CN113025288A - 一种高导热率材料在设备热管理中的应用及刹车片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高导热率材料在设备热管理中的应用及刹车片，其中，所述应用中，高导热率材料为氮化钽、氮化钽合金或氮化钽复合材料中的一种。本发明通过测试发现氮化钽的室温(300K)热导率约为1000W/m‑K，并且氮化钽无毒，且具有低成本的材料合成和加工成本等优点，这使得氮化钽可以成为三维体材料中最好的热导体之一。因此，可将氮化钽、氮化钽合金或氮化钽复合材料用于设备的热管理应用，增强散热效率并将热点移除，从而提高设备性能。
Description
技术领域
本发明涉及高热导率材料的应用技术领域，特别涉及一种高导热率材料在设备热管理中的应用及刹车片。
背景技术
散热是电子和半导体行业的一个非常打的挑战。随着集成电路中晶体管集成度越来越高，运行速度越来越快，从智能手机到数据服务器等一系列电子设备都会存在设备过热问题。为了使设备可靠运行，应及时迅速散发热量。当前建议用于热管理应用的材料包括氧化铝和碳化硅，然而，氧化铝和碳化硅的热导率分别约为35W/m-K和300W/m-K，不足以用于各种热管理应用。金刚石的热导率约为2000W/m-K，但是金刚石太贵且合成太慢。最近发现的砷化硼(BAs)热导率接近1000W/m-K，但因为砷的毒性，BAs不是环境友好型材料。
因此，现有技术迫切需要一些具有超高热导率的块状材料以进行有效的热管理。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高导热率材料在设备热管理中的应用及刹车片，旨在解决现有技术缺少环保型高导热率热管理材料，导致现有设备热管理效率较差的问题。
本发明的技术方案如下：
一种高导热率材料在设备热管理中的应用，其中，所述高导热率材料为氮化钽、氮化钽合金或氮化钽复合材料中的一种。
所述高导热率材料在设备热管理中的应用，其中，所述设备包括热源以及与所述热源物理接触或非物理接触的热管理层，所述热管理层材料为氮化钽、氮化钽合金或氮化钽复合材料中的一种。
所述高导热率材料在设备热管理中的应用，其中，其特征在于，所述设备包括衬底以及设置在所述衬底上的电子组件，所述衬底材料为氮化钽。
所述高导热率材料在设备热管理中的应用，其中，所述设备还包括设置在所述电子组件上的散热片，所述散热片材料为氮化钽、氮化钽合金或氮化钽复合材料中的一种。
所述高导热率材料在设备热管理中的应用，其中，所述电子组件与所述散热片之间设置有热界面层，所述热界面层有热界面材料制得，所述热界面材料为氮化钽或为氮化钽颗粒与聚合物组成的导热胶。
所述高导热率材料在设备热管理中的应用，其中，还包括设置在所述散热片上的散热器，所述散热器材料为氮化钽、氮化钽合金或氮化钽复合材料中的一种。
所述高导热率材料在设备热管理中的应用，其中，所述散热片与所述散热器之间还设置有热界面层，所述热界面层由热界面材料制得，所述热界面材料为氮化钽或为氮化钽颗粒与聚合物组成的导热胶。
所述高导热率材料在设备热管理中的应用，其中，所述聚合物为环氧树脂、硅氧树脂、聚氨酯、氨基甲酸酯和丙烯酸酯中的一种或多种。
所述高导热率材料在设备热管理中的应用，其中，所述设备为计算机、智能电话、发光二极管激光器或太阳能电池中的一种。
一种刹车片，其中，所述刹车片材料为氮化钽、氮化钽合金或氮化钽复合材料中的一种。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种高导热率材料在设备热管理中的应用，所述高导热率材料为氮化钽、氮化钽合金或氮化钽复合材料中的一种。本发明通过测试发现氮化钽的室温(300K)热导率约为1000W/m-K，并且氮化钽无毒，且具有低成本的材料合成和加工成本等优点，这使得氮化钽可以成为三维体材料中最好的热导体之一。因此，可将氮化钽、氮化钽合金或氮化钽复合材料用于设备的热管理应用，增强散热效率并将热点移除，从而提高设备性能。
附图说明
图1为氮化钽(TaN),金刚石(diamond),砷化硼(BAs)和银(silver)的热导率(k)随温度(T)的变化关系图。
图2为本发明实施例提供的一种设备的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种高导热率材料在设备热管理中的应用及刹车片，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
由于氧化铝和碳化硅的热导率分别为约35W/m-K和约300W/m-K，不足以用于各种热管理应用。金刚石的高热导率约2000W/m-K，但金刚石太贵且合成太慢。砷化硼(BAs)热导率虽然接近1000W/m-K，但因为砷的毒性，BAs不是环境友好型材料。因此，现有技术迫切需要一些具有超高导热率的材料以进行有效的热管理。
基于此，本发明提供了一种高导热率材料在设备热管理中的应用，其中，所述高导热率材料为氮化钽、氮化钽合金或氮化钽复合材料中的一种。
具体来讲，本实施例发现了一种高导热率材料，即氮化钽(TaN)，如图1所示，本实施例通过测试发现氮化钽的室温(300K)热导率约为1000W/m-K，该值仅次于金刚石和砷化硼，是银的2.5倍左右，是硅的7倍左右，这使得氮化钽可以成为三维体材料中最好的热导体之一。并且氮化钽无毒，具有低成本的材料合成和加工成本，因此，可将氮化钽、氮化钽合金或氮化钽复合材料用于设备的热管理应用。
在本实施例中，所述氮化钽可以为TaN单晶或TaN多晶。作为举例，所述TaN单晶包括无缺陷的TaN单晶和含有缺陷的TaN单晶，所述含有缺陷的TaN单晶包括线缺陷TaN单晶(例如位错)或面缺陷TaN单晶(例如晶界)。所述无缺陷的TaN单晶在室温条件可达到约1000W/m-K的热导率，而含有缺陷的TaN单晶在室温条件下的热导率会低于1000W/m-K，比如只有100W/m-K左右、或200W/m-K、300W/m-K、400W/m-K、500W/m-K、600W/m-K、700W/m-K、800W/m-K、900W/m-K。
在本实施例中，所述高导热率材料应用于设备热管理中，主要是为了进行传导、收集或消散热量，从而防止设备出现过热现象，保证设备的可靠快速运行。
在一些实施方式中，所述设备包括热源以及与所述热源物理接触或非物理接触的热管理层，所述热管理层材料为氮化钽、氮化钽合金或氮化钽复合材料中的一种。
在本实施例中，所述设备包括电脑、手机器件，以及任何其他可以受益于散热的器件，包括电路或其他组件。另外，本实施例涵盖以其晶体或其他结构形式中的任一种形式集成基于TaN的材料以进行传热的热应用。
在一些实施方式中，如图2所示，所述设备包括衬底10以及设置在所述衬底10上的电子组件20，所述衬底材料为氮化钽。
具体来讲，随着电子、光电和光子器件缩小到纳米级，纳米级器件中的发热已成为越来越重要的技术问题，局部热点降低了器件性能并可能导致器件故障。氧化铝或碳化硅通常用作衬底的材料。因为TaN的导热系数要比氧化铝和碳化硅高得多，因此，TaN衬底可以代替氧化铝和碳化硅用作更有效的散热衬底，并且可以有效地将热量从热点移走，从而提高器件性能。
在本实施例中，所述电子组件可以为逻辑门，触发器，或其他电路的集成电路，所述TaN衬底10可以有效地将热量从电子组件移走，从而去除热点，提高设备性能。
在一些实施方式中，如图2所示，所述设备还包括设置在所述电子组件20上的散热片30，所述散热片材料为氮化钽、氮化钽合金或氮化钽复合材料中的一种。
具体来讲，由于局部热点极大降低了器件性能并可能导致器件故障，本实施例通过在电子组件上设置散热片，从而将电子组件上的热量扩散到更大的面积内，增加热散耗的效率，在热被散热器吸收前，具有高导热的散热片是重要的。本实施例将TaN，或者相应合金，或者相应复合材料用于制作散热片，可以有效提升设备的散热效率，提升设备性能。作为举例，所述散热片的形状可以但不局限于正方形的、长方形的，圆形的。
在一些实施方式中，如图2所示，所述设备还包括设置在所述散热片30上的散热器40，所述散热器材料为氮化钽、氮化钽合金或氮化钽复合材料中的一种。
具体来讲，散热器用于吸收热源产生的热量，并将其耗散到周围环境中。本实施例中，所述散射器由基底和伸出来的多个翅片组成。由于TaN在室温下具有较高热导率，因此基于TaN材料、或者相应合金，或者相应复合材料制作的散热器预期可具有更好的导热效果。
在一些实施方式中，所述散热片30与所述散热器40之间还设置有热界面层50，所述热界面层50由热界面材料制得，所述热界面材料为氮化钽或为氮化钽颗粒与聚合物组成的导热胶。
具体来讲，当两种不同的材料接触在一起时，界面部位不可避免地会存在空气或是间隙(空气或间隙导热性不佳)，故在界面处会产生额外的热阻。在热管理应用中，界面可以但不局限于热源(例如处理器，电子器件，光电器件)和散热器之间的界面、热源(例如处理器，电子器件，光电器件)和散热片之间的界面、散热片和散热器之间的界面。本实施例通过在散热片和散热器之间设置热界面层50可以有效增强散热片与散热器之间的热传导，从而高效率的将热量从电子组件中移走，提高设备性能。
在本实施例中，所述热界面材料为氮化钽或为氮化钽颗粒与聚合物组成的导热胶。也就是说，所述TaN可直接形成热界面材料，或者TaN用于导热胶这类热界面材料的填料。将TaN颗粒与聚合物混合，即可大大增加相应热界面材料的热导率。这里TaN颗粒的尺寸或平均尺寸的数量级可为1纳米，10纳米，100纳米，1微米，10微米，100微米，1毫米。所述聚合物为环氧树脂、硅氧树脂、聚氨酯、氨基甲酸酯和丙烯酸酯中的一种或多种的，但不限于此。
在一些具体的实施方式中，所述TaN颗粒占所述导热胶总重量的70–80％，在该比例范围内，所述导热胶的热导率较佳。
在一些实施方式中，为提高设备的散热效率，所述电子组件与所述散热片之间设置有热界面层，所述热界面层有热界面材料制得，所述热界面材料为氮化钽或为氮化钽颗粒与聚合物组成的导热胶。
本实施例中的热界面材料设置在散热片和电子组件(例如处理器，电子器件，光电器件)的界面上，主要作用是取代界面部位的空气或是间隙(空气导热性不佳)，以让热传导增到最大。
在一些实施方式中，所述设备可以为电子设备、光子设备或光电设备。作为举例，所述设备为计算机、智能电话、发光二极管激光器或太阳能电池中的一种，但不限于此。
在一些实施方式中，还提供一种刹车片，其中，所述刹车片材料为氮化钽、氮化钽合金或氮化钽复合材料中的一种。
具体来讲，当前的刹车片通常使用铜或者其他金属，TaN比这些金属具有更高的热导率及更高的硬度，用TaN、氮化钽合金或氮化钽复合材料中的一种制作刹车片可以有效增加散热，从而降低损耗。
综上所述，本发明提供了一种高导热率材料在设备热管理中的应用，所述高导热率材料为氮化钽、氮化钽合金或氮化钽复合材料中的一种。本发明通过测试发现氮化钽的室温(300K)热导率约为1000W/m-K，并且氮化钽无毒，且具有低成本的材料合成和加工成本等优点，这使得氮化钽可以成为三维体材料中最好的热导体之一。因此，可将氮化钽、氮化钽合金或氮化钽复合材料用于设备的热管理应用，增强散热效率并将热点移除，从而提高设备性能。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种高导热率材料在设备热管理中的应用，其特征在于，所述高导热率材料为氮化钽、氮化钽合金或氮化钽复合材料中的一种。
2.根据权利要求1所述高导热率材料在设备热管理中的应用，其特征在于，所述设备包括热源以及与所述热源物理接触或非物理接触的热管理层，所述热管理层材料为氮化钽、氮化钽合金或氮化钽复合材料中的一种。
3.根据权利要求1所述高导热率材料在设备热管理中的应用，其特征在于，其特征在于，所述设备包括衬底以及设置在所述衬底上的电子组件，所述衬底材料为氮化钽。
4.根据权利要求3所述高导热率材料在设备热管理中的应用，其特征在于，所述设备还包括设置在所述电子组件上的散热片，所述散热片材料为氮化钽、氮化钽合金或氮化钽复合材料中的一种。
5.根据权利要求4所述高导热率材料在设备热管理中的应用，其特征在于，所述电子组件与所述散热片之间设置有热界面层，所述热界面层有热界面材料制得，所述热界面材料为氮化钽或为氮化钽颗粒与聚合物组成的导热胶。
6.根据权利要求4所述高导热率材料在设备热管理中的应用，其特征在于，还包括设置在所述散热片上的散热器，所述散热器材料为氮化钽、氮化钽合金或氮化钽复合材料中的一种。
7.根据权利要求6所述高导热率材料在设备热管理中的应用，其特征在于，所述散热片与所述散热器之间还设置有热界面层，所述热界面层由热界面材料制得，所述热界面材料为氮化钽或为氮化钽颗粒与聚合物组成的导热胶。
8.根据权利要求5或7所述高导热率材料在设备热管理中的应用，其特征在于，所述聚合物为环氧树脂、硅氧树脂、聚氨酯、氨基甲酸酯和丙烯酸酯中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述高导热率材料在设备热管理中的应用，其特征在于，所述设备为计算机、智能电话、发光二极管激光器或太阳能电池中的一种。
10.一种刹车片，其特征在于，所述刹车片材料为氮化钽、氮化钽合金或氮化钽复合材料中的一种。
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