TWI344487B - Thermal interface material - Google Patents

Description

九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係提供-種熱介面材料，尤其提供一種含奈米 碳管之熱介面材料。 【先前技術】 按伴Ik半導體器件集成工藝之快速發展 2集成化錢越來賴，惟糾體積卻絲越小，故; :政，成爲日益重要之問題，其對散熱之要求亦越來越 同。爲滿足這-需求，多種散熱方式被大量運用，如藉由 風扇散熱、水冷辅助散熱及熱管散熱等方式，該等散埶雖 =:定之散熱效果，惟，因散熱器與半導體集成器件 積之沙1 ^並不平整’其相互嶋觸之面浦有不到總面 ===較大地影響了半導體器件向散熱器進行熱傳 -導妖Μ 1於絲11與半㈣11件之接觸介面間增加 得十分、必要較尚之熱介面材料以增加介面間接觸面積就顯 散於=:::=係:1量導_較高之顆粒分 叔相h 尹形成 墨、氮化删、氧化石夕、氧化 大程父取:金屬顆粒。該種熱介面材料之導熱性能在很 :::!:载體之熱介面材料因其使用時爲:二 介面材陶、’㈣娜轉爲載體的熱 整體材料之料賴糾’典型餘，其3= ί344487 應半導體集成化程度之提高對散熱之需求。增加聚合物載 體中導熱触之含量可使顆粒與齡間儘量相互接觸進而 增加熱介Φ㈣之導熱餘，如轉特狀齡面材料由 此可達到4-8W/mK，惟當聚合物倾巾導熱難之含量增 加到-^程度時’會使聚合物載體失去原有之特性，如油 脂會變硬，從而制效果會變差，橡膠亦會變硬，從而失 去柔勤性’其將使齡面材料性能大大降低。

為解決上述問題’ 一種含有較高導熱特性之碳纖維之 熱介面材料被提供，其係將定向排列之導熱係數約爲 1100W/mK之碳纖維—端或整體用聚合物材料㈣，從而於 聚合物材料之垂直方向上形成定向排狀碳纖轉列，各 碳纖維形成—導熱通道，極大提高了該熱介面材料之導熱 =數，可達到5G-9GW/mK。惟，該類熱介面材料之缺點係 八厚度必須為40 «ηχ上’而齡面材料之酿與其厚度 成正比’故而’其熱阻降制—定的程度就難以再進一^

隨者奈米碳管高導熱性能被發現，爲改善熱介面材料 之導熱聽’提高聽料絲，—種含有奈米碳管之執 介面材料被廣泛躺。雜介面材料係姻奈米碳管較高 =導熱特性’藉由將縣生長之奈米碳管摻糾聚合材料 體而製成。惟，先前技術中所提供之含 ^奈未0之熱介面材料之導·能與職效果仍有一定 其原因，係因上述熱介面材料中之奈米碳管多爲 檢向分佈、衫米碳管之長度較大㈣發生相互缠繞或自 7 1344487 我纏繞，故未能充分利用奈米碳管之縱向導熱性高之特性。 、㈣槪，確有必要提供—種藉由奈米碳管縱向導熱 以提兩導熱係數之熱介面材料。 【發明内容】 下面將藉由實施例說明一種熱介面材料，其可充分利 用奈米碳管之縱向導熱性能進而獲得較高之導熱性能。 -種熱介轉料，包含基底材料以及分散於基1材料 内之複數奈米碳管。其巾，奈祕管之平均長度爲.厕 奈米，且其至少一末端爲開口狀。該熱介面材料進一步為： 該奈米碳管之平均長度爲1000〜16〇〇奈米。 該基底材料爲聚合物材料。 /該基底材料選时膠系列、聚乙稀乙二醇、聚醋、樹 脂系列、缺氧膠系列或壓克力膠系列。 該基底材料爲雙組分石夕酮彈性體。 該基底材料中包含有複數奈米金屬微粒或奈米陶竞微 粒0 該奈米碳管管徑爲2〇〜60奈米。 該奈米碳管於基底材料内之質量百分比濃度 0.卜5%。 相較於先前技術，本發明之熱介面材料中奈米碳管之 長度較短且曲率半徑較A，可有效防止奈求碳管發生相互 ，繞或自m從❿較充分地湘奈米碳管之縱向導熱 南之特性，進而提高熱介面材料之導熱性。 【實施方式】 μ 8 ，將、”σ σ附圖進一步詳細說明本發明之熱介面材料 1及製備該熱介面材料之方法。 材料％參考111及圖2，本發明之熱介面材料20包括基底 22以及分散於基底材料22内之複數奈米碳管μ。其 中，該基底材料22之厚度可根據實際需要而設定，優選 $ ’基底材料22厚度小於100微米。基底材料22可爲聚 _材料包括預先爲液態經固化或凝固後成固體的有機 ，料如石夕膝系列、聚乙烯乙二醇、聚S旨、樹脂系列、缺 氧膠系列或壓克力膠系列。爲進-步增加熱介面材料2 0之 導熱特性’基底材料22 #可混合複數奈米金屬微粒或奈米 陶竟微粒26 ’奈米金屬微粒26可爲紹、銀、銅、氧化链、 氮化鋁、氮化硼等微粒。 該奈米碳管24於基底材料22内之質量百分比濃度爲 0.1〜5%，平均長度爲6〇〇〜2〇00奈米，另，該奈米碳管24 之末端爲開口狀（如圖2所示）。優選地，奈米碳管24之 平均長度爲100(M600奈米，管徑爲2〇~60奈米。 請參閱圖3 ’製備上述熱介面材料2〇之方法包括以下 步驟： 步驟（一），提供一定量奈米碳管24以及液態基底材 料22 ; 其中’該基底材料22爲聚合物材料，包括預先爲液態 經固化或凝固後成固體的有機材料，如矽膠系列、聚乙烯 乙二醇、聚酯、樹脂系列、缺氧膠系列或壓克力膠系列。 本實施例中優選道康寧（Dow Corning)公司之雙組分石夕酮 ¢344487 彈性體（具體型號爲Sylgard 160) ’ Sylgard 160混合前爲 A、B兩部分液體組分組成，混合後會固化爲柔性彈性體。 爲了進一步增加熱介面材料20之導熱特性，在步驟（一） 中可一併提供複數奈米金屬微粒或奈米陶瓷微粒26，奈米 金屬微粒26可爲紹、銀、銅、氧化链、氮化銘、氮化删等 微粒，本實施例中優選銀微粒。 該奈米碳管24可預先藉由化學氣相沈積法、電弧放電 法或鐳射蒸發法等先前技術製備。本實施例中優選化學氣 相沈積法製備奈米碳管24 ’首先於基底上形成催化劑，然 後於南溫下通入碳源氣以形成奈米碳管。該催化劑包括 鐵、鎳、鈷、鈀等過渡金屬。該碳源氣包括甲烷、乙稀、 丙烯、乙炔、甲醇及乙醇等。具體方法爲以矽爲基底，於 石夕基底上覆蓋一厚度約為5奈米之鐵膜，並於空氣中3〇〇 °c條件下進行退火；然後於化學氣相沈積腔體（Chemical

Vapor Deposition Chamber)中700°C條件下以乙烯爲碳源 氣生長奈米碳管24。 步驟（二），將奈米碳管24於球磨機中球磨4小時以 上，球磨後奈米碳管24之平均長度爲6〇〇〜2000奈米且其 至少一末端呈開口狀； 球磨之目的在於控制奈米碳管24之平均長度為 600〜2000奈米，進而控制奈米碳管24之曲率半徑。球磨 之原理在於藉由球磨機底盤與内盤之反方向旋轉使固定於 内盤上之球磨腔内産生離心力，球磨腔内之金屬球於離心 力作用下不斷撞擊收容於球磨腔内之奈米碳管，奈米碳管 10 1344487 於撞擊下發生斷裂從而使奈米碳管之長度變短且斷裂後之 奈米碳管至少一末端爲開口狀。球磨時間根據球磨機之各 項參數而定’如當球磨機底盤的轉速爲400轉/秒，内盤的 反方向轉速爲800轉/秒，且底盤與内盤的旋轉方向每隔 20分鐘交替變換時，球磨時間優選6〜2〇小時，最優地， 球磨時間為8〜1〇小時。 欠哪、二），牌外熘便心笊本*戾官Z4與液態g

22混合並使二者形成固態進而得到熱介面材料2〇。 其中，奈米碳管24於基底材料22内之質量百分比濃 度爲〇. 1〜5%。當奈米金屬微粒或奈米陶瓷微粒託於步驟 中併被&供時，奈米金屬微粒或奈米陶竞微粒％ 與奈米碳管24、液態基底材料22-起混合。混合過程令， 爲使奈米碳管24或奈米金屬雌或奈米陶纽粒26於基 底材料22 t均勻分散，可·超聲波對混合 ^ 理《分鐘。該基底材料22與奈米碳管％之混^

==材料22形成固態之方法根據不同之基底材料Μ 辑施财，#選用雙組分销彈性體 、1人^ 時’奈米碳管24與基紐料22之 5以及基底材料22形成固態之方法爲： 混合石夕酮彈性體Α與 聲波進行震蕩處理二“"官24’可-併使用超 2销體β與其他部分奈米碳管Μ，可 用超聲波精震料理20〜40分鐘；从 ’昆合含有奈米碳管24之石烟彈性體A及石夕晴性體 11 1344487 B ’並將混合後之物質於室溫下放置約24小時即可以得到 柔軟彈性之熱介面材料20。 綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法 提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例， 自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝 之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵 蓋於以下申請專利範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1係本發明實施方式熱介面材料之結構示意圖。 圖2係圖1中熱介面材料中之奈米破管之透射電子顯 微鏡（Transmission Electron Microscope)照片。 圖3係本發明實施方式熱介面材料之製備方法之流程 【主要元件符號說明】 20 22 24 26 熱介面材料 基底材料 奈米碳管 奈米金屬微粒/奈米陶瓷微粒 12

Claims (1)

1344487 公告本[ 十、申請專利範圍 -. 1. 一種熱介面材料，包含基底材料以及分散於基底材 . 料内之複數奈米碳管，其改進之處在於，該奈米碳管 之平均長度爲600〜2000奈米，且該奈米碳管之至少 ： 一末端爲開口狀。 2. 如申請專利範圍第1項所述之熱介面材料，其中， 該奈米碳管之平均長度爲1000〜1600奈米。 3. 如申請專利範圍第2項所述之熱介面材料，其中， φ 該奈米碳管於基底材料内之質量百分比濃度爲 0.1 〜5%。 4. 如申請專利範圍第3項所述之熱介面材料，其中， * 該奈米碳管管徑爲20〜60奈米。 ' 5.如申請專利範圍第4項所述之熱介面材料，其中， 該基底材料爲聚合物材料。 6.如申請專利範圍第5項所述之熱介面材料，其中， 該基底材料十包含有奈米金屬微粒或奈米陶瓷微粒。 • 7.如申請專利範圍第6項所述之熱介面材料，其中， 該基底材料選用矽膠系列、聚乙烯乙二醇、聚酯、樹 脂系列、缺氧膠系列或壓克力膠系列。 8.如申請專利範圍第7項所述之熱介面材料，其中， 該基底材料爲雙組分矽酮彈性體。 ' 9.如申請專利範圍第6項所述之熱介面材料，其中， ^ 其中，所述奈米金屬微粒為鋁、銀、銅、氧化鋁、氮 化鋁或氮化硼。 13