CN1854241A

CN1854241A - 热介面材料及其制备方法

Info

Publication number: CN1854241A
Application number: CN 200510034477
Authority: CN
Inventors: 董才士
Original assignee: Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Current assignee: Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2006-11-01

Abstract

本发明涉及一种热介面材料及其制备方法。该热介面材料包括基体及分布在该基体中的纳米复合材料。其中，纳米复合材料包括纳米纤维及分布在纳米纤维内、外管壁的导热颗粒。所述纳米纤维选自碳纳米管、碳纳米线或碳纤维。所述导热颗粒粒径为微米级，优选为纳米级。另，本发明还提供上述热介面材料的制备方法。

Description

热介面材料及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及一种热介面材料及其制备方法，尤其涉及一种利用纳米材料的热介面材料及其制备方法。

【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；其散热成为一个越来越重要的问题，其对散热的要求也越来越高。为满足器件的散热需求，各种散热方式被大量运用，如利用风扇散热、水冷辅助散热及热管散热等方式，并取得一定的散热效果。但是，由于散热器与半导体器件的接触介面并不平整，没有一个较理想的接触介面；一般相互接触的只有不到2％面积，其极大影响半导体器件向散热器进行热传递的效果，从而在散热器与半导体器件的物理接触介面间增加一导热系数较高的热介面材料(Thermal Interface Material，TIM)来增加该介面的接触程度就显得十分必要。

传统的热介面材料是将一些导热系数较高的金属或陶瓷等颗粒填充物(Particle filler)分散到基体材料(Matrix Material)中而形成复合材料。其中，导热系数较高的金属有银、铜、铝、铋、铟、锡、锌等；导热系数较高的陶瓷有氧化铝、氮化硼、氮化铝、三氧化二硼、氧化锌等；基体材料包括硅胶、聚硅氧烷树脂、环氧树脂、聚酯、聚脂油、聚氨基甲酸酯、聚亚醯胺、聚丙烯酸类等。

但是，上述金属或陶瓷颗粒填充物导热系数仍不够高(例如：金属银的导热系数为428W/K·m)，从而热介面材料整体导热性能较差，不能适应半导体高集成、高性能化对散热性能的需求。

【发明内容】

下面将以实施例说明一种高导热性能的热介面材料。

以及，通过实施例说明一种高导热性能的热介面材料的制备方法。

为实现以上内容，提供一热介面材料，其包括一基体及分布在该基体中的纳米复合材料。其中，纳米复合材料包括纳米纤维及分布在该纳米纤维内、外管壁的导热颗粒。

所述基体材料选自硅胶、聚硅氧烷树脂、环氧树脂、聚酯、聚脂油、聚氨基甲酸酯、聚亚醯胺或聚丙烯酸类等高分子材料。

所述纳米纤维选自碳纳米管、碳纳米线或碳纤维。

所述导热颗粒材料选自金属或陶瓷。

所述导热颗粒粒径为微米级，优选为纳米级。

以及，提供一热介面材料的制备方法，其包括以下步骤：

提供一基体；

制备纳米复合材料；

使制得的纳米复合材料分散在所述基体中；

将上述分散在基体中的纳米复合材料切片，以形成一热介面材料。

所述制备纳米复合材料步骤具体包括：

将纳米纤维与金属离子溶液混合；

对上述混合溶液进行搅拌的同时，加入还原剂还原出金属颗粒；

分离出上述固态产物，即为纳米复合材料。

所述金属离子溶液包括AgNO₃溶液、Cu(NO₃)₂溶液、CuCl₂溶液。

所述还原剂包括联胺、硼氢化钠、氰硼氢化钠、氯化亚锡、盐酸羟胺。

所述分离是通过过滤法、离心法等固液相分离方式进行分离。

与现有技术相比较，本实施例所提供的热介面材料的填充物纳米复合材料包括纳米纤维(如：碳纳米管)及分布在该碳纳米管内、外管壁的导热颗粒(如：纳米银颗粒)。由于碳纳米管沿一维管壁轴向具有极高导热性能(导热系数k值可达6000W/K·m)，故使用上述纳米复合材料作为填充剂的热介面材料具有优异的导热性能；在碳纳米管内壁上沉积纳米级银颗粒相当于在其内部填充高导热性能材料，进一步提高整体热介面材料的导热性能。

【附图说明】

图1是本发明实施例中纳米复合材料结构示意图。

图2是本发明实施例中热介面材料的组成示意图。

图3是本发明实施例中热介面材料制备流程图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本实施例作进一步的详细说明。

请参见图1及图2，图1是本实施例中纳米复合材料20的结构示意图，图2是本实施例中热介面材料1的组成示意图。本发明第一实施例提供一种热介面材料1，其包括一基体10及分布在基体10中的纳米复合材料20。其中，纳米复合材料20包括纳米纤维21及分布在纳米纤维21内、外管壁的导热颗粒22。

基体10材料可选自硅胶、聚硅氧烷树脂、环氧树脂、聚酯、聚脂油、聚氨基甲酸酯、聚亚醯胺或聚丙烯酸类等高分子材料。纳米纤维21可选自碳纳米管、碳纳米线、碳纤维等纤维材料。导热颗粒22材料可选自如银、铜、铝、铋、铟、锡或锌等金属或如氧化铝、氮化硼、氮化铝、三氧化二硼、氧化锌等陶瓷。导热颗粒22粒径为微米级，优选为纳米级，进一步优选为1～100nm。本实施例中基体10材料为硅胶；纳米纤维21为碳纳米管；导热颗粒22材料为银，其粒径为50nm。

纳米复合材料20包括碳纳米管及分布在该碳纳米管内、外管壁的纳米银颗粒。由于碳纳米管沿一维管壁轴向具有极高导热性能(导热系数k值可达6000W/K·m)，比金属银(导热系数k值为428W/K·m)导热性能好得多，所以，使用上述纳米复合材料20作为填充剂的热介面材料1具有优异的导热性能；即使由于加工等原因，碳纳米管并非全部沿垂直于热介面材料1与待散热元件(图未示)相接触的表面分布时，分布在该碳纳米管内、外管壁的纳米级银颗粒亦可帮助热介面材料1达到较高的导热性能；碳纳米管内部中空，通常状况下充满导热性能较差的空气或硅胶，在其内壁上填充纳米级银颗粒相当于在其内部填充高导热性能材料，从而提高空间利用率，进一步提高热介面材料1整体的导热性能。

下面，将详细说明本实施例的热介面材料1的制备方法，请参阅图3。该热介面材料1的制备方法包括以下步骤：

步骤100：提供一基体10。基体10材料可选自硅胶、聚硅氧烷树脂、环氧树脂、聚酯、聚脂油、聚氨基甲酸酯、聚亚醯胺或聚丙烯酸类等高分子材料。

步骤200：制备纳米复合材料20。本实施例是利用化学还原法还原出微米等级或纳米等级的银颗粒，并将该还原出的银颗粒沉积在碳纳米管的内、外管壁上而形成纳米复合材料20，其制备流程具体如下所述：

首先，将碳纳米管与金属离子溶液(Mⁿ⁺)混合。碳纳米管可采用电弧放电法、气相生长法或激光法制备。金属离子溶液(Mⁿ⁺)可为AgNO₃溶液、Cu(NO₃)₂溶液或CuCl₂溶液等，本实施例中选用AgNO₃溶液，其浓度参考碳纳米管及欲达到的导热性能而定。

然后，将银颗粒沉积在碳纳米管内、外管壁上。具体地，将上述混合溶液均匀搅拌，且在搅拌过程中，缓慢加入含有还原剂(R)的溶液，并继续搅拌至反应完全，其反应可由下式表示：

被还原出的微米级或纳米级金属颗粒或分散在反应溶液中，或沉积在碳纳米管内、外管壁中形成纳米复合材料20。还原剂R可为联胺(N₂H₄)、硼氢化钠(NaBH₄)、氰硼氢化钠(NaBH₃CN)、氯化亚锡(SnCl₂)、盐酸羟胺(H₃No.HCl)等。另外，通过控制金属离子溶液与还原剂溶液的浓度及反应状态，如溶液酸碱值、温度等、或添加介面活性剂、稳定试剂等添加剂，可控制金属颗粒的尺寸大小。

最后，分离出上述固体产物，即为纳米复合材料20。将反应完全的溶液中纳米复合材料、微纳米金属产物与反应溶液进行分离，即将溶液进行过滤，以分离出固相与液相，并继续加入适当溶剂洗去固相产物表面的还原剂及杂质。该分离方法不限于过滤方式，其它如离心等固液相分离方式也适用。

步骤300：将制得的纳米复合材料20分散在基体10中。具体地，将上述纳米复合材料20与基体(硅胶)10均匀混合在一起并固化，以将纳米复合材料20分散在基体10中。

步骤400，将上述分散在硅胶中的纳米复合材料切片，以形成一热介面材料。具体地，利用生物医学成熟的精确微米级切片技术，将上述分散在硅胶中的纳米复合材料进行切片，以获取一定厚度(如50微米)的热介面材料1(参见图2)。热介面材料1的厚度可根据实际应用的需要确定。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，如采用其它材质纤维或其它基体材料等设计，只要其不偏离本发明的实施效果即可。

Claims

1.一种热介面材料，其包括：

一基体；

分布在该基体中的纳米复合材料；

其特征在于，该纳米复合材料包括纳米纤维及分布在该纳米纤维管壁上的导热颗粒。

2.如权利要求1所述的热介面材料，其特征在于，所述纳米纤维管壁包括纳米纤维内、外管壁。

3.如权利要求1或2所述的热介面材料，其特征在于，所述基体材料选自高分子材料。

4.如权利要求1或2所述的热介面材料，其特征在于，所述纳米纤维选自碳纳米管、碳纳米线或碳纤维。

5.如权利要求1或2所述的热介面材料，其特征在于，所述导热颗粒材料选自金属或陶瓷。

6.如权利要求1或2所述的热介面材料，其特征在于，所述导热颗粒粒径为微米级。

7.如权利要求1或2所述的热介面材料，其特征在于，所述导热颗粒粒径为纳米级。

8.一种热介面材料的制备方法，其包括以下步骤：

提供一基体；

制备纳米复合材料；

将制得的纳米复合材料分布在所述基体中；

将上述分散在硅胶中的纳米复合材料切片，以形成一热介面材料。

9.如权利要求8所述的热介面材料的制备方法，其特征在于，所述纳米复合材料包括纳米纤维及分布在该纳米纤维管壁上的导热颗粒。

10.如权利要求9所述的热介面材料的制备方法，其特征在于，所述导热颗粒是通过化学还原法制备而成。

11.如权利要求8、9或10所述的热介面材料的制备方法，其特征在于，所述制备纳米复合材料步骤具体包括：

将纳米纤维与金属离子溶液混合；

分离出上述固体产物，即为纳米复合材料。

12.如权利要求11所述的热介面材料的制备方法，其特征在于，所述金属离子溶液包括AgNO₃溶液、Cu(NO₃)₂溶液、CuCl₂溶液。

13.如权利要求11所述的热介面材料的制备方法，其特征在于，所述还原剂包括联胺、硼氢化钠、氰硼氢化钠、氯化亚锡、盐酸羟胺。