TWI475104B - 一維奈米銀線之熱界面材料之組成物 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種一維奈米銀線之熱界面材料之組成物，尤指涉及一種具有一維奈米銀線之熱界面材料製備方法，特別係指該奈米銀線可以少量添加於一高分子中而顯著地提高其導熱性之熱界面材料者。
本申請案主張2008年12月2日提出申請之中華民國申請案第097146836號、2009年3月29日提出申請之美國專利申請案第12413598/2009號及2009年4月23日提出申請之日本專利申請案第2009-105477號之優先權，其全文在此以參照形式被併入本文。
隨著現代科技之日新月異，半導體製程技術與微電子工業之蓬勃發展，電子元件朝著輕、薄、短、小與高密度演變。然而，電子元件在工作時會產生熱，當這些熱無法排除時會降低元件效能或使電子訊號失真，更會導致電子元件損壞。因此精密之電子元件在運作時，其散熱之好壞對電子元件之壽命及性質具有舉足輕重之影響。
現今市售散熱用熱界面材料產品皆須加入高含量具高熱傳之無機材料添加物。無機材料通常選用具有高熱傳導性質之陶瓷或金屬粉體，其中較常見包括有氮化鋁(AlN)、氮化硼(BN)、氧化鋁(Al2O3)、碳化矽(SiC)及銀(Ag)等，其皆具有不錯之熱傳導係數。然而無機材料比重過重且加工條件苛刻，造成熱界面材料之機械強度下降。
前述銀具有優越之熱傳導特性，同時銀相較於銅等金屬不易氧化，因此以金屬材料銀而言，其係相當適合用來製備散熱用熱界面材料者。
以傳統銀顆粒之熱界面材料而言，其增加整體複合材料之熱傳導係數，係增加高分子基材中導熱顆粒之含量而使顆粒與顆粒盡量相互接觸，惟當導熱顆粒之含量增加至一定程度後，會使高分子混合物之黏度增加，造成加工不易並失去應有之韌性。有鑒於此，遂發展以奈米金屬線或奈米銀線作為導熱之技術。
過去在以奈米金屬線或奈米銀線作為導熱之文獻中，主要以學術報導為主，這些量測大部份皆利用單根奈米金屬線進行微觀量測，並進行理論推導，其導熱效果因無其它混合物之干擾而量測出來，如白金(Pt)、鉍(Bi)、鉍銻合金及錫等；另外亦有以數根同方向並排之奈米鎳線於兩端連接後量測導熱值，其導熱效果亦因此提昇許多。但若於實際應用於導熱施工上需進行塗佈，因此塗佈材料須將奈米線與膠料進行混成方可使用。以奈米金屬線進行塗料開發之技術文獻，目前僅見中國專利申請文號CN 101349417為將奈米銀線與銅金屬顆粒混入矽膠形成導熱膠，並試圖應用在發光二極體(LED)封裝上，此專利利用奈米銀線之較低燒結溫度與金屬顆粒進行燒結，其施工溫度可下降至225℃左右，並因燒結而獲得導熱效果之提昇，然而矽膠牢固度與機械性能並不佳，而此燒結溫度亦已達矽膠耐熱之上限，另外銅金屬亦有易氧化之問題，這些都是需要改進之問題。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
鑑於以奈米銀線混成功能性樹脂係為可改進上述該些問題之方法。吾人於此奈米銀線導熱材料之合成申請專利，分別提出有中華民國發明專利申請案號097146836、美國專利申請案號12413598/2009及日本專利申請案號2009-105477，其內容主要為以化學濕法之連續製作奈米銀線方法，可大量生產高品質之奈米銀線，內容包含了連續式合成及純化之技術；另外將其開發應用於導電材之技術部份，亦申請了中華民國發明專利申請案號099113427及美國專利申請案號12827093/2010等專利，其內容主要為奈米銀線導電膠之製造方法，主要將一維奈米導電材混入水性或油性膠體形成導電膠，利用矽醇改質劑改質奈米銀線表面，使其膠料混合對象不受工業及環境適用性之限制，此技術所得到之導電膠具有較佳之導電性能，而且在一維奈米導電材之使用量較少，可有效節省成本。以上述已開發之技藝之基礎推至導熱膠之應用亦獲得極佳之效果。
職是之故，鑑於習知技術中所產生之缺失弊端，實有急待改進之必要，針對既有之缺失加以改良，發展一種能避免已知技術之方法與熱界面材料之缺點並且能夠進行符合實用進步性與產業利用性之方法與熱界面材料有其必要。
本發明係揭示一種以奈米銀線解決高無機物添加量之熱界面材料應用，其主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種高導熱電奈米銀線材料/高分子複合材料之製備方法。
本發明之次要目的係在於，提供一種熱界面材料之組成物及其製備方法。
為達以上之目的，本發明係一種一維奈米銀線之熱界面材料之組成物，係包括一高分子基材及分佈於該高分子基材中之複數奈米銀線所構成。其中，該些奈米銀線之含量為50phr(33wt%)以上，其直徑係介於40～400nm範圍，且長度係介於5～50μm範圍。
請參閱『第1圖』所示，係本發明之結構示意圖。如圖所示：本發明係一種一維奈米銀線之熱界面材料之組成物，其至少包括一高分子基材11及分佈於該高分子基材11中之複數奈米銀線12所構成。
上述所提之高分子基材11係可選自環氧樹脂、乙烯酯樹脂、矽油、乙烯醋酸乙酯、聚酯類、聚醯胺、聚亞醯胺或上述任意組合所組成之混合物之其中之一。
上述所提之奈米銀線12直徑係介於40～400nm範圍，且長度係介於5～50μm範圍。
本發明組成物中之奈米銀線12，係較銀顆粒具有高長徑比。長徑比高之奈米銀線12有如橋梁，可於較低含量下形成完整之導熱通路，因此可保有熱界面材料所需之特性。
於一較佳實施例中，本發明選用之奈米銀線為直徑約在100nm，長度約為10μm，其合成方式係利用熱裂解方式以化學濕法合成並經純化後獲得，其中奈米銀粒來源為Nanopowders Industries Ltd生產(粒徑d50=100nm)。本發明所提供之熱界面材料係將奈米銀線均勻分佈於高分子基材中，再將高分子硬化，該硬化後之高分子複合材料中係具有穩固其中之奈米銀線。本實施方式所採用之高分子為環氧樹脂(Epoxy)：NPEL-128，硬化劑：JeffamineD-2000。本實施方式所產生熱界面材料之組成配方如表一所示。
當運用時，以上述材料所製得之高導熱奈米銀線/環氧樹脂複合材料之製備方式，係至少包括下列步驟：
(A)將硬化劑與少量丙酮以機械攪拌機進行分散，使其呈現均勻溶液態，並加入奈米銀線(或奈米銀顆粒)，再進行分散；
(B)將環氧樹脂與硬化劑以莫耳比2:1配方置入上述溶液中，其添加奈米銀線(或奈米銀顆粒)之配方為50、100、200與300phr(舉列50phr，其代表每100重量份環氧樹脂使用50重量份奈米銀線或奈米銀顆粒)，之後再將其混合物強力攪拌至均相並加入消泡劑，持續攪拌直到使其為均勻之溶液；
(C)將步驟(B)混合物於真空且60℃環境下，移除丙酮，待無氣泡出現後再將混合物以塗佈方式於銅箔表面上覆蓋400μm厚度之奈米銀線/環氧樹脂複合材料，其中，重複除泡步驟；
(D)將置有步驟(C)混合物之模具移置烘箱，以120℃、160℃與180℃各別持溫2小時之階段式升溫方式進行交聯硬化；以及
(E)最後，將硬化後材料浸泡於銅蝕刻液中將銅箔去除，經去離子水清洗後烘乾製得高導熱奈米銀線/環氧樹脂複合材料。
熱界面材料之熱傳導係數之測量係使用瞬變平面熱源法(Hot disk,TPS-2500,Sweden)，其方法係將感測探頭置於兩個樣品之間，形成類似三明治之架構，直接測量熱傳導係數。樣品形狀不需進行特別加工，但必須具有一個相對平面，以便與探頭接觸，試片厚度約為3mm。其中量測瓦數為0.1W，量測時間為20秒。本實施方式所產生熱界面材料(即上述奈米銀線/環氧樹脂複合材料)之熱傳導係數如表二所示。
表二顯示本發明之奈米銀線/環氧樹脂複合材料係具有高熱傳導係數，為55.86W/mK，已遠高於典型之熱界面材料(1W/mK)，且由數據所示，添加100phr之奈米銀顆粒於環氧樹脂，其熱傳導係數為1.97W/mK，顯示本發明已符合傳統熱界面材料所需之熱傳導係數。然而添加奈米銀線則呈現更優異之熱傳導性質。以50phr奈米銀線/環氧樹脂為例，相較於純環氧樹脂之熱傳導增益值已上升43倍。其中主要為奈米銀線相較於奈米銀顆粒可具有較高之長徑比，其可將銀線視為橋梁而跨接銀線與銀線之間，於低之添加含量下即能產生出完善之熱傳導通路。
藉此，依本發明內容所完成之一種高導熱奈米銀線之熱界面材料之組成物。該熱界面材料之組成物係透過至少一種硬化劑固化，由高分子基材與分佈於其中之奈米銀線構成，利用該熱界面材料之奈米銀線具有高長徑比、高熱傳導係數與較佳之抗氧化能力，使得奈米銀線之添加量可較一般傳統金屬或陶瓷粉體少，因此有利於分散加工處理，可有效填平元件表面缺陷，進而增加與元件之界面接著性質，構成可形成完整之導熱通路進而獲得高熱傳導係數之熱界面材料。
綜上所述，本發明係一種一維奈米銀線之熱界面材料之組成物，可有效改善習用之種種缺點，係由高分子基材與分佈於其中之奈米銀線構成，利用該熱界面材料之奈米銀線具有高長徑比、高熱傳導係數與較佳之抗氧化能力，使得奈米銀線之添加量可較一般傳統金屬或陶瓷粉體少，因此有利於分散加工處理，可有效填平元件表面缺陷，進而增加與元件之界面接著性質，構成可形成完整之導熱通路進而獲得高熱傳導係數之熱界面材料，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，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而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
11．．．高分子基材
12．．．奈米銀線
第1圖，係本發明熱界面材料之組成物結構示意圖。
11．．．高分子基材
12．．．奈米銀線
Claims (3)
- 一種一維奈米銀線之熱界面材料之組成物，其包括：一高分子基材；以及複數高長徑比之奈米銀線，該些奈米銀線係分佈於該高分子基材中，且該些奈米銀線直徑係介於40~400nm範圍，且長度係介於5~50μm範圍，係將該些奈米銀線視為橋梁而跨接奈米銀線與奈米銀線之間，俾以形成完整之導熱通路。
- 依申請專利範圍第1項所述之一維奈米銀線之熱界面材料之組成物，其中，該高分子基材係可選自環氧樹脂、乙烯酯樹脂、矽油、乙烯醋酸乙酯、聚酯類、聚醯胺、聚亞醯胺或上述任意組合所組成之混合物之其中之一。
- 依申請專利範圍第1項所述之一維奈米銀線之熱界面材料之組成物，其中，該些奈米銀線之含量為50phr(33wt%)以上。
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