專利名稱：一種熱界面材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種熱界面材料，特別涉及一種改善熱源與散熱裝置之間接觸面以提高散熱性能的熱界面材料及其制造方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路的密集化及微型化程度越來越高，電子元件變得更小并且以更高速度運行，使其對散熱的要求越來越高。因此，為盡快將熱量從熱源散發(fā)出去，在電子元件表面安裝一散熱裝置成為業(yè)內(nèi)普遍的做法，其利用散熱裝置材料的高熱傳導(dǎo)性能，將熱量迅速向外部散發(fā)，但是，散熱裝置與熱源表面的接觸經(jīng)常存在一定間隙，使散熱裝置與熱源表面未能緊密接觸，成為散熱裝置散熱的一大缺陷。針對散熱裝置與熱源表面的接觸問題，業(yè)內(nèi)應(yīng)對辦法一般是在電子元件與散熱裝置之間添加一熱界面材料，通常即導(dǎo)熱膠，利用導(dǎo)熱膠的可壓縮性及高導(dǎo)熱性能使電子元件產(chǎn)生的熱量迅速傳到散熱裝置，然后再通過散熱裝置把熱量散發(fā)出去。該方法還可在導(dǎo)熱膠內(nèi)添加高導(dǎo)熱性材料以增加導(dǎo)熱效果。但是，當(dāng)電子元件產(chǎn)生熱量而達(dá)到高溫時，導(dǎo)熱膠與電子組件表面所發(fā)生熱變形并不一致，這將直接導(dǎo)致導(dǎo)熱膠與電子元件的接觸面積降低，從而妨礙其散熱效果。
由于傳統(tǒng)導(dǎo)熱膠不能滿足當(dāng)前快速散熱要求，因而業(yè)內(nèi)多轉(zhuǎn)向能改善電子元件與散熱裝置的接觸，減小此接觸界面間距的熱界面材料，以提高整體熱傳導(dǎo)效率。如美國專利第6,294,408號專利提供了一種控制傳熱接觸界面間距的方法，該專利認(rèn)為熱傳導(dǎo)過程中，熱界面材料與散熱裝置的接觸界面間距產(chǎn)生的熱阻為電子元件散熱的最大熱阻，因而有必要控制其接觸界面間距以提高導(dǎo)熱效果。該間距控制方法是用機(jī)械方法將一厚度比電子元件與散熱底座之間間距稍厚的熱界面材料壓縮，使熱界面材料最終厚度跟電子元件與散熱底座之間間距相等，從而達(dá)到控制熱傳界面間距以提高導(dǎo)熱效率。但是，該方法是在室溫下實施，因此，當(dāng)電子元件工作達(dá)到較高溫度時，由于熱界面材料與電子元件及散熱底座具有不同的熱擴(kuò)散系數(shù)及熱形變效應(yīng)，勢必引起熱界面材料與電子元件及散熱底座之間間距增大，直接導(dǎo)致散熱效果下降。
為提高電子元件工作溫度時熱界面材料的接觸緊密性，減小界面之間距，也有在熱界面材料中添加高導(dǎo)熱系數(shù)的顆粒，并對硅膠、橡膠等基體進(jìn)行改性處理。如美國專利第6,605,238號或中國專利第00812789.1號所揭露的一種柔軟且可交聯(lián)的熱界面材料，該材料是將馬來酐加合到橡膠中，并添加銀、銅、鋁或金屬氮化物、碳纖維及其混合物等高熱傳導(dǎo)性材料。當(dāng)處于電子元件高溫工作環(huán)境時，該熱界面材料中的烯烴受熱活化會交聯(lián)而形成一種軟凝膠，避免了熱脂類熱界面材料的高溫下界面脫層。然而該熱界面材料的填料含量高達(dá)95wt％以上，橡膠含量較少，并不能完整地體現(xiàn)橡膠的特性，降低橡膠粘性，減小其扣合力。而且反復(fù)熱循環(huán)使用時間過長時，橡膠將會變硬并最終老化，直接導(dǎo)致該熱界面材料性能下降。
有鑒于此，提供一種熱傳導(dǎo)性能優(yōu)良及導(dǎo)熱效率高，在電子元件工作溫度下能保持緊密接合形狀的熱界面材料實為必要。

發(fā)明內(nèi)容為克服先前技術(shù)中熱界面材料與電子元件及散熱裝置之間接合不緊密，熱界面材料導(dǎo)熱效果不良等問題，本發(fā)明的目的在于提供一種熱傳導(dǎo)性能優(yōu)良及導(dǎo)熱效率高，在電子元件工作溫度下能保持緊密接合形狀的熱界面材料。
本發(fā)明的另一目的在于提供這種熱界面材料的制造方法。
為實現(xiàn)第一目的，本發(fā)明提供一種熱界面材料，其包括一導(dǎo)熱膠基體，該基體包括一第一表面及相對于第一表面的第二表面。其中，至少一形狀記憶合金分散在該基體內(nèi)，該形狀記憶合金可選自CuNiTi、CuAlFe、CuAlNi、CuZrZn、CuAlZn、CuAlFeZn、NiTiAlCu、NiTiAlZn或NiTiAlZnCu等納米合金一種或多種的組合。該形狀記憶合金顆粒大小范圍為10～100納米，以20～40納米為佳。
為實現(xiàn)第二目的，另外，本發(fā)明提供該熱界面材料的制造方法，其可包括以下步驟提供一導(dǎo)熱膠基體；在預(yù)定溫度下，將選定的形狀記憶合金分散在該基體中；在同樣溫度下，將該處理后基體緊密扣合在散熱裝置與熱源之間；
冷卻固化，形成熱界面材料。
其中，該預(yù)定溫度選用熱源工作溫度，其可通過熱源工作時所產(chǎn)生的熱流計算而得，如CPU，工作溫度通常在50～100℃之間；處理后的導(dǎo)熱膠基體與散熱裝置及熱源緊密扣合時所需扣合力為49～294牛頓，且以98～137牛頓為佳。
另外，該制造方法還進(jìn)一步包括從散熱裝置與熱源間揭下固化后含形狀記憶合金的導(dǎo)熱膠基體的步驟。
與先前的熱界面材料相比，本發(fā)明提供的熱界面材料包含形狀記憶合金，并在熱源工作溫度下形成。當(dāng)使用時，熱界面材料在電子元件工作溫度時將恢復(fù)其緊密扣合的形狀，即可增加導(dǎo)熱效率，從而避免先前技術(shù)中電子元件溫度上升時熱界面材料與其接觸面積下降，以至于導(dǎo)熱效率下降的問題。另外，本發(fā)明提供的熱界面材料采用納米合金，可利用其大表面積及納米尺寸效應(yīng)，并在合金中添加有如鋁銅等高導(dǎo)熱性材料，最終可提高該熱界面材料的導(dǎo)熱性能。

圖1是本發(fā)明所提供的熱界面材料的橫截面示意圖。
圖2是本發(fā)明的熱界面材料應(yīng)用示意圖。
圖3是本發(fā)明的熱界面材料形成時與散熱裝置及熱源之間接觸界面的放大示意圖。
圖4是本發(fā)明的熱界面材料非工作狀態(tài)時與散熱裝置及熱源之間接觸界面的截面放大示意圖。
圖5是本發(fā)明的熱界面材料工作時與散熱裝置及熱源之間接觸界面的截面放大示意圖。
圖6是本發(fā)明的熱界面材料制造方法流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
請參閱圖1，本發(fā)明提供的熱界面材料10包括一導(dǎo)熱膠基體11，該基體11可選自一銀膠或矽膠，如G751膠(產(chǎn)于Shin-Etsu公司)，其具有一第一表面13及相對的第二表面14。其中，形狀記憶合金12分散在該基體內(nèi)，該形狀記憶合金12可選用CuNiTi、CuAlFe、CuAlNi、CuZrZn、CuAlZn、CuAlFeZn、NiTiAlCu、NiTiAlZn或NiTiAlZnCu等納米合金一種或多種的組合，該形狀記憶合金12顆粒大小范圍為10～100納米，且以20～40納米為佳。本發(fā)明選用納米CuNiTi合金作為形狀記憶合金。
請參閱圖2，即本發(fā)明的熱界面材料應(yīng)用示意圖。熱界面材料10位于散熱裝置20與電子元件30之間。工作時由電子元件30所產(chǎn)生的熱量，經(jīng)熱界面材料10傳到散熱裝置20，在此熱傳導(dǎo)期間，由于分散在熱界面材料10中的形狀記憶合金(未標(biāo)示)具有形狀記憶功能，即它處于電子元件30工作溫度下，能記憶并恢復(fù)到最初形成時的緊密接合形狀，使得熱界面材料10與散熱裝置20及電子元件30均密切扣合，因而由電子元件30產(chǎn)生的熱量能迅速高效地經(jīng)由熱界面材料10傳導(dǎo)到散熱裝置20，并通過散熱裝置20散發(fā)出去，從而達(dá)到將電子元件30的熱量及時散發(fā)出，保證電子元件30正常運作的目的。
本發(fā)明是基于形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)(SME，Shape Memory Effect)來實現(xiàn)，詳細(xì)內(nèi)容請參閱美國專利第6,689,486號及中國第02136712.4號公開專利申請。該效應(yīng)使合金由低溫馬氏體相轉(zhuǎn)向較高溫度時奧氏體相過程中發(fā)生晶相形變，與一般錯位變形不同之處在于該晶相形變受熱時或處于熱流循環(huán)中能夠恢復(fù)原來較高溫度時奧氏體相形狀，且該變形是可逆變化過程，即在低溫下，合金也會由較高溫度的奧氏體相轉(zhuǎn)向低溫馬氏體相。因此，利用此形狀記憶效應(yīng)，只需使熱界面材料在熱源工作溫度下形成，即可使低溫或室溫下發(fā)生變形后的熱界面材料在發(fā)熱源工作時恢復(fù)到形成時緊密接合狀態(tài)。從而保證熱量快速高效地散發(fā)出。
結(jié)合上述原理，請一并參閱圖3、圖4及圖5，詳細(xì)說明熱界面材料10與散熱裝置20及發(fā)熱源電子元件30的扣合狀況，其中，電子元件30可為中央處理器(CPU)、場效應(yīng)晶體管、視頻圖形陣列芯片(VGA)、射頻芯片等元件。在電子元件30工作溫度下，熱界面材料10緊密扣合在散熱裝置20與電子元件30之間而形成，因此，熱界面材料10的第一表面13與散熱裝置20的底面(圖未標(biāo)示)處于緊密接合的形狀，及熱界面材料10的第二表面14與電子元件30的表面(圖未標(biāo)示)處于緊密接合的形狀(如圖3所示)。此時，熱界面材料10中的形狀記憶合金12含有較高溫度時的奧氏體相。而電子元件30處于未工作狀況，如室溫時，形狀記憶合金12將由較高溫度的奧氏體相轉(zhuǎn)向低溫馬氏體相，受形狀記憶合金12形變的影響，熱界面材料10的外形將發(fā)生相應(yīng)變化，使熱界面材料10的第一表面13與散熱裝置20的底面(圖未標(biāo)示)處于未緊密接合的形狀，及熱界面材料10的第二表面14與電子元件30的表面(圖未標(biāo)示)處于未緊密接合的形狀(如圖4所示)，使得熱界面材料10與散熱裝置20及電子元件30未能密切扣合。當(dāng)電子元件30處于工作狀況下，即熱界面材料10處于電子元件30工作熱流溫度時，由于溫度回升，形狀記憶合金12發(fā)生相變，由低溫馬氏體相轉(zhuǎn)到較高溫度時的奧氏體相，從而恢復(fù)到形成時的緊密接合形狀，使得熱界面材料10的第一表面13與散熱裝置20的底面(圖未標(biāo)示)處于緊密接合的形狀，及熱界面材料10的第二表面14與電子元件30的表面(圖未標(biāo)示)處于緊密接合的形狀(如圖5所示)，熱界面材料10即達(dá)到與散熱裝置20及電子元件30密切扣合的效果，從而提高熱界面材料10的導(dǎo)熱效率。
請參閱圖6，本發(fā)明所提供熱界面材料的制造方法包括以下步驟提供一導(dǎo)熱膠基體，該基體可為銀膠或硅膠基體；在預(yù)定溫度下，將選定的形狀記憶合金分散在該基體中；在同樣溫度下，將該處理后基體緊密扣合在散熱裝置與熱源之間；冷卻固化，形成熱界面材料。
其中，熱源工作溫度可通過熱源工作時所產(chǎn)生的熱流計算而得，如CPU，工作溫度通常在50～100℃之間，本發(fā)明采用90℃(CPU散熱為120W時溫度)為熱源工作溫度。處理后的導(dǎo)熱膠基體與散熱裝置及熱源緊密扣合時所需扣合力為49～294牛頓，且以98～137牛頓為佳。形狀記憶合金可選自CuNiTi、CuAlFe、CuAlNi、CuZrZn、CuAlZn、CuAlFeZn、NiTiAlCu、NiTiAlZn或NiTiAlZnCu納米合金中一種或多種的組合，本發(fā)明選用CuNiTi作為形狀記憶合金。
另外，該制造方法可進(jìn)一步包括從散熱裝置與熱源間揭下固化后含形狀記憶合金的導(dǎo)熱膠基體。
權(quán)利要求
1.一種熱界面材料，其包括一導(dǎo)熱膠基體，該基體包括一第一表面及相對于第一表面的第二表面，其特征在于至少一形狀記憶合金分散在該基體內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的熱界面材料，其特征在于該形狀記憶合金可選自CuNiTi、CuAlFe、CuAlNi、CuZrZn、CuAlZn、CuAlFeZn、NiTiAlCu、NiTiAlZn或NiTiAlZnCu納米合金中一種或多種的組合。
3.如權(quán)利要求2所述的熱界面材料，其特征在于該形狀記憶合金顆粒大小范圍為10～100納米。
4.如權(quán)利要求1所述的熱界面材料，其特征在于該導(dǎo)熱膠基體第一表面與散熱裝置相接觸，該第二表面與熱源相接觸。
5.一種熱界面材料制造方法，其特征在于該方法可包括以下步驟提供一導(dǎo)熱膠基體；在預(yù)定溫度下，將選定的形狀記憶合金分散在該基體中；在同樣溫度下，將該處理后基體緊密扣合在散熱裝置與熱源之間；冷卻固化，形成熱界面材料。
6.如權(quán)利要求5所述熱界面材料制造方法，其特征在于該預(yù)定溫度為熱源工作溫度。
7.如權(quán)利要求6所述熱界面材料制造方法，其特征在于該預(yù)定溫度范圍為50～100℃。
8.如權(quán)利要求5所述熱界面材料的制造方法，其特征在于該處理后基體緊密扣合在散熱裝置與熱源之間時所需扣合力為49～294牛頓。
9.如權(quán)利要求5項所述熱界面材料的制造方法，其特征在于該制造方法進(jìn)一步包括一從散熱裝置與熱源間揭下固化后含形狀記憶合金的導(dǎo)熱膠基體的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供一種熱界面材料，其包括一導(dǎo)熱膠基體，該基體包括一第一表面及相對于第一表面的第二表面。其中，至少一形狀記憶合金分散在該基體內(nèi)，該形狀記憶合金可包括納米CuNiTi合金。另外，本發(fā)明還提供上述熱界面材料的制造方法。本發(fā)明所提供的熱界面材料包含具有形狀記憶功能、大表面積的納米合金，在熱源工作溫度下能恢復(fù)到其與工作元件緊密扣合時的形狀，以增加其與工作元件之間接觸面積，從而使該熱界面材料具有優(yōu)良熱傳導(dǎo)性能及高導(dǎo)熱效率。
文檔編號C09K5/14GK1690160SQ20041002710
公開日2005年11月2日 申請日期2004年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月29日
發(fā)明者陳杰良 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司