TW200530383A - Thermal interface material and methode for making same - Google Patents

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200530383 五、發明說明（Ί) 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種熱介面材料及其製造方法，尤指一 種利用奈米碳管導熱之熱介面材料及其製造方法。 【先前技術】 近年來，隨著半導體器件集成工藝之快速發展，半導 體器件之集成化程度越來越高。惟，器件體積變得越來越 小，其對散熱之需求越來越高，已成為一個越來越重要之 問題。為滿足該需要，風扇散熱、水冷輔助散熱及熱管散 熱等各種散熱方式被廣泛運用，並取得一定散熱效果，但 因散熱器與半導體集成器件之接觸介面不平整，一般相互 接觸面積不到2 %，未有一個理想之接觸介面，從根本上影 響半導體器件向散熱器傳遞熱量之效果，放，於散熱器與 半導體器件之間增加一具較高熱傳遞係數之介面材料以增 加介面之接觸程度實為必要。 傳統熱介面材料係將導熱係數較高之顆粒分散於銀膠 基體以形成複合材料，如石墨、氮化硼、氧化矽、氧化 鋁、銀或其他金屬等。此種材料之導熱性能取決於銀膠基 體之性質。其中以油脂、相變材料為基體之複合材料因其 使用時為液態，能與熱源表面浸潤，故接觸熱阻較小，而 矽膠輿橡膠為載體之複合材料接觸熱阻相對較大。該類材 料一普遍缺陷係整個材質導熱係數較小，典型值為 lW/mK，這已經越來越不能適應半導體集成化程度之提高 對散熱之需求，而增加銀膠基體之導熱顆粒含量使得顆粒 與顆粒之間儘量相互接觸以增加整個複合材料之導熱係

200530383 五、發明說明（2) 數，如某些特殊之介面材料因此可達到4 - 8 W / m K，惟，銀 膠基體之導熱顆粒含量增加至一定程度時，會使銀膠基體 失去原本之性能，如油脂會變硬，從而浸潤效果變差，橡 膠亦會變得較硬，從而失去應有之柔韌性，這都將使熱介 面材料性能大大降低。 近來有一種熱介面材料，係將定向排列之導熱係數約 為1 1 00 W/mK之碳纖維一端或整體用聚合物固定，從而於 熱介面材料之垂直方向形成定向排列之碳纖維陣列，以使 每一碳纖維均可形成一導熱通道，該方式可有效提高熱介 面材料之導熱係數，達到5 0 - 9 0 W / m K。惟，該類材料一個 缺點係厚度必須大於4 0微米，而整個熱介面材料之導熱係 數與薄膜之厚度成反比，故當其熱阻降低豈一定程度，進 一步降低之空間相當有限。 為改善熱介面材料之性能，提高其熱傳導係數，各種 材料被廣泛試驗。Savas Berber等人於2000年在美國物 理學會上發表一篇名為"Unusually High Thermal Conductivity of Carbon Nano tubes” 之文章指出，"Z” 形 (10, 10) 奈米碳管於室溫下導熱係數可達6 6 0 0 W/mK，具 體内容可參閱文獻 Phys. Rev. Lett(2000)，Vol. 84，P. 4 6 1 3。研究如何將奈米碳管用於熱界面材料並充分發揮其 優良之導熱性成為提高熱界面材料性能之一個重要方向。 美國專利第6, 4 0 7, 922號揭示一種利用奈米碳管導熱 之熱介面材料，其係將奈米碳管摻到銀膠基體結成一體， 通過注模方式製得熱介面材料。該熱介面材料之兩導熱表

第7頁 200530383 五、發明說明（3) 面之面積不等 接觸 面之面積 製得之熱 面材料厚 熱介面材 不相適應 於基體材 保，因而 之優勢未 有鑒 柔韌性佳 【内容】 為解 導熱效果 本發 法。 為實 介面材 度較大 料體積 ，且該 料中未 熱傳導 充分利 於此， 且熱傳 決先前 優良、 明之另 其中與 料有不 ，雖該 之增加 熱介面 有序排 之均勻 用，影 提供一 導均勻 散熱器 可有利 足之處 熱介面 ，與器 材料缺 列，其 性亦受 響熱介 種具優 之熱介 接觸一面 於散熱器 5 其 ， 材料之導 件向小型 乏柔韌性 於基體分 到影響， 面材料之 良之熱傳 面材料貫 之面積 散熱。 注模方 熱係數 化方向 ;其二 佈之均 奈米碳 熱傳導 導效果 為必要 大於與熱源 惟，該方法 式製得熱介 較高，但該 發展之趨勢 ，奈米碳管 勻性較難確 管縱向導熱 係數。 、厚度薄、 技術之問題，本發明之目的在於提供一種 厚度薄、柔韋刃性佳之熱介面材料。 一目的係提供此種熱介面材料之製造方 現本發明之目的，本發明提供一種熱介面材料， 其包括：一銀膠基體，該銀膠基體包括一第一表面及一相 對於第一表面之 奈米碳管；該複 第一表面向第二 為實 料之製造 現本發 方法， 第二表面；及複數分佈於該銀膠基體中的 數奈米碳管相互平行且於該銀膠基體内沿 表面延伸，奈米碳管中填充有奈米銀材 明之另一目的，本發明提供一種熱介面材 其包括以下步驟：提供一填充有奈米銀材

第8頁 200530383 五、發明說明（4) 料之奈米碳管 浸潤奈米碳管 其中，上 方法，包括以 沈積或濺射法 銀材料之碳源 米碳管陣列。 本發明之 法亦可選用電 輿陽極電極， 層，通過在兩 消耗，即可於 碳管陣列。 可替代地 製備方法亦可 米碳管陣列， 碳管於遠離基 開口之奈米碳 米碳管陣列。 與習知技 材料因奈米碳 陣列；用銀膠塗覆浸潤奈米碳管陣列；固化 陣列之銀膠，形成熱介面材料。 述填充有奈米銀材料之奈米碳管陣列之製備 下步驟：提供一基底；通過熱沈積、電子束 沈積一催化劑層於基底表面；通入混有奈米 氣；形成奈米碳管中填充有奈米銀材料之奈 填充有奈米銀材料之奈米碳管陣列之製備方 弧放電法，將含有銀之石墨棒作為陰極電極 同時於基底表面佈上具規則圖形之催化劑 電極上施加電壓產生電弧放電’陽極電極被 基底表面形成上述填充有奈杀銀材料之奈米 ，形成填充有奈米銀材料之奈米碳管陣列之 為：先於一基底上生長出定向排列之有序奈 通過物理或化學方法使奈米碳管陣列中奈米 底之一端開口，將柱形奈米銀材料填入已經 管中，即可形成上述填充有奈米銀材料之奈 術之熱介面材料相較，本發明提供之熱介面 管陣列具均勻定向排列之優點，該熱介面材 料之每一根奈米碳管均可於垂直熱介面材料方向形成熱傳 導通道，得到 管中填充有奈 導熱係數較高之熱介面材料。另外，奈米碳 米銀材料，能進一步提南熱界面材料之熱傳

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之效率及％定性。 【實施方式】 請參閱第一 之定向排列之奈 成於一基底1 1上 1 1基本垂直。 圖L係本發明提供之填充有奈米銀材料2 4 米兔官陣列2 2，其中該奈米碳管陣列2 2形 ，複數奈米碳管彼此基本平行，且與基底 本發明之填充有夺 備方法為：首弁矽 、、材科2 4之奈米碳管陣列2 2之製 法可利用熱沈積、帝岣勾沈積一催化劑層，其方 料可用破声、石英I 沈積或濺射法完成。基底1 1之材 其表面係二多孔層或 '化鋁。纟實施例採用多孔矽， 化劑層之材料可^ =直徑極小，一般小於3奈米。催 異作為催化劑材料 、口金，本實施方式選用 氧化催化劑声，彡 有催化劑之基底11置^反2 f顆粒（®未示），再將分啊 ”下，通入混合圖山未示），於35 0〜1 0 0 0揭 官之微孔内填充有太米.^之妷源氣，生長出奈米石炭 氣可為乙炔、乙烯j氣二才：：奈米碳管陣列。其中碳源 範園内可通過控時陣職之高度在-定 1 〇 〇 ^ ^丄* 長k間來控制，一妒4且一命炎！ 0微未一，*實施例之奈米碳管陣列 ^^長南度為卜 ’:本貫施例之奈米銀材料24採用# # 長问度為1 00微 銀微粒，該形成於奈米碳= 二：；為99.9%之奈米純 碜管形狀之限成柱狀體。‘ 之示米銀材料24受奈米 米碳管陣列2 2之製 本發明之填充有奈米銀材料24之奈 200530383 五、發明說明（6) 備方法亦可 陰極電極輿 催化劑層， 被消耗’即 奈米碳管陣 可替代 之製備方法 序奈米碳管 包括：熱化 過物理或化 底之一端開 管中 22。 有奈 完全 顆粒 其中 米氮 與奈 之面 含奈 面材 ，即可 請一併 米銀材 浸潤奈 、奈米 ，該奈 化硼顆 米碳管 積及銀 將經銀 米碳管 料4 0 。 選用電 陽極電 通過在 可於基 列22。 地，形 亦可為 陣列2 2 學氣相 學方法 口 ，將 形成上 參閱第 料24之 米碳管 氮化硼 米銀顆 粒粒徑 陣列2 2 膠32自 膠3 2浸 陣列2 2 該熱介 弧放電法，只需將含有 極，同時於基底表面佈 兩電極上施加電壓產生 底表面形成上述填充有 成填充有奈米銀材料2 4 :首先於一基底上生長 ，可選地，該奈米碳管 沈積法、電漿增強化學 使奈米碳管陣列2 2中奈 柱形奈米銀材料2 4填入 述填充有奈米銀材料2 4 銀之石墨棒作為 上具規則圖形之 電弧放電，陽極 奈米銀材料2 4之 之奈米碳管陣列 出定向排列之有 陣列之形成方法 氣相沈積法；通 米碳管於遠離基 已開口之奈米碳 芝奈米碳管陣列 二圖及第三圖，用銀膠32塗覆浸潤填充 定向排列奈米碳管陣列2 2，直至銀膠3 2 陣列2 2為止。該銀膠3 2材料包括奈米銀 顆粒及合成油（Polysynthetic Oils)， 粒粒徑為1〜9 0 0奈米，純度為9 9 . 9 °/◦，奈 為1〜9 0 0奈米。銀膠3 2完全浸潤之時間 之高度、密度以及整個奈米碳管陣列2 2 身之粘度有關。 潤之奈米碳管陣列2 2冷卻固化，再將該 之銀膠3 2從基底1 1進行剝離，形成熱介 面材料40的厚度為100微米，與原先奈

200530383 五 發明說明（7) 米碳管陣列22高度一致。即熱介面材料4〇 生長之奈米碳管陣列22之高度，故，可子又卩、於所 陣列22之生長高度製得所需不同厚度;^控制奈米碳管 再請參閱第四圖，本發明之埶；面材：二材：40。 陣列22經銀膠32固結形成一體， =40，不米碳管 垂直、均勻分佈，.成複數熱傳 材料40具導熱係數較高，且導熱均句之特點/ "面 本發明製得之熱介面材料4 〇，夸来·1 面材料4Q之形態基本未變，㈤奈米破管==熱： 之間距未声，且奈米碳管陣列22未聚 ：:、官 向排列之狀態，另夕卜，奈米碳管中 J :呆持初始定 能進二步提高熱界面材料4G之熱傳導= =料24, 本發明採用之銀膠32可為太乎 ％疋性。 Ϊ及：成油混合而成1導熱；數較：揮；：氣化蝴顆 /4'加奈米氮化硼顆粒可有效改盖 ，χ啟低。其 利於銀膠32充 二文改善熱傳導之穩定性 lOOcPs。 I下未石厌官陣列22，其粘度之要求低= ^閱弟五圖’本發明制尸々批人 導熱係數，可廣泛庫用二:：之熱介面材料40具有極佳 晶體、；^ % ；匕括中央處理器（CPU)、功f + 件8。中見=形陣列晶片(VGA)、射頻晶片在…力：電 能提供電；；"面材料40置於電子器件80盥散埶哭二器 八；U子器件80與散埶哭f；n々υ ”狀熟益6〇之間’ 觸面：料4〇之第一表面= J :優良介面熱接觸，妖 觸，與箓 興包子态件8ί)々主；、 …、 〜表面42相對應之熱介 ：標示)接

第12頁 一_了叶4ϋ之弟_表面44鱼 200530383 « 五、發明說明（8) 散熱器6 0之底面（未標示）接觸。由於本發明製得奈米碳管 陣列之熱介面材料4 0極薄，其厚度僅微米級，故具較佳之 柔韌性，即便於電子器件8 0之表面參差不齊情勢之下，本 發明之熱介面材料40亦能提供電子器件80與散熱器60之間 一良好熱接觸。 綜上所述，本發明符合發明專利之要件，爰依法提出 專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，舉 凡熟悉本案技藝之人士，在援依本案發明精神所作之等效 修飾或變化，皆應包含於以下之申請專利範圍内。

第13頁 200530383 圖式簡單說明 [ 圖 式 簡 tro 早 說 明 ] 第 一 圖 係 本 發 明 填 充 有奈米 銀 材 料 之 奈 米 碳 管 陣 列 之 示 意 圖 〇 第 二 圖 係 本 發 明 銀 膠 塗覆浸 潤 奈 米 碳 管 陣 列 之 示 意 圖 〇 第 二 圖 係 本 發 明 固 化 之奈米 碳 管 陣 列 於 基 體 表 面 被 揭 起 之 過 程 示 意 圖 〇 第 四 圖 係 本 發 明 含 奈 米碳管 陣 列 之 敎 介 面 材 料 不 意 圖 〇 第 五 圖 係 本 發 明 軌 /、、、 介 面材料 之 應 用 示 意 圖 〇 [ 主 要 元 件 符 號 說 明 ] 基 底 丨 11 奈 米 碳 管 陣 歹 22 奈 米 銀 材 料 24 銀 膠 32 軌 介 面 材 料 40 第 一 表 面 42 第 二 表 面 44 散 孰 器 60 電 子 哭 σσ 件 80

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Claims (1)

1. 200530383 、申請專利範圍 1 . 一熱介面材料，其包括： 一銀膠基體，該銀膠基體包括一第一表面及一相對 於第一表面之第二表面；及 佈於該銀膠基體中的奈米碳管；其中 奈米碳管相互平行且於該銀膠基體内沿第 二表面延伸，奈米碳管中填充有奈米銀材 複數分 該複數 表面向第 料。 2. 如申請專 奈米碳管 面〇 3. 如申請專 奈米^炭管 4. 如申請專 銀材料中 5. 如申請專 銀材料受 6. 如申請專 基體材料 油。 7. 如申請專 銀顆粒粒 顆粒粒徑 8. 如申請專 基體之第 利範圍第1項所述之熱介面材料，其中該複數 係垂直於銀膠基體之第一表面及第二表 利範圍第1項所述之熱介面材料 係均勾分佈於銀膠基體中。 ^ 利範圍第1項所述之熱介面材料 銀純度為9 9. 9 %。 利範圍第4項所述之熱介面材料 奈米碳管形狀之限成柱狀體。 利範圍第1項所述之熱介面材料 其中該複數 其中該奈米 其中該奈米 其中該銀膠 包括奈米銀顆粒、奈米氮化硼顆粒及合成 利範圍第6項所述之熱介面材料，其中該奈米 徑為1〜9 0 0奈米，純度為9 9 . 9 %，奈米氮化硼 為1〜900奈米。 利範圍第1項所述之熱介面材料，其中該銀膠 一表面與熱源相接觸，該第二表面與散熱 <1

   第】5頁 200530383 六、申請專利範圍 器相接觸。 9.如申請專利 表面與該第 1 0 .如申請專利 面材料厚度 1 1. 一種熱介面 提供一填 用銀膠塗 固化浸潤 1 2 ·如申轉專利 法，其中該 揭下/固化有 1 3 .如申請專利 法，其中該 1 4 .如申請專利 法，其中該 方法包括以 提供一基 沈積一催 通入混有 形成奈米 列。 1 5 .如申請專利 法，其中催 範圍第8項所述之熱介面材料，其中該第一 二表面相互平行。 範圍第1項所述之熱介面材料，其中該熱介 為卜1 0 0微米。 材料之製造方法，其包括以下步驟·· 充有奈米銀材料的奈米碳管陣列； 覆浸潤奈米碳管陣列； 奈米碳管陣列之銀膠，形成熱介面材料。 範圍第1 1項所述之熱介面材料之製造方 熱介面材料之製造方法進一步包括從基底 奈米碳管之銀膠。 1 範圍第1 1項所述之熱介面材料之製造方 銀膠粘度低於1 OOcPs。 範圍第1 1項所述之熱介面材料之製造方 填充有奈米銀材料之奈米碳管陣列之製備 下步驟： 底； 化劑層於基底表面； 奈米銀材料之碳源氣； 碳管中填充有奈米銀材料之奈米碳管陣 範圍第1 4項所述之熱介面材料之製造方 化劑的沈積方法包括熱沈積、電子束沈積

   第]6頁 200530383_^ 六、申請專利範圍 或濺射法。 1 6.如申請專利範圍第1 4項所述之熱介面材料之製造方 法，其中該奈米碳管陣列之生長溫度為3 5 0〜1 0 0 0攝氏 度。 1 7.如申請專利範圍第1 1項所述之熱介面材料之製造方 法，其中該填充有奈米銀材料之奈米碳管陣列之製備 方法亦可選用電弧放電法。 1 8.如申請專利範圍第1 1項所述之熱介面材料之製造方 法，其中該填充有奈米銀材料之奈米碳管陣列之製備 方法包括以下步驟·· ^ 提供一基底； 沈/積一催化劑層於基底表面； ^ 通入碳源氣，生長出奈米碳管陣列； 於奈米碳管遠離基底之一端開口； 將柱形奈米銀材料置入已開口之奈米碳管中。 1 9 ·如申請專利範圍第1 8項所述之一種熱介面材料之製造 方法，其中該奈米碳管陣列之形成方法包括：熱化學 氣相沈積法、電漿增強化學氣相沈積法。

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