的使用方法，其包括如下步骤：提供一热界面材料及一热源，所述热源具有一使所述热源不至于过热损坏的保护温度，所述热界面材料包括一柔性基体及至少一填充在所述柔性基体中的第一导热颗粒，所述第一导热颗粒在熔融前的粒径小于100纳米，且该第一导热颗粒在熔融前的的熔点小于所述保护温度；将所述热界面材料设置在热源上；加热所述热界面材料至所述保护温度以下，使所述第一导热颗粒熔融；冷却所述热界面材料。
与现有技术相比，本发明实施例提供的的热界面材料，将在熔融前粒径小于100纳米且熔点小于所述热源的保护温度的第一导热颗粒填充到所述柔性基体中。所述第一导热颗粒能够在所述保护温度以下熔融，从而与所述热源及散热装置的界面充分浸润，降低所述热界面材料与热源及散热装置之间的界面热阻；另外，所述第一导热颗粒在熔融后的粒径大于100纳米，降低所述第一导热颗粒与柔性基体之间的界面热阻；且，所述第一导热颗粒在熔融后的熔点大于所述热源的保护温度，使所述第一导热颗粒能在工作中保持固态，保持所述第一导热颗粒固有的优异导热性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的热界面材料的应用示意图。
图2是本发明第一实施例中的热界面材料在熔融前的微观结构示意图。
图3是本发明第一实施例热界面材料在熔融后的微观结构示意图。
图4是本发明第二实施例热界面材料在熔融前的微观结构示意图。
图5是本发明第二实施例热界面材料在熔融后的微观结构示意图。
图6是图1中热界面材料的使用方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例的热界面材料及该热界面材料的使用方法作进一步详细说明。
请参阅图1及图2，为本发明第一实施例提供的热界面材料30的应用示意图。在实际应用过程中，所述热界面材料30设置在一热源10及一散热装置20之间，用于将所述热源10上的热量传递给所述散热装置20。所述热源10，散热装置20及热界面材料30共同组成一电子装置100。
所述热源10可以是半导体集成器件，也可以是IC电路，电阻或其他发热元件。所述热源10具有一使所述热源10不至于过热损坏的保护温度T1。可以理解，当所述热源10的温度超过T1时，该热源10会由于过热而损坏，即T1为热源10不至于损坏的最大容忍温度。优选地，所述保护温度T1为350℃。在本实施例中，所述热源10为CPU，其保护温度T1为120℃。所述热源10靠近散热装置20的一侧具有一散热界面11，该散热界面11的表面在微观上凹凸不平，存在多个第一空隙12，所述第一空隙12的尺寸大小从纳米级到微米级不等。
所述散热装置20用于将所述热源10中的热量快速导出，使热源10不产生热积累。所述散热装置20具有一与所述散热界面11对应的导热界面21，所述导热界面21的表面在微观上也凹凸不平，存在尺寸大小从纳米级到微米级不等的多个第二空隙22。
该热界面材料30在使用时设置于所述热源10与散热装置20之间，所述热界面材料30包括一柔性基体31及至少一填充在所述柔性基体31中的第一导热颗粒32。
所述柔性基体31为热塑性树脂与热固性聚合物所组成的混合体。其中，所述热塑性树脂可以为环氧树脂系列，酚醛树脂系列，聚酰胺树脂系列中的任意一种；所述热固性聚合物材料可以为丁苯橡胶系列，溶胶凝胶系列，硅胶系列中的任意一种。所述柔性基体31的熔点大于所述保护温度T1，使所述热界面材料30具有一定弹性，不至于在高温下溢出。在本实施例中，所述柔性基体31为酚醛树脂系列与溶胶凝胶系列所组成的混合物。
所述第一导热颗粒32均匀分散在所述柔性基体31中，且所述第一导热颗粒32在所述热界面材料30中的质量百分含量为15％～95％。
所述第一导热颗粒32在熔融前的粒径小于100纳米且该第一导热颗粒32在该粒径下的熔点小于所述保护温度T1；所述第一导热颗粒32熔融后组成粒径在100纳米以上的颗粒，且所述第一导热颗粒32在粒径大于100纳米时的熔点大于所述保护温度T1。可以理解，所述第一导热颗粒32在熔融前的粒径较小，因此能够填充满所述第一空隙12及第二空隙22，尤其是当所述第一空隙12及第二空隙22为纳米级的时候。优选地，所述第一导热颗粒32为粒径为1～50纳米的金属、合金或金属与合金的混合物，且所述第一导热颗粒32在该粒径1～50纳米下的熔点在60与100℃之间。具体地，该第一导热颗粒32的材料可为导热系数较大的银，金，铜或锡铅合金等。因为这类第一导热颗粒32在非纳米级时的熔点一般比较高，如银在非纳米级时的熔点为962℃，锡铅合金在非纳米级时的熔点为183℃左右，但当这些材料在纳米级时，尤其是在1～50纳米时，其熔点会出现出现显著下降。亦即，这些导热系数较大的金属或合金材料在纳米级粒径时，其在较低温度下，如60℃～120℃之间，就可以达到熔融态，从而能够充分浸润所述第一空隙12及第二空隙22。因此所述热界面材料30能够减小所述散热界面11与导热界面21之间的界面热阻。在本实施例中，所述第一导热颗粒32选择粒径范围在10～20纳米的锡铅合金颗粒，且该第一导热颗粒32的粒径在10～20纳米时的熔点为91℃左右。当然，所述第一导热颗粒32的粒径并不需要完全相等。在另一实施例中，所述第一导热颗粒32也可以选用粒径范围在20纳米左右的银颗粒，此时，所述导热颗粒21的熔点在100℃左右。
请参阅图3，当所述第一导热颗粒32及柔性基体31在一小于所述保护温度T1的温度下熔融时，所述第一导热颗粒32相互结合，至少会有部分纳米级的第一导热颗粒32相互结合成微米级以上尺寸，并相互搭接形成若干个导热通道。可以理解，如果第一导热颗粒32在所述柔性基体31中所占比例比较高且在熔融态保持足够长时间，则所述全部第一导热颗粒32也可以熔融成一整体。所述经过熔融并相互结合后的第一导热颗粒32在冷却凝固后，其熔点也随着粒径的增大而上升，即当再次上升到同一温度时，该第一导热颗粒32不会再度熔融。
从图3中可以看出，利用第一导热颗粒32的熔点在纳米级会随着粒径的减小而降低的特性，可以通过选择第一导热颗粒32的粒径大小来对应不同的熔点，从而实现导热系数高的第一导热颗粒32也能够在一个比较低的温度下熔融的目的，扩展了第一导热颗粒32的材料选择范围。如在本实施例中，粒径范围在10～20纳米之间的锡铅合金在91℃时就可以熔融，从而浸润到第一空隙12及第二空隙22，并形成多个导热通道，减小所述热界面材料30与热源10及散热装置20之间的接触热阻。而在热源10正常工作时，所述第一导热颗粒32则保持在固态，具备第一导热颗粒32固有的优异导热性能。即便热源10的温度在工作中突然升至最高工作温度以上，大部分第一导热颗粒32也会保持在固态，因为所述第一导热颗粒32相互结合后粒径会增大到微米级或以上，对应的熔点也会升高，只有极少数第一导热颗粒32还保持在纳米级，但不影响整体性能。而且，由于大部分第一导热颗粒32经过熔融相互结合后得到粒径更大的第一导热颗粒32，因此所述第一导热颗粒32与柔性基体的界面热阻也相应减小。
请参阅图4及图5，本发明第二实施例提供一种热界面材料230，该热界面材料230应用在一电子装置200中。该电子装置200还包括一热源210及一散热装置220，在实际应用过程中，所述热界面材料230设置在所述热源210与散热装置220之间，用于将所述热源210上的热量传递给一散热装置220。
所述热源210，散热装置220及热界面材料230的结构与组成与第一实施例中电子装置100中热源10，散热装置20及热界面材料30的结构与组成基本相同，其区别在于：所述热界面材料230在熔融前还分散有多个熔点大于所述保护温度T1的第二导热颗粒233。
在本实施例中，所述第二导热颗粒233为碳纳米管或碳纤维，所述第二导热颗粒233均匀分散在所述柔性基体231中，在所述热界面材料230中所占质量百分含量为1～25％。当所述第一导热颗粒232为金属或合金时，为增强所述第二导热颗粒233对金属的浸润性，可对所述第二导热颗粒233的表面进行修饰，如通过化学镀等方法在所述第二导热颗粒233的表面镀上金属或合金。而且当所述第一导热颗粒232在一小于所述保护温度T1的温度下熔融时，所述第二导热颗粒233保持在固态；多个处于熔融态的第一导热颗粒232与至少一个第二导热颗粒233结合并将所述第二导热颗粒233包覆，形成复合导热颗粒。在所述热界面材料230冷却后，多个复合导热颗粒相互搭接成多个导热通道。
可以理解，在所述热界面材料230中填充导热能力更为优异的第二导热颗粒233，可进一步提升所述热界面材料230的导热性能，而且为所述热界面材料230提供足够的强度与刚性。
请参阅图6，所述热界面材料的使用方法包括如下步骤。
步骤S101，提供一热界面材料及一热源，所述热源具有一使所述热源不至于过热损坏的保护温度，所述热界面材料包括一柔性基体及至少一填充在所述柔性基体中的第一导热颗粒，所述第一导热颗粒在熔融前的粒径小于100纳米，且该第一导热颗粒在熔融前的的熔点小于所述保护温度。
步骤S102，将所述热界面材料设置在热源上。
步骤S103，加热所述热界面材料至所述保护温度以下，使所述第一导热颗粒熔融。所述第一导热颗粒在熔融态下会相互结合，其粒径将增大至微米级以上，如果所述第一导热颗粒在熔融态的时间足够长，则全部第一导热颗粒熔融成一个整体。
步骤S104，将一散热装置扣合在所述热界面材料之上，使所述热界面材料位于所述热源与散热装置之间。在所述热界面材料在熔融态时将所述散热装置扣合在所述热界面材料之上，可灵活调节所述散热装置与所述热源之间的距离。可以理解，所述热界面材料在熔融态下，更容易被压缩，从而能够进一步缩短所述散热装置与所述热源之间的距离，缩短所述热界面材料的热传递路径。
步骤S105，冷却所述热界面材料。冷却所述热界面材料后，所述热界面材料中的导热颗粒由于粒径在微米级以上，所述导热颗粒的熔点也上升到所述保护温度以上。可以理解，所述热界面材料经过冷却后，当再次将温度升高到使所述粒径小于100纳米时导热颗粒熔融的温度时，所述导热颗粒将不再熔融。
在所述步骤S102中，还可以包括如下步骤：将一散热装置扣合在所述热界面材料之上，使所述热界面材料位于所述热源与散热装置之间。且，此时所述步骤S104将不再必要。
所述热界面材料将在熔融前粒径小于100纳米且熔点小于所述热源的保护温度的第一导热颗粒填充到所述柔性基体中。所述第一导热颗粒能够在所述保护温度以下熔融，从而与所述热源及散热装置的界面充分浸润，降低所述热界面材料与热源及散热装置之间的界面热阻；另外，所述第一导热颗粒在熔融后的粒径大于100纳米，能降低所述第一导热颗粒与柔性基体之间的界面热阻；且，所述第一导热颗粒在熔融后的熔点大于所述热源的保护温度，使所述第一导热颗粒能在工作中保持固态，保持所述第一导热颗粒固有的优异导热性能。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但是，其并非用以限定本发明，另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化等。当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (16)

1.一种热界面材料，用于将一热源上的热量传递给一散热装置，所述热源具有一使所述热源不至于过热损坏的保护温度，所述热界面材料位于热源与散热装置之间，所述热界面材料包括一柔性基体及至少一填充在所述柔性基体中的第一导热颗粒，其特征在于，所述第一导热颗粒在熔融前的粒径小于100纳米，且该第一导热颗粒在熔融前的的熔点小于所述保护温度，所述第一导热颗粒在熔融后的粒径大于100纳米，且该第一导热颗粒在熔融后的的熔点大于所述保护温度。
2.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述第一导热颗粒的粒径在熔融前小于50纳米。
3.如权利要求2所述的热界面材料，其特征在于，所述第一导热颗粒的熔点在熔融前为低于120℃。
4.如权利要求3所述的热界面材料，其特征在于，所述第一导热颗粒在熔融前为粒径范围在10～20纳米的锡铅合金颗粒。
5.如权利要求3所述的热界面材料，其特征在于，所述第一导热颗粒在熔融前为粒径为20纳米的银颗粒。
6.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述第一导热颗粒在所述热界面材料中的质量百分含量为15％～95％。
7.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述柔性基体的熔融温度大于所述保护温度。
8.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述第一导热颗粒在熔融再冷却后的粒径在微米级以上，且所述第一导热颗粒在熔融后相互搭接成至少一个导热通道。
9.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述热界面材料还进一步包括第二导热颗粒填充在所述柔性基体中，所述第二导热颗粒的熔点大于所述保护温度。
10.如权利要求9所述的热界面材料，其特征在于，所述第二导热颗粒为在所述热界面材料中质量百分含量为1～25％的碳纳米管或碳纤维。
11.如权利要求10所述的热界面材料，其特征在于，所述第二导热颗粒的表面经过修饰，对金属具有亲和力。
12.一种热界面材料的使用方法，其包括如下步骤：
提供一热界面材料及一热源，所述热源具有一使所述热源不至于过热损坏的保护温度，所述热界面材料包括一柔性基体及至少一填充在所述柔性基体中的第一导热颗粒，所述第一导热颗粒在熔融前的粒径小于100纳米，且该第一导热颗粒在熔融前的的熔点小于所述保护温度；
将所述热界面材料设置在热源上；
加热所述热界面材料至所述保护温度以下，使所述第一导热颗粒熔融；
冷却所述热界面材料。
13.如权利要求12所述的热界面材料的使用方法，其特征在于，所述第一导热颗粒在熔融后的粒径大于100纳米，且该第一导热颗粒在熔融后的的熔点大于所述保护温度
14.如权利要求13所述的热界面材料的使用方法，其特征在于，所述第一导热颗粒在冷却后形成一个整体。
15.如权利要求12所述的热界面材料的使用方法，其特征在于，在冷却所述热界面材料步骤前，还包括如下步骤：
将一散热装置扣合在所述热界面材料之上，使所述热界面材料位于所述热源与散热装置之间。
16.如权利要求12所述的热界面材料的使用方法，其特征在于，在将所述热界面材料设置在热源上步骤中，还包括如下步骤：
将一散热装置扣合在所述热界面材料之上，使所述热界面材料位于所述热源与散热装置之间。
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