CN101989583B - 散热结构及使用该散热结构的散热系统 - Google Patents

散热结构及使用该散热结构的散热系统 Download PDF

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Abstract

一种散热结构，其包括一热界面材料，该热界面材料包括一基体以及分散于该基体中的多个碳纳米管，该基体具有相对设置的一第一表面及一第二表面，其中，所述热界面材料至少一表面进一步设置有一过渡层，该过渡层的厚度为1纳米至100纳米，且该过渡层与该热界面材料中的碳纳米管接触。本发明提供的散热结构具有界面接触热阻小，散热效率高的特点。本发明还提供一种使用上述散热结构的散热系统。

Description

散热结构及使用该散热结构的散热系统
技术领域
本发明涉及一种散热结构及使用该散热结构的散热系统，尤其涉及一种使用碳纳米管的散热结构及散热系统。
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。为满足散热需要，通常在散热器与半导体器件之间设置一散热结构，使得散热器与半导体器件之间接触更加紧密，增强半导体器件与散热器之间的热传导效果。
其中，现有技术中应用较多的散热结构为热界面材料。现有的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。该类材料的普遍缺陷是整体材质导热系数较小，一般为1W/m·K，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/m·K，然而，聚合物基体的导热颗粒含量增加至一定程度时，会使聚合物基体的性能发生改变，如油脂会变硬，从而浸润效果变差，橡胶也会变得较硬，失去应有的柔韧性，大大降低热界面材料界面接触性能，降低了散热结构的散热效果，从而使散热器与半导体器件之间的热阻增大。
为改善散热结构的导热性能，提高导热系数，各种材料被广泛试验。碳纳米管的长径比大，长度可为直径的几千倍；碳纳米管的强度高，为钢的100倍，但重量只有钢的六分之一；碳纳米管的韧性与弹性极佳，且具有优异的轴向导热性能，因此，将碳纳米管作为导热粒子分散于聚合物基体中以形成碳纳米管热界面材料已成为散热结构研究的一重要方向。但，这种分散法制备的碳纳米管热界面材料中的碳纳米管杂乱排列，不利于充分利用碳纳米管的轴向导热性能，使得该碳纳米管热界面材料的导热性能提高受到限制，进而使得散热结构的散热效果受到限制。
为充分利用碳纳米管的轴向导热性能，业界通常将碳纳米管阵列中的碳纳米管之间的空隙中填充基体材料，并使碳纳米管的端部露出该基体材料的表面，以提高散热结构的散热效果。请参阅图1，2007年8月7日于美国公告的，名称为“THERMAL INTERFACE MATERIAL WITH CARBONNANOTUBES”、公告号为US 7,253,442B的专利中揭示了一种热界面材料40。所述热界面材料40包括一高分子材料32以及分布在该高分子材料中的多个碳纳米管22，该热界面材料40形成有一第一表面42及相对于该第一表面42的第二表面44，该碳纳米管22两端露出该热界面材料40的第一表面42及第二表面44，且该碳纳米管22在该高分子材料32中均匀分布并且沿该热界面材料40的第一表面42向第二表面44延伸。但，所述热界面材料40在应用时，碳纳米管22会与散热器或热源直接接触，使得该热界面材料40与散热器或热源之间的界面热阻较大，进而影响了该热界面材料40的散热性能。
发明内容
有鉴于此，实有必要提供一种界面热阻较小的散热结构及使用该散热结构的散热系统。
一种散热结构，其包括一热界面材料，该热界面材料包括一基体以及分散于该基体中的多个碳纳米管，该基体具有相对设置的一第一表面及一第二表面，其中，所述热界面材料至少一表面进一步设置有一过渡层，该过渡层的厚度为1纳米至100纳米，且该过渡层与该热界面材料中的碳纳米管接触。
一种散热系统，其包括一散热器、一散热结构及一热源，该散热结构设置于该散热器及热源之间，且该散热结构包括一热界面材料，该热界面材料包括一基体以及分散于该基体中的多个碳纳米管，该基体具有相对设置的一第一表面及一第二表面，其中，所述热界面材料至少一表面进一步设置有一过渡层，该过渡层的厚度为1纳米至100纳米，且该过渡层与该热界面材料中的碳纳米管接触。
与现有技术相比较，本发明提供的散热结构及使用该散热结构的散热系统，由于其中的热界面材料中的碳纳米管通过过渡层与散热装置或热源接触，可以有效地降低碳纳米管端部与散热装置或热源直接接触的界面热阻，从而提高该散热结构的散热效果，进而提高了使用该散热结构的散热系统的散热率。
附图说明
图1是现有技术中的散热结构示意图。
图2是本发明提供的散热结构第一实施例的结构示意图。
图3是本发明提供的散热结构第二实施例的结构示意图。
图4是本发明提供的散热结构第三实施例的结构示意图。
图5是本发明提供的散热系统的结构示意图。
图6是本发明提供的散热系统中的散热结构与散热器之间的界面热阻，与过渡层的厚度的关系示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明提供的散热结构及使用该散热结构的散热系统作进一步的详细说明。
请参阅图2，本发明实施例提供一种散热结构10，其包括一热界面材料110及一过渡层120；该热界面材料110具有一第一表面116及一与该第一表面116相对设置的第二表面117；该过渡层120设置于该热界面材料110的第一表面116。
所述热界面材料110包括一基体114及分散于该基体114中的多个碳纳米管112。该基体114的第一表面为所述热界面材料110的第一表面116，该基体114的第二表面为所述热界面材料110的第二表面117。该基体114的材料包括相变材料、树脂材料、导热胶、橡胶、硅胶或其任意组合的混合物。所述树脂材料包括环氧树脂、丙烯酸树脂或硅树脂。本实施例中，所述基体114的材料为一双组分硅酮弹性体。
所述多个碳纳米管112基本相互平行设置，且垂直于所述基底114的第一表面116，并该多个碳纳米管112的一端伸出该基体114的第一表面116。优选地，所述多个碳纳米管112组成一碳纳米管阵列分布于所述基体114中，该多个碳纳米管112的该碳纳米管阵列的高度可根据实际应用的需要而确定。所述每个碳纳米管112包括一第一端122及与该第一端122相对设置的第二端124。所述碳纳米管112在该热界面材料10中的质量百分含量为0.1％～5％。所述碳纳米管112包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或其组合。
本实施例中，所述基体114的第一表面116及第二表面117相互平行；所述多个碳纳米管112组成一多壁碳纳米管阵列，即该多壁碳纳米管阵列中的碳纳米管112基本相互平行且垂直于所述基体114的第一表面116及第二表面117。所述多个碳纳米管112的第二端124与所述基体114的第二表面117相邻设置，该多个碳纳米管112的第一端122与所述基体114的第一表面116相邻设置。所述碳纳米管112从所述基体114的第二表面117向该基体114的第一表面116延伸，该碳纳米管112的第一端122为该多壁碳纳米管阵列的第一端122，该碳纳米管112的第二端124为该多壁碳纳米管阵列的第二端124；所述碳纳米管阵列的第一端122基本上露出所述基体114的第一表面116。碳纳米管112在该热界面材料10中的质量百分含量为2％。
所述多个碳纳米管112的第一端122与所述过渡层120接触，且包埋于该过渡层120中。所述过渡层120的材料包括硅胶系列、聚乙烯乙二醇、聚乙烯、聚酯、环氧树脂系列、缺氧胶系列、压克力胶系列、橡胶或其任意组合。所述过渡层120的选择应根据实际应用确定。本实施例中，所述过渡层120的材料均为硅橡胶。
所述过渡层120的厚度不能太厚，这是因为该散热结构10的界面热阻主要是由过渡层120的材料本身的热阻，及该过渡层120与散热器或热源之间的接触热阻决定的。当过渡层120太厚时，该过渡层120的材料本身的热阻在散热结构10的界面热阻中占主导地位；另外，该过渡层120的材料本身的热阻较大，因而该散热结构10的界面热阻较大。当过渡层120的厚度较薄时，该过渡层120与散热器或热源之间的接触热阻在散热结构10的界面热阻中占主导地位；另外，此时该接触热阻较小，故过渡层120的厚度较薄时，散热结构10的界面热阻较小。优选地，该过渡层120的厚度为1纳米至100纳米。本实施例中，所述过渡层120的厚度为50纳米。
进一步，所述散热结构10还包括多个导热粒子118，该多个导热粒子118分散于基体114中。所述多个导热粒子118具有较高的导热率，其在所述散热结构10中，可以提高该散热结构10的散热率。所述多个导热粒子118的材料包括金属、合金、氧化物及非金属粒子等粒子中的一种或其任意组合。所述金属包括锡、铜、铟、铅、锑、金、银、铋及铝等金属中的一种或其任意组合。所述合金包括锡、铜、铟、铅、锑、金、银、铋及铝等金属任意组合的合金中的一种或其任意组合。所述氧化物包括金属氧化物及氧化硅等氧化物中的一种或其任意组合。所述非金属粒子包括石墨及硅等非金属粒子中的一种或其任意组合。本实施例中，所述多个导热粒子118的材料为石墨。
本发明实施例的散热结构10应用于电子器件时，该散热结构10中的多个碳纳米管112通过过渡层120与电子器件接触，避免了碳纳米管112直接与电子器件接触而造成较大的界面热阻，有效地降低了该散热结构10与电子器件的界面热阻，确保碳纳米管112的轴向导热性能得到充分发挥，提高了该散热结构10的散热率，从而提高了整个电子器件的散热效果。该散热结构10中的多个导热粒子118可以提高基体114的导热率，进而提高该散热结构10的散热效果。
可以理解，本发明实施例提供的散热结构10中的碳纳米管112也可以为碳纤维或碳纳米管与碳纤维的组合。本发明实施例提供的散热结构10中也可以没有导热粒子118。
本实施例中的散热结构10的制备方法包括以下步骤：(11)提供一碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列包括多个碳纳米管112；(12)将一液态的基体114的材料与多个导热粒子118填充于所述碳纳米管阵列中，并形成所述热界面材料110，所述多个碳纳米管112的第一端122露出所述基体114的第一表面116；(13)在基体114的第一表面116上形成一过渡层120，且该第一过渡层120包埋住所述多个碳纳米管112的第一端122。
所述步骤(11)中，所述碳纳米管阵列具有一基底，所述多个碳纳米管112的第二端124与所述碳纳米管阵列的基底接触。
所述步骤(12)具体包括以下步骤：首先，将多个导热粒子118分散到一液态的基体114材料中，形成一混合物。其次，将所述碳纳米管阵列连同基底一起浸到所述混合物中，使该混合物填充该碳纳米管阵列中的多个碳纳米管112之间的空隙。然后，将被所述混合物完全浸润的碳纳米管阵列连同基底一起取出，固化或凝固使该混合物中的液态的基体114材料转化为固态，形成所述基体114。该基体114的第二表面117与所述基底相邻设置。之后，对所述基体114的第一表面116进行刻蚀或研磨，使得所述多个碳纳米管112的第一端122伸出该基底114的第一表面116。最后，去除所述基底，在靠近所述基体114第二表面117的位置，用切片机沿垂直于所述碳纳米管阵列轴向方向切割该碳纳米管阵列，使得所述多个碳纳米管112的第二端122与所述基体114的第二表面117平齐，形成热界面材料110。
可以理解，该步骤(12)中液态的基体材料中也可以不添加导热粒子。
在步骤(13)中，具体地，采用旋涂、印刷或刷子刷涂等方法将该过渡层120的溶液涂覆于所述基体114的第一表面116，且包埋住所述多个碳纳米管112的第一端122，在该基体114的第一表面116形成1纳米至100纳米厚的过渡层120。
该步骤(13)也可以通过将所述过渡层120的前驱体喷涂到所述基体114的第一表面116，然后固化该过渡层120的前驱体，以形成该过渡层120。如，将硅橡胶溶液喷涂到所述基体114的第一表面116，然后固化该硅橡胶溶液，从而在该基体114的第一表面116形成过渡层120。
可以理解，上述方法中的各步骤的顺序是可以调整的，无论各步骤的顺序如何调整，只要按照其能够制备出所述散热结构10即可。
请参阅图3，本发明散热结构的第二实施例提供一种散热结构20，其包括一热界面材料210、一第一过渡层220及一第二过渡层230；该热界面材料210包括一第一表面216及与该第一表面216相对设置的第二表面217；所述第一过渡层220设置于所述热界面材料210的第一表面216，所述第二过渡层230设置于所述热界面材料210的第二表面217。其中，所述热界面材料210包括多个碳纳米管212，多个导热粒子218，该多个碳纳米管212、该导热粒子218均分布于一基体214中，该多个碳纳米管212基本垂直于该热界面材料210的第一表面216。该基体214的第一表面为热界面材料210的第一表面216，该基体214的第二表面为热界面材料210的第二表面217。所述多个碳纳米管212具有一第一端222及与该第一端222相对设置的第二端224。
本实施例中，所述热界面材料210的结构与第一实施例中的热界面材料110的结构基本相同，不同之处在于：所述多个碳纳米管212的第一端222伸出热界面材料210的第一表面216，所述多个碳纳米管212的第二端224伸出热界面材料210的第二表面217。所述第一过渡层220覆盖热界面材料210的第一表面216，并包埋所述多个碳纳米管212的第一端222；所述第二过渡层230覆盖热界面材料210的第二表面217，并包埋所述多个碳纳米管212的第二端224。优选地，所述第一过渡层220与第二过渡层230的厚度分别为1纳米至100纳米。本实施例中，该第一过渡层220与第二过渡层230的厚度均为50纳米。该第一过渡层220与第二过渡层230的材料与散热结构10中的过渡层120的材料相同。
上述散热结构20的制备方法包括以下步骤：(21)提供一碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列包括多个碳纳米管212；(22)将一液态的基体214的材料与所述多个导热粒子218填充于所述碳纳米管阵列中，并形成所述热界面材料210，所述多个碳纳米管212的第一端222露出所述基体214的第一表面216，所述多个碳纳米管212的第二端224露出所述基体214的第二表面217；(23)在基体214的第一表面216上形成所述第一过渡层220，且该第一过渡层220包埋住所述多个碳纳米管212的第一端222；以及(24)在基体214的第二表面217上形成所述第二过渡层230，且该第二过渡层230包埋住所述多个碳纳米管212的第二端224。
本实施例中散热结构20的制备方法与第一实施例中散热结构10的制备方法基本相同，不同之处在于：与第一实施例中的步骤(12)相比，本实施例中的步骤(22)进一步包括使所述多个碳纳米管212的第二端224伸出所述热界面材料210的第二表面217的步骤，在去除所述碳纳米管阵列的基底之后，刻蚀或研磨所述热界面材料210的第二表面217使得所述多个碳纳米管212的第二端224伸出该热界面材料210的第二表面217。本实施例的步骤(23)还包括在所述热界面材料210的第二表面217形成所述第二过渡层230的步骤，该步骤的实施方式与第一实施例中的步骤(13)的实施方式相同。
本发明实施例的散热结构20应用于电子器件时，该散热结构20中的多个碳纳米管212的两端分别通过第一过渡层220、第二过渡层230与电子器件或散热器接触，有效地降低了该散热结构20的界面热阻，提高了该散热结构20的散热效果。
请参阅图4，本发明散热结构的第三实施例提供一种散热结构30，其包括一热界面材料310、一第一过渡层320及一第二过渡层330；该热界面材料310包括一第一表面316及与该第一表面316相对设置的第二表面317；所述第一过渡层320设置于所述热界面材料310的第一表面316，所述第二过渡层330设置于所述热界面材料310的第二表面317。其中，所述热界面材料310包括多个基本相互平行的碳纳米管312，多个导热粒子318，该多个碳纳米管312、该导热粒子318均分布于一基体314中；该多个碳纳米管312基本垂直于该热界面材料310的第一表面316。该基体314的第一表面为热界面材料310的第一表面316，该基体314的第二表面为热界面材料310的第二表面317。所述多个碳纳米管312具有一第一端322及与该第一端322相对设置的第二端324。
本实施例提供的散热结构30与第二实施例提供的散热结构20基本相同，不同之处在于：所述多个碳纳米管312的第一端322与该热界面材料310的第一表面316平齐；所述多个碳纳米管312的第二端324与该热界面材310的第二表面317平齐。
上述散热结构30的制备方法包括以下步骤：(31)提供一碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列包括多个碳纳米管312；(32)将一液态的基体314的材料与所述多个导热粒子318填充于所述碳纳米管阵列中，并形成所述热界面材料310，所述多个碳纳米管312的第一端322与所述基体314的第一表面316平齐，所述多个碳纳米管312的第二端324与所述基体314的第二表面317平齐；(33)在基体314的第一表面316上形成所述第一过渡层320，且该第一过渡层320包覆所述多个碳纳米管312的第一端322；以及(24)在基体314的第二表面317上形成所述第二过渡层330，且该第二过渡层330包覆所述多个碳纳米管312的第二端324。
本实施例中散热结构30的制备方法与第二实施例中散热结构20的制备方法基本相同，不同之处在于：本实施例中，采用切割的方法使得所述多个碳纳米管312的第一端322与所述基体314的第一表面316平齐，所述多个碳纳米管312的第二端324与所述基体314的第二表面317平齐。
请参阅图2及图5，本发明进一步提供一种使用散热结构10的散热系统400。该散热系统400包括依次堆叠设置的一散热器420、散热结构10及一热源430。
具体地，所述散热结构10中的过渡层120与所述散热器420直接接触，该散热结构10中的热界面材料110与所述热源430直接接触。其中，该散热器420为金属质散热器。本实施例中，所述散热器420为铜质散热器。所述热源430为芯片、功率晶体管、CPU等电子器件。本实施例中，所述热源430为一芯片。
其中，本实施例中，所述散热器420与散热结构10之间的界面热阻与过渡层120的厚度之间的关系请参阅图6。当散热结构10没有过渡层120时，其与所述散热器420之间的界面热阻为1.52×10-4m2·K/W，当过渡层120的厚度为1纳米左右时，该散热结构10与散热器420之间的界面热阻急剧降到1.37×10-4m2·K/W，这是由于过渡层120与散热器420之间的界面热阻小于碳纳米管与散热器420之间的界面热阻，而且此时过渡层120的材料自身的热阻也小于过渡层120与散热器420之间的界面热阻；该过渡层120与散热器420之间的界面热阻在界面热阻中占主导地位，随着过渡层120的厚度的增加，该过渡层120与散热器420之间的界面热阻也在不断降低。但，当过渡层120的厚度增加到50纳米左右时，该过渡层120与散热器420之间的界面热阻最小，为1.06×10-4m2·K/W；当过渡层120的厚度超过50纳米左右时，过渡层120的材料自身的热阻在该散热结构10与散热器420之间的界面热阻中占主导地位，过渡层120越厚，过渡层120材料自身的热阻就越大，进而该过渡层120与散热器420之间的界面热阻也越大；当过渡层120的厚度为100纳米左右时，该过渡层120与散热器420之间的界面热阻到达1.37×10-4m2·K/W。当过渡层120的厚度超过100纳米，该过渡层120与散热器420之间的界面热阻急剧上升至1.52×10-4m2·K/W；此后，由于该过渡层120自身的热阻较大逐渐增大，该过渡层120与散热器420之间的界面热阻主要由过渡层120的材料自身的热阻决定。因此，本实施例中，过渡层120的厚度优选为1纳米至100纳米时，该散热结构10与散热器420之间的界面热阻较小，使用该散热结构10的散热系统400具有良好的散热效果。
可以理解，本发明散热结构的第二实施例提供的散热结构20、第三实施例提供的散热结构30均可以采用与第一实施例提供的散热结构10相似的方式应用于散热系统中，以降低散热结构分别与散热器、热源之间的界面热阻，从而提高使用该两种散热结构的散热系统的散热效果。
本发明实施例提供的散热结构及使用该散热结构的散热系统具有以下优点：第一，由于过渡层的厚度控制在1纳米至100纳米之间，减少了过渡层与散热器或热源之间的界面热阻，避免了碳纳米管的两端与散热装置或热源之间直接接触而引起的较大的界面热阻，使得碳纳米管通过过渡层与散热器或热源相接触，有效地降低了碳纳米管端部与散热器或热源直接接触的界面热阻，在确保碳纳米管的轴向导热性能得到充分发挥的同时，提高散热结构的散热率，进而提高整个散热系统的散热效果。第二，由于所述多个导热粒子具有较低的热阻，其可以提高所述基体的导热率，从而提高该散热结构的导热率，进而提高应用该散热结构的散热系统的散热效果。第三，本发明实施例提供的散热系统的制造方法简单、易于操作；由该方法制造的散热系统具有良好的散热效果。
另外，本领域技术人员还可以在本技术方案精神内做其它变化，这些依据本技术方案精神所做的变化，都应包含在本技术方案所要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种散热结构，其包括一热界面材料，该热界面材料包括一基体以及分散于该基体中的多个碳纳米管，该基体具有相对设置的一第一表面及一第二表面，其特征在于，所述热界面材料至少一表面进一步设置有一过渡层，该过渡层的厚度为1纳米至100纳米，且该过渡层与该热界面材料中的碳纳米管接触，所述多个碳纳米管基本相互平行且基本垂直于该基体的第一表面及第二表面，且该多个碳纳米管中至少部分碳纳米管的至少一端延伸出所述热界面材料的至少一表面，并包埋于所述过渡层中。
2.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述热界面材料包括一第一表面及一与该第一表面相对设置的第二表面，该第一表面及第二表面均设置有一过渡层。
3.如权利要求2所述的散热结构，其特征在于，所述热界面材料中多个碳纳米管的两端均分别延伸出所述基体的第一表面及第二表面，且均包埋于所述过渡层中。
4.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述热界面材料中碳纳米管的质量百分含量为0.1%~0.5%。
5.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述过渡层的材料为硅胶系列、聚乙烯乙二醇、聚乙烯、聚酯、环氧树脂系列、缺氧胶系列、压克力胶系列、橡胶或其任意组合。
6.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述热界面材料进一步包括多个导热粒子，该多个导热粒子分散于所述基体中。
7.如权利要求6所述的散热结构，其特征在于，所述导热粒子包括金属粒子、合金粒子、氧化物粒子及非金属粒子中的一种或其任意组合。
8.一种散热系统，其包括一散热器、一散热结构及一热源，该散热结构设置于该散热器及热源之间，且该散热结构包括一热界面材料，该热界面材料包括一基体以及分散于该基体中的多个碳纳米管，该基体具有相对设置的一第一表面及一第二表面，其特征在于，所述热界面材料至少一表面进一步设置有一过渡层，该过渡层的厚度为1纳米至100纳米，且该过渡层与该热界面材料中的碳纳米管接触，所述多个碳纳米管基本相互平行且基本垂直于该基体的第一表面及第二表面，且该多个碳纳米管中至少部分碳纳米管的至少一端延伸出所述热界面材料的至少一表面，并包埋于所述过渡层中。
9.如权利要求8所述的散热系统，其特征在于，所述过渡层包括一第一过渡层及与该第一过渡层相对设置的一第二过渡层，该第一过渡层设置于所述散热器与所述热界面材料之间，并与所述多个碳纳米管中的至少部分碳纳米管的一端包埋于该第一过渡层中；该第二过渡层设置于所述热界面材料与所述热源之间，并且与所述多个碳纳米管中的至少部分碳纳米管的另一端包埋于该第二过渡层中。
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