专利名称：热界面材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种热界面材料，尤其涉及一种具有碳纳米管的热界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，而器件体积却变得越来越小，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。为了满足这些需要，各种散热方式被大量的运用，如利用风扇散热、水冷辅助散热和热管散热等方式，并取得一定的散热效果，但由于散热器与半导体集成器件的接触界面并不平整，一般相互接触的只有不到2％面积，没有理想的接触界面，，从根本上极大地影响了半导体器件向散热器进行热传递的效果，因此在散热器与半导体器件的接触界面间增加一导热系数较高的热界面材料来增加界面的接触程度就显得十分必要。
传统的热界面材料是将一些导热系数较高的颗粒分散到高分子材料中形成复合材料，如石墨、氮化硼、氧化硅、氧化铝、银或其它金属等。此种材料的导热性能在很大程度上取决于聚合物载体的性质。其中以油脂、相变材料为载体的复合材料因其使用时为液态而能与热源表面浸润故接触热阻较小，而以硅胶和橡胶为载体的复合材料的接触热阻就比较大。这些材料的一个普遍缺陷是整个材料的导热系数比较小，典型值在1瓦/米开尔文(W/mK)，这已经越来越不能适应半导体集成化程度的提高对散热的需求，而增加聚合物载体中导热颗粒的含量使颗粒与颗粒尽量相互接触可以增加整个复合材料的导热系数，如某些特殊的界面材料因此可达到4-8W/mK，但当聚合物载体中导热颗粒的含量增加到一定程度时，会使聚合物失去所需的性能，如油脂会变硬，从而浸润效果会变差，橡胶也会变硬，从而失去柔韧性，这都会使热界面材料性能大大降低。
为改善热界面材料的性能，提高其导热系数，现有技术中利用填充纳米级高导热性能材料，如纳米银粉、钻石粉末以及纳米碳球等具有优良导热性能的材料。尤其是研究如何将碳纳米管用于热界面材料并充分发挥其优良的导热性成为提高热界面材料性能的一个重要方向。
现有技术中有一种利用碳纳米管导热特性的热界面材料，将碳纳米管掺到聚合物材料中结成一体，然后通过模压方式制成热界面材料，该热界面材料两导热表面的面积不相等，其中与散热器接触的导热表面的面积大于与热源接触的导热表面的面积，这样可有利于散热器散热。但是，该方法制成的热界面材料，碳纳米管杂乱无序排列在聚合物材料中，其在聚合物材料中分布的均匀性较难得到确保，因而热传导的均匀性也受到影响，而且没有充分利用碳纳米管纵向导热的优势，影响热界面材料的导热性能。
现有技术还揭示一种制备阵列碳纳米管热界面结构的方法。该方法将平板电容浸入包含无序分布碳纳米管的热塑性聚合物浆料中，调节电容平板间距并取出；通过给平板电容加电压形成电场，使所述平板电容的碳纳米管在热塑性聚合物浆料中定向排列；将所述浆料固化后取出即成为热界面结构。
有鉴于此，提供一种具有高导热系数的热界面材料及其制备方法实为必要。
发明内容以下，将以若干实施例说明一种热界面材料。
以及通过这些实施例说明一种热界面材料制备方法。
为实现上述内容，提供一种热界面材料，其包括一基体材料以及多个碳纳米管，所述多个碳纳米管分布在所述基体材料中，且所述多个碳纳米管表面具有磁性微粒。
以及，提供一种热界面材料制备方法，其包括下述步骤首先，提供多个碳纳米管；其次，在所述多个碳纳米管表面形成磁性微粒；然后，将所述具有磁性微粒的多个碳纳米管分散在一基体材料中；最后，固化所述基体材料，形成热界面材料。
本技术方案的热界面材料中碳纳米管表面形成有磁性微粒，该磁性微粒具有优良导热性，有利于进一步提高所述热界面材料的导热性能。另外，可通过外加在所述热界面材料的磁场改变所述碳纳米管的排列方向，将所述碳纳米管按需要传热的方向定向排列在所述基体材料中，使得碳纳米管的纵向导热特性得到最大限度的利用，因而可得到具有高导热系数的热界面材料。
图1为本技术方案实施例中热界面材料的示意图。
图2为本技术方案实施例中热界面材料的制备流程示意图。
图3为本技术方案实施例中生长碳纳米管阵列的示意图。
图4为本技术方案实施例中碳纳米管表面形成磁性微粒的示意图。
图5为图4中IV所示部分的放大示意图。
图6为本技术方案实施例中碳纳米管散布在基体材料的示意图。
图7为本技术方案实施例中定向排列多个碳纳米管的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本技术方案作进一步详细说明。
请一并参阅图1及图5，本技术方案提供一种热界面材料100，其包括一基体材料30以及在所述基体材料30中定向排列的碳纳米管阵列20，所述碳纳米管阵列20的碳纳米管表面具有磁性微粒22。
所述基体材料30包括硅胶系列、石腊、聚乙烯乙二醇、聚酯、环氧树脂系列、缺氧胶系列或压克力胶系列。
所述磁性微粒22的材料包括铁、钴、镍等磁性金属。
请一并参阅图1及图2，本技术方案还提供一种热界面材料制备方法，其包括下述步骤步骤(a)，提供多个碳纳米管；步骤(b)，在所述多个碳纳米管表面形成磁性微粒；步骤(c)，将所述具有磁性微粒的多个碳纳米管分散在一基体材料中；步骤(d)，固化所述基体材料，形成热界面材料。
请一并参阅图3至图6，本技术方案结合实施例对各步骤进行详细说明。
步骤(a)，提供多个碳纳米管21。首先提供一导电基底10，然后在所述导电基底10上形成多个碳纳米管21组成的碳纳米管阵列20。所述导电基底10包括导电玻璃基板、金属基板或具有金属导电层的玻璃基板。所述碳纳米管阵列20的形成方法包括化学气相沉积法、等离子辅助化学气相沉积法、等离子辅助热丝化学气相沉积法或印刷法。本实施例中采用化学气相沉积法，首先在导电基底10上形成催化剂，然后在高温下通入碳源气以形成碳纳米管阵列20。所述催化剂包括铁、镍、钴、钯等过渡金属。所述碳源气包括甲烷、乙烯、丙烯、乙炔、甲醇及乙醇等。具体方法为以导电玻璃基板为导电基底10，在导电基底10上覆盖一层5纳米(nm)厚的铁膜(图未示)，并在空气中300℃条件下进行退火；然后在化学气相沉积腔体(Chemical VaporDeposition Chamber)中700℃条件下以乙烯为碳源气，在所述导电基底10形成碳纳米管阵列20。
步骤(b)，在所述多个碳纳米管21表面形成磁性微粒22。所述磁性微粒22的材料包括铁、钴、镍等磁性金属。为将所述磁性微粒22形成于所述多个碳纳米管21表面，以步骤(a)制备的形成有碳纳米管阵列20的导电基底10作为工作电极，通过三极式电化学反应在碳纳米管阵列20的碳纳米管21表面形成磁性金属。本实施例中以铁作为磁性微粒22。具体方法为，将所述形成有碳纳米管阵列20的导电基底10作为工作电极，以铂(Pt)为材料作为对电极60以及以银/氯化银(Ag/AgCl)为材料作为参考电极70。将所述工作电极、对电极60以及参考电极70置于三极式电解池40的电解液50中。电解液50可采用浓度为0.00001～1.0摩尔/升(mol/L)的硝酸铁溶液，本实施例中选用浓度为0.01mol/L的硝酸铁溶液。通过电化学还原反应，将硝酸铁溶液中的铁离子在所述碳纳米管阵列20的碳纳米管21表面还原为奈米级铁微粒作为磁性微粒22，如图5所示，所述磁性微粒22附着在所述碳纳米管21表面上。当然，在其它实施例中，还可采用硫酸铁、硝酸钴或硝酸镍等溶液作为电解液，而将铁、钴、镍等磁性金属的金属离子还原至所述碳纳米管21表面。
步骤(c)，将所述具有磁性微粒22的多个碳纳米管21分散在一基体材料30中。所述基体材料30包括硅胶系列、石腊、聚乙烯乙二醇、聚酯、环氧树脂系列、缺氧胶系列或压克力胶系列。本实施例中，所述基体材料30选用石腊，将经过步骤(b)处理的所述奈米管阵列20从导电基底10上剥离，形成表面具有磁性微粒22的多个碳纳米管21，并使所述多个碳纳米管21均匀散布在所述液态石腊中。
步骤(d)，固化所述基体材料，形成热界面材料。将所述散布有多个碳纳米管21的基体材料30固化或凝固。本实施例中，将所述散布有多个碳纳米管21的液态石腊在室温下冷却固化，即形成热界面材料100。
请一并参阅图6及图7，本技术方案提供的热界面材料制备方法还进一步包括，在步骤(c)完成后，将所述基体材料30置于一磁场中，使所述多个碳纳米管21在基体材料30中定向排列。本实施例中，在步骤(c)完成后，将所述散布有多个碳纳米管21的液态石腊置于由一第一磁极81及一第二磁极82形成的均匀磁场中，所述表面具有磁性微粒22的多个碳纳米管21在所述均匀磁场的磁力作用下，以定向排列形式散布在所述液态石腊中。
本技术方案的热界面材料100中碳纳米管表面形成有磁性微粒22，可通过外加在所述热界面材料100的磁场改变所述碳纳米管的排列方向，将所述碳纳米管按需要传热的方向定向排列在所述基体材料中，使得碳纳米管的纵向导热特性得到最大限度的利用，因而可得到具有高导热系数的热界面材料。
可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思做出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种热界面材料，其包括一基体材料以及分布在所述基体材料中的多个碳纳米管，所述多个碳纳米管表面具有磁性微粒。
2.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述基体材料包括硅胶系列、石腊、聚乙烯乙二醇、聚酯、环氧树脂系列、缺氧胶系列或压克力胶系列。
3.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述多个碳纳米管形成一碳纳米管阵列。
4.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述磁性微粒的材料包括铁、钴、镍。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的热界面材料，其特征在于，所述多个碳纳米管在所述基体材料中定向排列。
6.一种热界面材料制备方法，其包括下述步骤提供多个碳纳米管；在所述多个碳纳米管表面形成磁性微粒；将所述具有磁性微粒的多个碳纳米管分散在一基体材料中；固化所述基体材料，形成热界面材料。
7.如权利要求6所述的热界面材料制备方法，其特征在于，所述多个碳纳米管生长于一导电基底。
8.如权利要求7所述的热界面材料制备方法，其特征在于，所述导电基底包括导电玻璃基板、金属基板或具有金属导电层的玻璃基板。
9.如权利要求6所述的热界面材料制备方法，其特征在于，所述多个碳纳米管形成一碳纳米管阵列。
10.如权利要求9所述的热界面材料制备方法，其特征在于，所述碳纳米管阵列的形成方法包括化学气相沉积法、等离子辅助化学气相沉积法、等离子辅助热丝化学气相沉积法或印刷法。
11.如权利要求6所述的热界面材料制备方法，其特征在于，所述磁性微粒的材料包括铁、钴、镍。
12.如权利要求11所述的热界面材料制备方法，其特征在于，所述磁性微粒通过电化学还原法形成于所述多个碳纳米管表面。
13.如权利要求6所述的热界面材料制备方法，其特征在于，所述基体材料包括硅胶系列、石腊、聚乙烯乙二醇、聚酯、环氧树脂系列、缺氧胶系列或压克力胶系列。
14.如权利要求6至13中任意一项所述的热界面材料制备方法，其特征在于，所述热界面材料制备方法进一步包括，施加磁场作用使所述多个碳纳米管在基体材料中定向排列。
全文摘要
本发明提供一种热界面材料，其包括一基体材料以及分布在所述基体材料中的多个碳纳米管，所述多个碳纳米管表面具有磁性微粒。优选，所述多个碳纳米管在所述基体材料中定向排列。本发明还提供所述热界面材料的制备方法。
文档编号C09K5/14GK1919961SQ20051003690
公开日2007年2月28日 申请日期2005年8月26日 优先权日2005年8月26日
发明者董才士 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司, 鸿海精密工业股份有限公司