TWI394825B - 熱介面材料及該熱介面材料之使用方法 - Google Patents

Description

熱介面材料及該熱介面材料之使用方法

本發明涉及一種熱介面材料及該熱介面材料之使用方法。

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，器件體積變得越來越小，然，半導體器件體積之減小也提高了其對散熱之要求。為滿足該半導體器件對散熱之需要，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，並取得一定之散熱效果。但因散熱裝置與熱源(半導體集成器件，如CPU)之接觸介面不平整，實際接觸面積一般不到總面積之2%，因此從根本上影響熱源向散熱裝置傳遞熱量之效果。為了增加熱源與散熱裝置兩個介面之間之接觸面積，通常於熱源與散熱裝置之間填加一導熱係數較高之熱介面材料(Thermal Interface Materials)，用於填補熱源與散熱裝置接觸時產生之微空隙及表面凹凸不平之孔洞，增加熱源與散熱裝置兩個介面之接觸面積，減少熱傳遞之阻抗，改善熱源與散熱裝置間之熱傳遞效果。

傳統之熱介面材料係通過於如矽膠之類之柔性基體中添加一些具有優異導熱性能之導熱顆粒如奈米碳管，氧化矽，銀或其他金屬等來形成複合材料。該複合材料利用柔性基體來增加熱源與散熱裝置之接觸面積，利用導熱顆粒來提升熱介面材料之熱傳遞能力。其中，以油脂， 相變材料為柔性基體之複合材料因為使用時為液態，能與熱源表面浸潤，因此接觸熱阻較小，而以矽膠，橡膠等為載體之複合材料之接觸熱阻相對較大。

如於2006年11月30日公開之日本特開第2006-321968號專利申請揭露一種熱介面材料，該熱介面材料採用於高分子材料或油類等柔性基體中分散包含有碳材料和陶瓷之複合材料組成物，從而形成複合材料。再如於2004年7月1日公開之美國第20040125565 A1號專利申請也公開了一種熱介面材料，該熱介面材料採用於柔性基體中添加導熱性能優異之奈米碳球來形成一複合材料。然而，這類複合材料之普遍特性係該柔性基體之導熱係數較小；而導熱係數大之導熱顆粒則與熱源或散熱裝置之介面接觸面積較小。雖然採用奈米級導熱顆粒能於一定程度上提高導熱顆粒與熱源或散熱裝置之介面之接觸程度，但其改善也相當有限；而且導熱顆粒之粒徑越小，其比表面積就越大，其與柔性基體之間之介面熱阻也相應增加；而採用微米級或以上之導熱顆粒雖然可減小與柔性基體之間之介面熱阻，然難以填充到熱源或散熱裝置之介面中之奈米級空隙，導致該導熱顆粒與該熱源或散熱裝置之介面熱阻增加。

為克服上述問題，先前技術進一步揭示了一種熱介面材料，其採用或添加有於工作溫度下產生相變之導熱顆粒，該導熱顆粒於工作溫度下為熔融態，能與該熱源或散熱裝置之介面充分浸潤，故能夠增加該導熱顆粒與該熱源或散熱裝置之介面接觸面積。如於2003年4月24日公開 之美國第20030077478A1號專利揭示了一種熱介面材料，該熱介面材料採用於柔性基體中添加一熔融溫度較低之第一導熱顆粒及一熔融溫度較高之第二導熱顆粒。第一導熱顆粒用來增加該熱介面材料與熱源或散熱裝置之介面之浸潤程度，第二導熱顆粒用來增加該熱介面材料之剛性。然而，具低熔點之第一導熱顆粒於工作時處於熔融狀態，其本身導熱係數會顯著下降，從而影響熱介面材料之導熱係數；另，大部分導熱係數高之導熱顆粒於熱源工作溫度下都難以熔融，如導熱性優異之銀，鋁，銅等之熔點都於350℃以上，而大多數熱源之工作溫度都於350℃以下，如CPU之工作溫度於120℃以下，這使得第一導熱顆粒之選材受到很大限制。

有鑒於此，有必要提供一種熱介面材料。該熱介面材料既能夠降低其與該熱源或散熱裝置之介面熱阻，又能夠降低該第一導熱顆粒與柔性基體之間之介面熱阻，還能夠使該第一導熱顆粒於工作中保持固態。本發明還提供了一種該熱介面材料之使用方法。

一種熱介面材料，用於將一熱源之熱量傳遞給一散熱裝置。該熱源具有一使該熱源不至於過熱損壞之保護溫度，該熱介面材料位於熱源與散熱裝置之間。該熱介面材料包括一柔性基體及填充於該柔性基體中之第一導熱顆粒。該第一導熱顆粒於熔融前之粒徑小於100奈米，且該第一導熱顆粒於熔融前之熔點小於該保護溫度。該第一導熱顆粒於熔融後之粒徑大於100奈米，且該第一導熱顆 粒於熔融後之熔點大於該保護溫度。

一種熱介面材料之使用方法，其包括如下步驟：提供一熱介面材料及一熱源，該熱源具有一使該熱源不至於過熱損壞之保護溫度，該熱介面材料包括一柔性基體及填充於該柔性基體中之第一導熱顆粒，該第一導熱顆粒於熔融前之粒徑小於100奈米，且該第一導熱顆粒於熔融前之熔點小於該保護溫度；將該熱介面材料設置於熱源表面；加熱該熱介面材料至該保護溫度以下，使該熱介面材料中第一導熱顆粒熔融；冷卻該熱介面材料。

與先前技術相比，本發明實施例提供之熱介面材料，將於熔融前粒徑小於100奈米且熔點小於該熱源之保護溫度之第一導熱顆粒填充到該柔性基體中。該第一導熱顆粒能夠於該保護溫度以下熔融，從而與該熱源及散熱裝置之介面充分浸潤，降低該熱介面材料與熱源及散熱裝置之間之介面熱阻；另，該第一導熱顆粒於熔融後之粒徑大於100奈米，降低該第一導熱顆粒與柔性基體之間之介面熱阻；且，該第一導熱顆粒於熔融後之熔點大於該熱源之保護溫度，使該第一導熱顆粒能於工作中保持固態，保持該第一導熱顆粒固有之優異導熱性能。

下面將結合附圖對本發明實施例之熱介面材料及該熱介面材料之使用方法作進一步詳細說明。

請參閱圖1及圖2，為本發明第一實施例提供之熱介面材料30之應用示意圖。於實際應用過程中，該熱介面材料30設置於一熱源10及一散熱裝置20之間，用於將該熱源 10上之熱量傳遞給該散熱裝置20。該熱源10，散熱裝置20及熱介面材料30共同組成一電子裝置100。

該熱源10可為半導體集成器件，也可為IC電路，電阻或其他發熱元件。該熱源10具有一使該熱源10不至於過熱損壞之保護溫度T1。可以理解，當該熱源10之溫度超過T1時，該熱源10會由於過熱而損壞，即T1為熱源10不至於損壞之最大容忍溫度。優選地，該保護溫度T1為350℃。在本實施例中，該熱源10為CPU，其保護溫度T1為120℃。該熱源10靠近散熱裝置20之一側具有一散熱介面11，該散熱介面11之表面於微觀上凹凸不平，存於複數第一空隙12，該第一空隙12之尺寸大小從奈米級到微米級不等。

該散熱裝置20用於將該熱源10中之熱量快速導出，使熱源10不產生熱積累。該散熱裝置20具有一與該散熱介面11對應之導熱介面21，該導熱介面21之表面於微觀上也凹凸不平，存於尺寸大小從奈米級到微米級不等之複數第二空隙22。

該熱介面材料30於使用時設置於該熱源10與散熱裝置20之間，該熱介面材料30包括一柔性基體31及填充於該柔性基體31中之第一導熱顆粒32。

該柔性基體31為熱塑性樹脂與熱固性聚合物所組成之混合體。其中，該熱塑性樹脂可為環氧樹脂系列，酚醛樹脂系列，聚醯胺樹脂系列中之任意一種；該熱固性聚合物材料可為丁苯橡膠系列，溶膠凝膠系列，矽膠系列中 之任意一種。該柔性基體31之熔點大於該保護溫度T1，使該熱介面材料30具有一定彈性，不至在於高溫下溢出。在本實施例中，該柔性基體31為酚醛樹脂系列與溶膠凝膠系列所組成之混合物。

該第一導熱顆粒32均勻分散於該柔性基體31中，且該第一導熱顆粒32於該熱介面材料30中之質量百分含量為15%~95%。

該第一導熱顆粒32於熔融前之粒徑小於100奈米且該第一導熱顆粒32於該粒徑下之熔點小於該保護溫度T1；該第一導熱顆粒32熔融後組成粒徑於100奈米以上之顆粒，且該第一導熱顆粒32於粒徑大於100奈米時之熔點大於該保護溫度T1。可以理解，該第一導熱顆粒32於熔融前之粒徑較小，因此能夠填充滿該第一空隙12及第二空隙22，尤其係當該第一空隙12及第二空隙22為奈米級之時候。優選地，該第一導熱顆粒32為粒徑為1~50奈米之金屬、合金或金屬與合金之混合物，且該第一導熱顆粒32於該粒徑1~50奈米下之熔點於60與100℃之間。具體地，該第一導熱顆粒32之材料可為導熱係數較大之銀，金，銅或錫鉛合金等。因為這類第一導熱顆粒32於非奈米級時之熔點一般比較高，如銀於非奈米級時之熔點為962℃，錫鉛合金於非奈米級時之熔點為183℃左右，但當這些材料於奈米級時，尤其係於1~50奈米時，其熔點會出現顯著下降。亦即，這些導熱係數較大之金屬或合金材料於奈米級粒徑時，其於較低溫度下，如60℃~120℃之間，就可達到熔融態，從而能夠充分浸潤該第一空隙12及第 二空隙22。因此該熱介面材料30能夠減小該散熱介面11與導熱介面21之間之介面熱阻。在本實施例中，該第一導熱顆粒32選擇粒徑範圍於10~20奈米之錫鉛合金顆粒，且該第一導熱顆粒32之粒徑於10~20奈米時之熔點為91℃左右。當然，該第一導熱顆粒32之粒徑並不需要完全相等。於另一實施例中，該第一導熱顆粒32也可選用粒徑範圍於20奈米左右之銀顆粒，此時，該導熱顆粒21之熔點於100℃左右。

請參閱圖3，當該第一導熱顆粒32及柔性基體31於一小於該保護溫度T1之溫度下熔融時，該第一導熱顆粒32相互結合，至少會有部分奈米級之第一導熱顆粒32相互結合成微米級以上尺寸，並相互搭接形成若干個導熱通道。可以理解，如果第一導熱顆粒32於該柔性基體31中所占比例比較高且於熔融態保持足夠長時間，則該全部第一導熱顆粒32也可熔融成一整體。該經過熔融並相互結合後之第一導熱顆粒32於冷卻凝固後，其熔點也隨著粒徑之增大而上升，即當再次上升到同一溫度時，該第一導熱顆粒32不會再度熔融。

從圖3中可看出，利用第一導熱顆粒32之熔點於奈米級會隨著粒徑之減小而降低之特性，可通過選擇第一導熱顆粒32之粒徑大小來對應不同之熔點，從而實現導熱係數高之第一導熱顆粒32也能夠於一個比較低之溫度下熔融之目的，擴展了第一導熱顆粒32之材料選擇範圍。如在本實施例中，粒徑範圍於10~20奈米之間之錫鉛合金於91℃時就可熔融，從而浸潤到第一空隙12及第二空隙22， 並形成複數導熱通道，減小該熱介面材料30與熱源10及散熱裝置20之間之接觸熱阻。而於熱源10正常工作時，該第一導熱顆粒32則保持於固態，具備第一導熱顆粒32固有之優異導熱性能。即便熱源10之溫度於工作中突然升至最高工作溫度以上，大部分第一導熱顆粒32也會保持於固態，因為該第一導熱顆粒32相互結合後粒徑會增大到微米級或以上，對應之熔點也會升高，只有極少數第一導熱顆粒32還保持於奈米級，但不影響整體性能。而且，由於大部分第一導熱顆粒32經過熔融相互結合後得到粒徑更大之第一導熱顆粒32，因此該第一導熱顆粒32與柔性基體之介面熱阻也相應減小。

請參閱圖4及圖5，本發明第二實施例提供一種熱介面材料230，該熱介面材料230應用於一電子裝置200中。該電子裝置200還包括一熱源210及一散熱裝置220，於實際應用過程中，該熱介面材料230設置於該熱源210與散熱裝置220之間，用於將該熱源210上之熱量傳遞給一散熱裝置220。

該熱源210，散熱裝置220及熱介面材料230之結構與組成與第一實施例中電子裝置100中熱源10，散熱裝置20及熱介面材料30之結構與組成基本相同，其區別在於：該熱介面材料230於熔融前還分散有複數熔點大於該保護溫度T1之第二導熱顆粒233。

在本實施例中，該第二導熱顆粒233為奈米碳管或碳纖維，該第二導熱顆粒233均勻分散於該柔性基體231中，於該熱介面材料230中所占質量百分含量為1~25%。當該第 一導熱顆粒232為金屬或合金時，為增強該第二導熱顆粒233對金屬之浸潤性，可對該第二導熱顆粒233之表面進行修飾，如通過化學鍍等方法於該第二導熱顆粒233之表面鍍上金屬或合金。而且當該第一導熱顆粒232於一小於該保護溫度T1之溫度下熔融時，該第二導熱顆粒233保持於固態；複數於熔融態之第一導熱顆粒232與至少一個第二導熱顆粒233結合並將該第二導熱顆粒233包覆，形成複合導熱顆粒。於該熱介面材料230冷卻後，複數複合導熱顆粒相互搭接成複數導熱通道。

於該熱介面材料230中填充導熱能力更為優異之第二導熱顆粒233，可進一步提升該熱介面材料230之導熱性能，而且為該熱介面材料230提供足夠之強度與剛性。

請參閱圖6，該熱介面材料之使用方法包括如下步驟。

步驟S101，提供一熱介面材料及一熱源，該熱源具有一使該熱源不至於過熱損壞之保護溫度，該熱介面材料包括一柔性基體及填充於該柔性基體中之第一導熱顆粒，該第一導熱顆粒於熔融前之粒徑小於100奈米，且該第一導熱顆粒於熔融前之熔點小於該保護溫度。

步驟S102，將該熱介面材料設置於熱源表面。

步驟S103，加熱該熱介面材料至該保護溫度以下，使該熱介面材料中之第一導熱顆粒熔融。該第一導熱顆粒於熔融態下會相互結合，其粒徑將增大至微米級以上，如果該第一導熱顆粒於熔融態之時間足夠長，則全部第一導熱顆粒熔融成一個整體。

步驟S104，將一散熱裝置扣合該熱介面材料，使該熱介面材料位於該熱源與散熱裝置之間。於該熱介面材料於熔融態時將該散熱裝置扣合於該熱介面材料之上，可靈活調節該散熱裝置與該熱源之間之距離。可以理解，該熱介面材料於熔融態下，更容易被壓縮，從而能夠進一步縮短該散熱裝置與該熱源之間之距離，縮短該熱介面材料之熱傳遞路徑。

步驟S105，冷卻該熱介面材料。冷卻該熱介面材料後，該熱介面材料中之導熱顆粒由於粒徑於微米級以上，該導熱顆粒之熔點也上升到該保護溫度以上。可以理解，該熱介面材料經過冷卻後，當再次將溫度升高到使該粒徑小於100奈米時導熱顆粒熔融之溫度時，該導熱顆粒將不再熔融。

於該步驟S102中，還可包括如下步驟：將一散熱裝置扣合於該熱介面材料之上，使該熱介面材料位於該熱源與散熱裝置之間。且，此時該步驟S104將不再必要。而在步驟S105之前，還可包括如下步驟：調整所述散熱裝置與熱源之位置，進一步擠壓該熱介面材料。

於該步驟S103，還可包括如下步驟：使該熱源在小於該保護溫度且大於該第一導熱顆粒熔融溫度之一溫度下工作，使該第一導熱顆粒熔融。通過使熱源工作的方式加熱該熱介面材料，過程比較簡單，且無須複雜之外部加熱設備。

該熱介面材料將於熔融前粒徑小於100奈米且熔點小於該 熱源之保護溫度之第一導熱顆粒填充到該柔性基體中。該第一導熱顆粒能夠於該保護溫度以下熔融，從而與該熱源及散熱裝置之介面充分浸潤，降低該熱介面材料與熱源及散熱裝置之間之介面熱阻；另，該第一導熱顆粒於熔融後之粒徑大於100奈米，能降低該第一導熱顆粒與柔性基體之間之介面熱阻；且，該第一導熱顆粒於熔融後之熔點大於該熱源之保護溫度，使該第一導熱顆粒能於工作中保持固態，保持該第一導熱顆粒固有之優異導熱性能。

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。舉凡習知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內。

100、200‧‧‧電子裝置

10、210‧‧‧熱源

11‧‧‧散熱介面

12‧‧‧第一空隙

20、220‧‧‧散熱裝置

21、210‧‧‧導熱介面

22、220‧‧‧第二空隙

30、230‧‧‧熱介面材料

31、231‧‧‧柔性基體

32、232‧‧‧第一導熱顆粒

233‧‧‧第二導熱顆粒

圖1係本發明實施例提供之熱介面材料之應用示意圖。

圖2係本發明第一實施例中之熱介面材料於熔融前之微觀結構示意圖。

圖3係本發明第一實施例中之熱介面材料於熔融後之微觀結構示意圖。

圖4係本發明第二實施例中之熱介面材料於熔融前之微觀結構示意圖。

圖5係本發明第二實施例中之熱介面材料於熔融後之微觀結構示意圖。

圖6係圖1中熱介面材料之使用方法之流程示意圖。

100‧‧‧電子裝置

10‧‧‧熱源

11‧‧‧散熱介面

12‧‧‧第一空隙

20‧‧‧散熱裝置

21‧‧‧導熱介面

22‧‧‧第二空隙

30‧‧‧熱介面材料

31‧‧‧柔性基體

32‧‧‧第一導熱顆粒

Claims (18)

1. 一種熱介面材料，用於將一熱源之熱量傳遞給一散熱裝置，該熱源具有一使該熱源不至於過熱損壞之保護溫度，該熱介面材料位於熱源與散熱裝置之間，該熱介面材料包括一柔性基體及填充於該柔性基體中之第一導熱顆粒，其改進在於，該第一導熱顆粒於熔融前之粒徑小於100奈米，且該第一導熱顆粒於熔融前之熔點小於該保護溫度，該第一導熱顆粒於熔融後之粒徑大於100奈米，且該第一導熱顆粒於熔融後之熔點大於該保護溫度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之熱介面材料，其中，該第一導熱顆粒之粒徑於熔融前小於50奈米。
3. 如申請專利範圍第2項所述之熱介面材料，其中，該第一導熱顆粒之熔點於熔融前為低於120℃。
4. 如申請專利範圍第3項所述之熱介面材料，其中，該第一導熱顆粒於熔融前為粒徑範圍於10~20奈米之錫鉛合金顆粒。
5. 如申請專利範圍第3項所述之熱介面材料，其中，該第一導熱顆粒於熔融前為粒徑為20奈米之銀顆粒。
6. 如申請專利範圍第1項所述之熱介面材料，其中，該第一導熱顆粒於該熱介面材料中之質量百分含量為15%~95%。
7. 如申請專利範圍第1項所述之熱介面材料，其中，該柔性基體之熔融溫度大於該保護溫度。
8. 如申請專利範圍第1項所述之熱介面材料，其中，該第一導熱顆粒於熔融再冷卻後之粒徑於微米級以上，且該第一導熱顆粒於熔融後相互搭接成至少一個導熱通道。
9. 如申請專利範圍第1項所述之熱介面材料，其中，該熱介面材料還進一步包括第二導熱顆粒填充於該柔性基體中，該第二導熱顆粒之熔點大於該保護溫度。
10. 如申請專利範圍第9項所述之熱介面材料，其中，該第二導熱顆粒為於該熱介面材料中質量百分含量為1~25%之奈米碳管或碳纖維。
11. 如申請專利範圍第10項所述之熱介面材料，其中，該第二導熱顆粒之表面經過修飾，對金屬具有親和力。
12. 一種熱介面材料之使用方法，其包括如下步驟：提供一熱介面材料及一熱源，該熱源具有一使該熱源不至於過熱損壞之保護溫度，該熱介面材料包括一柔性基體及填充於該柔性基體中之第一導熱顆粒，該第一導熱顆粒於熔融前之粒徑小於100奈米，且該第一導熱顆粒於熔融前之熔點小於該保護溫度；將該熱介面材料設置於熱源表面；加熱該熱介面材料至該保護溫度以下，使該熱介面材料中第一導熱顆粒熔融，該第一導熱顆粒於熔融後之粒徑大於100奈米，且該第一導熱顆粒於熔融後之熔點大於該保護溫度；以及冷卻該熱介面材料。
13. 如申請專利範圍第12項所述之熱介面材料之使用方法，其中，該熱介面材料冷卻後具有複數粒徑大於100奈米之第一導熱顆粒。
14. 如申請專利範圍第12項所述之熱介面材料之使用方法，其中，該熱介面材料中冷卻後，該第一導熱顆粒形成一個整體。
15. 如申請專利範圍第12項所述之熱介面材料之使用方法，其中，於冷卻該熱介面材料步驟前，還包括如下步驟：將一散熱裝置扣合該熱介面材料，使該熱介面材料位於該熱源與散熱裝置之間。
16. 如申請專利範圍第12項所述之熱介面材料之使用方法，其中，於將該熱介面材料設置於熱源表面步驟中，還包括如下步驟：將一散熱裝置扣合該熱介面材料，使該熱介面材料位於該熱源與散熱裝置之間。
17. 如申請專利範圍第16項所述之熱介面材料之使用方法，其中，於冷卻該熱介面材料步驟前，還包括如下步驟：調整所述散熱裝置與熱源之位置，進一步擠壓該熱介面材料。
18. 如申請專利範圍第12項所述之熱介面材料之使用方法，其中，於加熱該熱介面材料至該保護溫度以下，使該熱介面材料中第一導熱顆粒熔融步驟中，還包括如下步驟：使該熱源在小於該保護溫度且大於該第一導熱顆粒熔融溫度之一溫度下工作，使該第一導熱顆粒熔融。