[發(fā)明專利]一種低界面接觸熱阻的熱界面及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710879754.2
• 申請日: 2017-09-26
• 公開（公告）號: CN107634041A
• 公開（公告）日: 2018-01-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 閆金良;閆慧龍;李宏光
• 申請（專利權(quán)）人: 魯東大學(xué)
• 主分類號: H01L23/373
• 分類號: H01L23/373;C09K5/14
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種低界面接觸熱阻的熱界面及其制備方法，屬于電子器件散熱技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

半導(dǎo)體技術(shù)一直沿著微型化、集成化的方向發(fā)展，使器件單位體積內(nèi)的發(fā)熱量大大增加，系統(tǒng)溫度也隨之升高，直接影響到器件的性能，甚至導(dǎo)致器件的損壞；此外高溫還導(dǎo)致系統(tǒng)由于材料熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生熱應(yīng)力，影響系統(tǒng)的可靠性。研究表明，LED的壽命隨著芯片結(jié)溫的增加成指數(shù)下降。其中熱源與熱沉之間的界面接觸熱阻是影響其散熱性能的主要因素之一，需要填充熱界面材料于熱源與熱沉之間，增進(jìn)熱傳遞效率，降低界面接觸熱阻。在電子元件的散熱途徑中，熱界面材料是影響散熱效率高低的關(guān)鍵因素。

傳統(tǒng)的熱界面材料以聚合物材料為基體，通過添加導(dǎo)熱顆粒來提高其導(dǎo)熱性能，常用的導(dǎo)熱顆粒有石墨、氮化硼、氧化鋁、銀、銅等。這類熱界面材料熱導(dǎo)率較小，一般為1W/(m.K)，難以滿足高熱流密度電子器件散熱的需求。雖然增加聚合物中導(dǎo)熱顆粒含量使顆粒與顆粒之間盡量相互接觸可以增加熱界面材料的熱導(dǎo)率，但導(dǎo)熱顆粒含量增加到一定程度時熱界面材料會變硬，浸潤效果變差，界面接觸性能會降低，從而使界面接觸熱阻增大。碳納米管具有優(yōu)異的徑向?qū)嵝阅埽瑢⑻技{米管分散于聚合物中形成熱界面復(fù)合材料成為熱界面材料研究的一個重要方向。由于碳納米管在基體中雜亂分散排列，其徑向?qū)嵝阅艿貌坏匠浞掷茫技{米管熱界面材料的導(dǎo)熱性能沒有明顯改善。有鑒于此，研究人員將目光轉(zhuǎn)向垂直定向生長碳納米管(VACNT)直接作為熱界面材料方向上。碳納米管陣列的長度不一，碳納米管陣列與熱源或散熱器的實際接觸面積很小；另外，現(xiàn)有的碳納米管末端與熱源或散熱器之間的接觸較差，因而界面接觸熱阻較大。大量研究表明，采用垂直定向生長碳納米管直接作為熱界面材料其導(dǎo)熱效果也并不明顯。公開號為CN101609802A的發(fā)明專利“一種低熱阻熱界面制備方法”通過磁對準(zhǔn)提高碳納米管與目標(biāo)襯底間的接觸幾率，同時在鍵合壓力作用下提高界面粘結(jié)強(qiáng)度，采用該技術(shù)后界面接觸熱阻低于5mm²K/W。石墨烯作為一種嚴(yán)格的二維碳材料，單層石墨烯二維面內(nèi)熱導(dǎo)率高達(dá)5000W/(m.K)，但垂直熱導(dǎo)率僅15-20W/(m.K)；石墨烯為固體，與熱源和散熱器的接觸方式為固體和固體的硬接觸，接觸熱阻較大；采用石墨烯作為導(dǎo)熱填料的熱界面材料的界面接觸熱阻未見報道。

鑒于以上熱界面材料的不足，越來越多的學(xué)者更傾向于利用液態(tài)金屬作為熱界面材料來減小界面接觸熱阻。通過對現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，李根等人將銅顆粒與熔點為10.7℃的Ga_62.5In_21.5Sn₁₆液態(tài)金屬相混合，結(jié)果顯示當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，界面接觸熱阻可以達(dá)到5.621mm²K/W,參見李根等人的“新型銅顆粒填充的液態(tài)金屬熱界面材料導(dǎo)熱性能實驗研究”，《西安交通大學(xué)學(xué)報》50(2016)61-65。Yunxia Gao等人研究了鎵基熱界面材料的性能，結(jié)果顯示界面接觸熱阻值可以達(dá)到2.6mm²K/W，參見Yunxia Gao等人的“高順從和高潤濕性的鎵基熱界面材料”，《應(yīng)用物理A》107(2012)701-708 (Yunxia Gao, Jing Liu. Gallium-based thermal interface material with high compliance and wettability, Applied Physics A 107(2012)701-708)。當(dāng)熱界面材料填充到兩粗糙面之間后，此時的界面接觸熱阻主要包括兩部分：(1)由熱界面材料自身的熱導(dǎo)率和厚度形成的容積熱阻；(2)由熱界面材料的上下端與粗糙表面形成的邊界熱阻。現(xiàn)有的熱界面主要通過采用高熱導(dǎo)率的熱界面材料降低容積熱阻來實現(xiàn)低界面接觸熱阻。因此，現(xiàn)有熱界面的界面接觸熱阻不夠低。為此，通過強(qiáng)化界面?zhèn)鳠醽斫档徒缑娼佑|熱阻就越發(fā)關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種通過調(diào)控界面性能來強(qiáng)化界面?zhèn)鳠岷徒档徒缑娼佑|熱阻的方法。制備工藝不需要加熱和退火，熱界面的界面接觸熱阻低，可廣泛用于船舶、航空航天、先進(jìn)能源、高功耗電子器件等需低界面接觸熱阻的導(dǎo)熱和散熱領(lǐng)域。