專(zhuān)利名稱(chēng)：用于導(dǎo)熱和導(dǎo)電的材料和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的某些具體實(shí)施方式
涉及碳納米管。更具體的，本發(fā)明的某些具體實(shí)施方式
涉及基于熱界面材料的碳納米管。
背景技術(shù)：
在微電子設(shè)備中的不斷進(jìn)步導(dǎo)致了更小型的電路板以及具有更快的速度和計(jì)算能力的處理器的大幅發(fā)展。由于這些新發(fā)展，在電路板上單位面積產(chǎn)生的總熱量也增加了。因此，過(guò)熱成了微電子設(shè)備中電子故障的主要原因之一。為了解決過(guò)熱的問(wèn)題，散熱器被用于從電子設(shè)備上帶走熱量。但是，除非處理器單元和散熱器之間緊密接觸，否則即使最好的散熱器也不能進(jìn)行有效地散熱。熱界面材料(“TIM”)被用于達(dá)到這個(gè)目的。這些熱界面材料流動(dòng)并在接觸上符合固體的表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此，使緊密接觸成為可能?，F(xiàn)有的熱界面材料由聚合物凝膠、墊板或液體制成。這些聚合物液體有些甚至可能具有陶瓷或金屬顆?；蛘呋谙嘧儾牧蟻?lái)提高其導(dǎo)電性。然而，甚至對(duì)于最有效的系統(tǒng)，界面之間的熱傳遞仍然是提高熱流的障礙。這些材料試圖將空氣從系統(tǒng)中擠出來(lái)有效地提高處理器單元和散熱器之間的熱傳遞。為了有效并顯著地提高熱傳遞，可將少許導(dǎo)電顆粒(比如銀)加入現(xiàn)有的熱界面材料中。然而，現(xiàn)有的熱界面材料仍存在一些重大問(wèn)題。在自然狀態(tài)下為液體，這些材料在一段時(shí)間內(nèi)有泄漏的趨勢(shì)。這導(dǎo)致了時(shí)間上的降低效率和電路板的污染。在加入導(dǎo)電顆粒的情況下，污染可能導(dǎo)致短路。如上所述，市售的熱界面材料可以根據(jù)如下類(lèi)別分類(lèi)(1)熱脂，(2)熱墊板，和
(3)導(dǎo)電粘合劑，(3a)銀環(huán)氧樹(shù)脂，和(3b)有陶瓷顆粒分散于其中的丙烯酸酯粘合劑?；跓嶂臒峤缑娌牧峡赡苁枪杌酆衔锘蚱渌哂泻线m粘度和熔點(diǎn)的聚合物。在自然界中為有機(jī)物，這些類(lèi)型的熱界面材料具有高熱阻。有時(shí)加入導(dǎo)電填料來(lái)提高它們的熱導(dǎo)率。這些導(dǎo)電填料可減小整體的體積電阻，但是界面之間的熱傳遞可能不會(huì)非常有效，因?yàn)闊醾鬟f可通過(guò)聲子引起。這些熱脂的其他主要缺點(diǎn)是它們?cè)诟邷貢r(shí)的低粘度可能導(dǎo)致泄漏。因此，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，它們的效率可能降低。這些熱脂也不適用于空隙大的情況。另外，相變材料可用作熱墊板。這些熱墊板的物理性質(zhì)會(huì)隨著溫度而改變。通常用于熱界面材料的相變材料在45-50°C附近可從固態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)。這些熱墊板比熱脂更容易處理。安裝之后，這些熱墊板可能粘附到組件上。因此，將它們從組件上移除可能會(huì)造成一些損壞。相變材料通常被放在散熱器和處理器之間，散熱器被夾緊到位。這種情況的缺點(diǎn)在于這些材料在不同安裝方式和工作溫度下具有不同的物理性質(zhì)，例如模量和流量。因此，它可能不能在最高效的狀態(tài)下工作。填充銀的環(huán)氧樹(shù)脂可能具有非常高的熱導(dǎo)率，但這些是剛性物質(zhì)。如果兩個(gè)連接面具有不同的熱膨脹系數(shù)，在界面上的這些剛性區(qū)域可能造成損壞。具有膨脹和收縮空間的連接材料是理想的。圖I總結(jié)了一些市售的熱界面材料。所以，需要有一種更加高效、穩(wěn)固的用于導(dǎo)熱和導(dǎo)電的材料。市售的熱界面材料的熱導(dǎo)率如圖I所示，可以注意到碳納米管陣列(carbon nanotube arrays)比其他商業(yè)材料提供了明顯更高的熱導(dǎo)率。在熱界面材料的現(xiàn)有設(shè)計(jì)中，電子和輻射傳熱被當(dāng)作設(shè)計(jì)方針。在塊狀結(jié)晶固體中聲子傳熱可能是有沖擊力的，但是在界面聲子可能得到反射，因此導(dǎo)致界面之間的熱傳遞效率低。在金屬系統(tǒng)中，電子能量可以穿過(guò)界面。另一種讓熱流穿過(guò)界面的方式是輻射。在合成碳納米管基熱界面材料上已經(jīng)有了很多嘗試。但是之前的所有嘗試都存在以下不足(I)薄膜不自立已經(jīng)對(duì)生長(zhǎng)在銅或其他金屬/硅基片上的碳納米管的熱阻進(jìn)行了測(cè)試。這些系統(tǒng)不能用于商用。需要材料以自立熱墊板的形式存在；(2)幾何結(jié)構(gòu)不可變?cè)谠S多情況下陣列是不適用的，這樣它可使與粘合表面的接觸面積最大化。這些緊密接觸的大面積對(duì)于實(shí)現(xiàn)穿過(guò)界面的低熱阻是非常重要的；(3)聚合物浸潰系統(tǒng)在之前的系統(tǒng)里，碳納米管分散在聚合物材料中，或者甚至在將排列整齊的納米管用聚合物基體系浸潰的情況下，陣列完全嵌入聚合物中。這些幾何結(jié)構(gòu)不僅導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)具有更高的模量(不緊密的接觸導(dǎo)致更高的熱阻)，而且它還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)具有更低的熱導(dǎo)率；以及(4)低機(jī)械穩(wěn)定性對(duì)于商用的材料，需要高機(jī)械穩(wěn)定性。這種高機(jī)械穩(wěn)定性能夠使這些系統(tǒng)容易搬運(yùn)、包裝、運(yùn)輸以及重復(fù)利用?；谏鲜銮闆r，需要發(fā)展一種結(jié)構(gòu)新穎的具有可變幾何結(jié)構(gòu) 的自立金屬碳納米管陣列。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，通過(guò)與本申請(qǐng)剩余部分中參考附圖提出的本發(fā)明的系統(tǒng)和方法進(jìn)行對(duì)比，將使常規(guī)的、傳統(tǒng)的、推薦的方法的限制和缺陷變得明顯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種將碳納米管熱界面材料用于散熱器的方法，該方法包括通過(guò)化學(xué)氣相沉積法將碳納米管生長(zhǎng)于所述散熱器上，并且將所述碳納米管壓在金屬表面以增加所述碳納米管和所述金屬表面之間的接觸面積。增加的接觸面積是與所述金屬表面相接觸的所述碳納米管的面積。本發(fā)明還提供一種雙面碳納米管粘合帶,該粘合帶包括自立(free standing)碳納米管薄膜和導(dǎo)電粘合劑薄層。所述導(dǎo)電粘合劑加強(qiáng)了所述自立碳納米管薄膜的中心部分。本發(fā)明還提供一種雙面仿壁虎(gecko-inspired)碳納米管結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)包括薄導(dǎo)電復(fù)合材料和通過(guò)化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)于所述薄導(dǎo)電復(fù)合材料兩側(cè)的碳納米管?；谏鲜鰞?nèi)容，本發(fā)明涉及具有可變幾何結(jié)構(gòu)的自立金屬碳納米管陣列的新型結(jié)構(gòu)的發(fā)展。將這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成具有低電阻和低熱阻。該結(jié)構(gòu)被發(fā)展為具有機(jī)械穩(wěn)定性的自立墊板，并且該結(jié)構(gòu)在很大區(qū)域內(nèi)形成(例如,5cmX5cm)。本發(fā)明的特征和具體實(shí)施方式
通過(guò)下列說(shuō)明和附圖將得到更好的理解。


圖I顯示了現(xiàn)有技術(shù)中市售的熱界面材料的熱導(dǎo)率；圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于熱墊板的碳納米管陣列的掃描電子顯微鏡(SEM)圖，圖上顯示了排列整齊的碳納米管陣列的邊緣；圖3顯示了用于形成隧穿墊(tunneling pads)的碳納米管的透射電子顯微鏡圖；圖4顯示了碳納米管結(jié)構(gòu)的拉曼光譜。所述拉曼光譜有三個(gè)主峰，G、G’和D15G峰是石墨層的典型特征(ΙδβΟαιΓ1), D 和 G’二階拉曼散射(Second order Raman scattering)。D峰的低強(qiáng)度表明在完整結(jié)構(gòu)中具有低缺陷。狹窄的G峰段表明碳納米管長(zhǎng)程有序；圖5顯示了具有較短長(zhǎng)度(〈100微米)的排列整齊的碳納米管的纏結(jié)效應(yīng)示意圖，并表明只有少數(shù)纏結(jié)點(diǎn)；圖6顯示了排列整齊的碳納米管的纏結(jié)效應(yīng)示意圖，顯示了對(duì)更長(zhǎng)的碳納米管陣列區(qū)域的放大；圖7顯示了大面積的排列整齊的碳納米管陣列基自立薄膜，顯示了大面積(5cmX5cm)的排列整齊的碳納米管薄膜(500微米厚)；圖8顯示了用刀片從陣列中剝離的IcmX Icm的區(qū)域，該區(qū)域來(lái)自從碳納米管陣列 的更大區(qū)域中剝離的薄膜；圖9顯示了在保持碳納米管(CNT)陣列電導(dǎo)率的同時(shí)形成定向CNT-高彈復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的機(jī)理示意圖，(A)將生長(zhǎng)的CNT陣列降低至聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜上，(B)因?yàn)镻DMS薄膜比CNT幾何結(jié)構(gòu)更薄，所以它不能完全淹沒(méi)CNT陣列而只能通過(guò)毛細(xì)作用滲透到結(jié)構(gòu)中，(C)然后將該結(jié)構(gòu)倒置，并且高彈體允許在24小時(shí)期間內(nèi)固化，更長(zhǎng)的固化時(shí)間使得高彈體流入并在CNT陣列里形成網(wǎng)狀；圖10顯示了 CNT-PDMS復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的高分辨率SEM圖。該SEM圖顯示了 CNT陣列的區(qū)域，其中，在該區(qū)域中，PDMS將自身束縛到不同的納米管上以加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)。在圓圈中的區(qū)域?yàn)镻DMS束縛到多個(gè)CNT的區(qū)域；圖11顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例形成的CNT-PDMS復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)僅在塊體的中心部分有高彈層。該高彈層在不干擾與粘結(jié)表面形成緊密接觸的能力的條件下給整體結(jié)構(gòu)提供機(jī)械穩(wěn)定性；圖12顯示了根據(jù)實(shí)施例的CNT-PDMS-CNT復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的光學(xué)圖；圖13顯示了本發(fā)明實(shí)施例的五種不同幾何結(jié)構(gòu)的熱阻圖；圖14顯示了根據(jù)ASTM D5470標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)于本發(fā)明實(shí)施例中200微米熱墊板在兩個(gè)不同熱通量值(22W/cm2和7W/cm2)下的溫度曲線(xiàn)；圖15顯示了被壓在硅片上的碳納米管結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡(SEM)圖；圖16顯示了被用作導(dǎo)電粘合劑的碳納米管的各種幾何結(jié)構(gòu)(A)顯示了可用作在兩個(gè)金屬接點(diǎn)之間的電或熱連接的碳納米管基導(dǎo)電粘合劑，(B)顯示了作為導(dǎo)電粘合劑位于兩塊金屬板之間的碳納米管泡沫狀結(jié)構(gòu)，和(C)顯示了仿壁虎的碳納米管結(jié)構(gòu)的自立穩(wěn)定粘膜；以及圖17顯示了用于制造及測(cè)試碳納米管熱界面材料的裝置的實(shí)施方式(A)顯示了用于生長(zhǎng)碳納米管的化學(xué)氣相沉積裝置，(B)顯示了在兩個(gè)固體之間按壓碳納米管泡沫時(shí)測(cè)量碳納米管熱界面材料的電阻和熱阻的設(shè)備，(O顯示了反映壓縮下的碳納米管結(jié)構(gòu)形態(tài)的掃描電子顯微鏡(“SEM”)試樣臺(tái)，以及(D)顯示了能從大氣壓到超高真空環(huán)境下運(yùn)行的設(shè)備示意圖，碳納米管在試樣臺(tái)上并且第二電極是銦錫氧化物(“ΙΤ0”)玻璃，其中，銦錫氧化物玻璃能夠被降低并與納米管相接觸，并且整個(gè)系統(tǒng)的電阻能夠被監(jiān)測(cè)作為壓縮碳納米管的功能。
具體實(shí)施方式
首先，碳納米管(CNT)具有優(yōu)異的傳熱性能。在本發(fā)明中將描述用作熱界面材料的碳納米管陣列的實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解的是其他碳納米結(jié)構(gòu)也可以適當(dāng)使用。在本發(fā)明中，熱界面材料在界面之間提供增強(qiáng)并高效的熱傳遞。關(guān)于碳納米管類(lèi)型的粘合劑，在傳熱、電子傳導(dǎo)和粘合之間具有一定關(guān)系。本發(fā)明的碳納米管基熱界面材料(“TIM”)的設(shè)計(jì)是基于碳納米管的機(jī)械性能、電氣性能、熱性能的定量研究。本發(fā)明可在適用于與現(xiàn)有散熱器系統(tǒng)集成的幾何結(jié)構(gòu)上進(jìn)行合成。在一個(gè)實(shí)施例中，合成排列整齊的多壁碳納米管(MWCNT)以提高更高效的傳熱特性。在一方面，期望合成具有小直徑但厚壁的納米管幾何結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)壁厚的碳納米管的形成可增加他們的導(dǎo)電性。具有更高數(shù)量的壁的碳納米管使其具有金屬特性。但是，更厚的碳納米管具有更高的模量，這會(huì)影響對(duì)其整合的能力。在此基礎(chǔ)上，在實(shí)施例中，用化學(xué)氣相沉積法合成具有預(yù)定直徑(如10-15nm)的排列 整齊的碳納米管陣列。圖2中顯示了生長(zhǎng)的碳納米管陣列幾何結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡(SEM)圖。在陣列中，單獨(dú)的碳納米管的構(gòu)造和特征被設(shè)計(jì)成使熱導(dǎo)率最大化，通過(guò)透射電子顯微鏡(TEM)可以更詳細(xì)地觀(guān)察到單獨(dú)的碳納米管的直徑和壁厚。該實(shí)施例中用于形成隧穿墊的碳納米管的TEM圖如圖3所示。由于TEM是在一個(gè)體積非常小的樣本上進(jìn)行的，可使用拉曼光譜來(lái)確認(rèn)陣列中碳納米管的有序程度。從拉曼光譜中可以觀(guān)察到用化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)的碳納米管陣列具有長(zhǎng)程有序的結(jié)構(gòu)。圖4顯示了該實(shí)施例的碳納米管陣列的拉曼光譜。如圖4所示，所述拉曼光譜有三個(gè)主峰，G、G’和D。G峰是石墨層的典型特征(1580CHT1)。其他峰，D和G’顯示了二階拉曼散射。D峰的低強(qiáng)度表明在完整結(jié)構(gòu)中具有較低缺陷，同時(shí)狹窄的G峰段表明碳納米管長(zhǎng)程有序。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以形成用作熱界面材料的各種幾何結(jié)構(gòu)。已開(kāi)發(fā)出用于碳納米管基熱墊板的兩種幾何結(jié)構(gòu)。第一種幾何結(jié)構(gòu)包括自由浮動(dòng)的排列整齊的碳納米管陣列，以及第二種幾何結(jié)構(gòu)包括高彈體浸潰的碳納米管陣列。關(guān)于自立的排列整齊的碳納米管熱墊板的實(shí)施例，參考圖5和6。碳納米管是具有高模量的長(zhǎng)分子。由于它們的剛性結(jié)構(gòu)，碳納米管相比于聚合物分子具有高持久的長(zhǎng)度。所述碳納米管具有高持久的長(zhǎng)度的特征對(duì)于給定高度的碳納米管陣列所述結(jié)構(gòu)如何做好自身纏結(jié)具有重要意義。對(duì)于給定的碳納米管，可以觀(guān)察到對(duì)于高度大約200微米的陣列，所述結(jié)構(gòu)具有機(jī)械穩(wěn)定性，這樣它可從硅基片上剝離并用作自立薄膜。然而，這種纏結(jié)也導(dǎo)致整個(gè)陣列具有更高的剛性，因此減少了它們形成緊密接觸的能力。圖5和6顯示了隨著碳納米管長(zhǎng)度的變化，纏結(jié)程度是如何增長(zhǎng)的，以及如何給予自立薄膜機(jī)械穩(wěn)定性的。圖5顯示了具有較短長(zhǎng)度(〈100微米)的排列整齊的碳納米管的纏結(jié)效應(yīng)示意圖，并表明只有少數(shù)纏結(jié)點(diǎn)，而圖6顯示了更長(zhǎng)的排列整齊的碳納米管陣列區(qū)域的放大示意圖，表明了更高的纏結(jié)效應(yīng)。對(duì)獨(dú)立的碳納米管的插入的進(jìn)一步的特征進(jìn)行研究。本發(fā)明的一方面，期望在一個(gè)很大區(qū)域內(nèi)形成所述碳納米管陣列以適用于各種傳熱應(yīng)用。在一個(gè)實(shí)施例中，形成了大面積的這些金屬碳納米管陣列。圖7顯示了實(shí)施例中碳納米管陣列的光學(xué)圖像。圖7的光學(xué)圖像顯示了大面積(約5cmX5cm)的排列整齊的碳納米管薄膜(約500微米厚)。所需形狀和大小的熱墊板例如能夠從這些陣列中提取出來(lái)，或者單獨(dú)的陣列可在最初由所需的大小形成。例如，圖8顯示了用手術(shù)刀片從基礎(chǔ)陣列上分離的約Icm長(zhǎng)的熱墊板的光學(xué)圖像。這種性能為碳納米管熱墊板的大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化作好了準(zhǔn)備。因此大面積排列整齊的碳納米管陣列可形成自立薄膜。
在另一個(gè)實(shí)施例中，從浸潰碳納米管熱墊板的高彈體形成了熱界面材料。例如根據(jù)現(xiàn)有例子，用化學(xué)氣相沉積法合成的幾何結(jié)構(gòu)具有機(jī)械完整性。為了 CNT基TIM的預(yù)期使用，所述納米管陣列和納米管應(yīng)該在各種機(jī)械應(yīng)力(如壓縮和拉伸)下都能保持結(jié)構(gòu)完整性。為提高機(jī)械性能以滿(mǎn)足各種應(yīng)用，所述陣列可至少部分浸潰，其中，MWCNT的結(jié)構(gòu)用軟高彈體部分浸潰。舉例來(lái)說(shuō)，聚二甲基硅氧烷PDMS可用于這個(gè)目的?？梢詫DMS預(yù)聚物溶液澆淋到基板上的排列整齊的納米管結(jié)構(gòu)上，所述PDMS預(yù)聚物溶液可以為重量比為10:1的基料/固化劑的粘性混合物。將納米管陣列嵌入軟聚合物基質(zhì)中而不擾亂所述納米管的形狀、大小或排列。根據(jù)實(shí)施例可提供排列整齊的MWNT架構(gòu)的特定架構(gòu)，并且公認(rèn)任何期望的架構(gòu)都可形成。在一個(gè)實(shí)施例中，在所述軟預(yù)聚物溶液中，在將納米管結(jié)構(gòu)部分嵌入基板后，可以將過(guò)量的聚合物溶液去除以獲得制備的納米管-PDMS復(fù)合材料薄膜的預(yù)期厚度。用這種方式，可以控制復(fù)合材料膜的厚度以對(duì)用于特定應(yīng)用或環(huán)境下的裝置進(jìn)行優(yōu)化。如圖9所示，納米管陣列200可在基板202上形成。所示納米管200的自由端可插入由另一塊基板204提供的PDMS預(yù)聚物溶液204中。然后將PDMS與滲透進(jìn)納米管塊中的PDMS熱固化，并隨后，自立納米管-PDMS復(fù)合材料薄膜210可從基板202和206上剝離下來(lái)。這個(gè) 工藝可用作制作納米管-PDMS復(fù)合材料薄膜，或者可以使用其他合適的工藝。在不同實(shí)施例中，MWNT結(jié)構(gòu)的直徑可以采用光刻法(photolithography)控制在l_500nm的范圍內(nèi)(或什么范圍)。在此實(shí)施例中，在PDMS滲入后，所述納米管陣列具有從膜延伸的一部分納米管，并隨后完成聚合。可能將納米管的期望的架構(gòu)轉(zhuǎn)移到薄膜上，以在PDMS基質(zhì)中包括更小和/或更密集分布的納米管架構(gòu)，或者更大和/或分布密度較低的納米管架構(gòu)，如規(guī)模只有幾納米到幾微米的結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步，在聚合完成并隨后從基板上剝離之后，這些結(jié)構(gòu)有效地保持了由此產(chǎn)生的復(fù)合材料基質(zhì)內(nèi)的原始排列、形狀和大小。為促進(jìn)這些，可選擇選定的聚合物材料來(lái)提供單獨(dú)的納米管之間的空間的保形填料(conformal filling)。如果需要,可使用其他化學(xué)試劑或者選擇聚合物材料來(lái)為納米管架構(gòu)提供相對(duì)濕度，以形成保持了原始納米管架構(gòu)的相對(duì)無(wú)缺陷的復(fù)合材料薄膜。根據(jù)本發(fā)明，雖然上述實(shí)施例中使用多壁碳納米管，但是也可使用合乎本發(fā)明的其他碳納米結(jié)構(gòu)。相似的，雖然實(shí)施例中使用的聚合物是PDMS，但是也可將具有不同模量和柔韌性的其他高彈聚合物(例如玻璃態(tài)的PMMA)用于本發(fā)明預(yù)期的其他應(yīng)用。能夠使用各種聚合物的能力提供柔韌性以制定為任何期望的應(yīng)用而制造的柔性基底。為了適用于各種應(yīng)用，也可像所期望的一樣控制化學(xué)特性。在本發(fā)明中，在用聚合物浸潰排列整齊的碳納米管結(jié)構(gòu)之后，所述幾何結(jié)構(gòu)沒(méi)有失去它們的導(dǎo)電性和適應(yīng)性(compliability)。為了在不犧牲生長(zhǎng)的CNT陣列的性能的前提下提高機(jī)械性能，使用最少量的高彈體。為所需的浸潰，使用排列整齊的碳納米管結(jié)構(gòu)的毛細(xì)作用來(lái)在塊狀陣列中運(yùn)輸少量的高彈體的方法可被運(yùn)用。在圖10中示意性描述了該過(guò)程，其中，顯示了 CNT-PDMS復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的高分辨率SEM圖。所述SEM圖顯示了 CNT陣列的區(qū)域，其中，在該區(qū)域中，PDMS將自身束縛到不同的納米管上以加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)，圓圈中涉及了相關(guān)區(qū)域。(對(duì)此工藝將給出更多的描述)。形成強(qiáng)化的排列整齊的碳納米管結(jié)構(gòu)的替換工藝如圖11所示，其中，該圖顯示了形成了一種不同的CNT-PDMS復(fù)合材料結(jié)構(gòu)250。結(jié)構(gòu)250只在高彈體夾層252處的塊體的中心部分具有高彈層。這些高彈層在不干擾與粘結(jié)表面形成緊密接觸的能力的條件下給予整個(gè)結(jié)構(gòu)250機(jī)械穩(wěn)定性。例如可用市售的高粘度PDMS混合物(硅酮樹(shù)脂186)或其他適合的聚合物材料來(lái)形成結(jié)構(gòu)250。在兩個(gè)排列整齊的陣列上形成PDMS薄膜，然后將陣列相連在一起形成結(jié)構(gòu)250。將更高粘度的PDMS用于此工藝，這樣無(wú)論在將其連接在一起之前或之后，它都不會(huì)遷移到塊狀CNT陣列中。為減少塊狀CNT陣列中PDMS鏈的遷移，也可使用更高的固化速率。圖12中顯示的結(jié)構(gòu)250圖是CNT-PDMS-CNT復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的光學(xué)圖像。經(jīng)測(cè)試，在20kPa負(fù)荷下，所述結(jié)構(gòu)沿其厚度方向的電阻為5. 6Ω。破裂的應(yīng)力為400kPa。根據(jù)本發(fā)明 Μ的相關(guān)實(shí)施例，在不同樣本上進(jìn)行熱流測(cè)量。熱阻測(cè)量基于ASTMD 5470標(biāo)準(zhǔn)。圖13中比較了經(jīng)測(cè)試的五種不同幾何結(jié)構(gòu)的熱阻。所述五種不同幾何結(jié)構(gòu)包括樣本SI，樣本SI是從基板上剝離的200微米厚的生長(zhǎng)的碳納米管陣列。樣本S2是從基板上剝離的500微米厚的生長(zhǎng)的碳納米管陣列。樣本S3和S4是用如圖9所示的工藝形成的分別為100和200微米厚的CNT-PDMS復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。樣本S5為如圖12所示的Imm 厚的樣本。對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的厚度小于200 μ m的碳納米管熱墊板，由于低熱通量值，界面的熱阻與銅塊相當(dāng)。因此，更高的熱通量被用于上述計(jì)算。圖14顯示了在兩種不同熱通量值下200μπι厚的碳納米管陣列的溫度曲線(xiàn)。該圖顯示的是根據(jù)ASTM D5470標(biāo)準(zhǔn)的在兩種不同熱通量值(22W/cm2和7W/cm2)下的溫度曲線(xiàn)?？梢杂^(guān)察到對(duì)于200微米厚的熱墊板，對(duì)于低熱通量的整個(gè)界面的溫度下降相似于整個(gè)銅塊的溫度下降。但是在更高熱通量下，能夠觀(guān)察到更高的溫度下降。根據(jù)本發(fā)明的CNT基TIM的實(shí)施例，提供了低熱阻以及高機(jī)械完整性。在并未完全將CNT嵌入聚合物基質(zhì)時(shí)，CNT與聚合物的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)也可以形成，并使所述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)適合其表面并為高效熱傳導(dǎo)提供增強(qiáng)的緊密表面接觸。根據(jù)本發(fā)明形成的復(fù)合材料薄膜提供了極其柔韌的及可變形的基質(zhì)，該基質(zhì)可使薄膜被制作成任何期望的構(gòu)型和幾何結(jié)構(gòu)，同時(shí)保持其內(nèi)部的納米結(jié)構(gòu)構(gòu)架。根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合材料薄膜在施加于柔性復(fù)合材料上的大百分比應(yīng)力的作用下提供了穩(wěn)定的熱傳導(dǎo)特性。根據(jù)本發(fā)明的CNT基 Μ，包括單獨(dú)的CNT，基于范德華力(“vdW”)，該單獨(dú)的CNT易于不用任何類(lèi)型膠水或粘合劑粘附到表面。談到圖15，碳納米管10可為了改善表面緊密接觸而發(fā)展，該碳納米管可變形并符合基板30的外形?；?0例如可以是硅片，如用于形成處理電路元件或相似物的硅材料，并且期望從該基板上導(dǎo)熱。順應(yīng)性是一個(gè)通過(guò)至少兩倍壓力增加接觸區(qū)域的因素。本發(fā)明的材料也可能具有更高的熱穩(wěn)定性和自我清潔特性。所述碳納米管10為固體物質(zhì)，在該固體物質(zhì)中，通過(guò)毛發(fā)狀結(jié)構(gòu)的形變來(lái)達(dá)到大面積接觸。這些材料也可具有極少到無(wú)污染，并包括傳熱能力。如果兩界面之間可達(dá)到有效電子接觸，所述碳納米管10也將具有有效的熱接觸。所述碳納米管10也具有高熱穩(wěn)定性并且它們的特性不隨其工作溫度范圍的改變而改變。所述碳納米管10是高順應(yīng)性的材料并且可以通過(guò)變形以補(bǔ)償粘附元件在熱膨脹上的差異。以下是碳納米管TIMlOO的性能和優(yōu)點(diǎn)。關(guān)于碳納米管10的熱導(dǎo)率，熱導(dǎo)率對(duì)低體積熱阻是必不可少的，并且所述碳納米管10具有非常高的熱導(dǎo)率。因此，所述碳納米管10的體積熱阻會(huì)相對(duì)較低。關(guān)于電導(dǎo)率，所述碳納米管10是導(dǎo)電的。按照慣例，對(duì)于熱界面材料100來(lái)說(shuō)，更低的電導(dǎo)率是理想的。雖然電導(dǎo)率對(duì)處理器無(wú)害，但如果其他元件被污染，就可能發(fā)生短路。所述碳納米管結(jié)構(gòu)10具有機(jī)械穩(wěn)定性并且可能不含有液體成分。因此，污染就顯著減少了。關(guān)于擴(kuò)散特性，期望熱界面材料100具有良好的流動(dòng)性，以使得處理器和/或散熱器接觸良好。所述碳納米管10的特定模量是高度順應(yīng)的。本發(fā)明的碳納米管10甚至可以與粗糙的表面形成緊密接觸，這導(dǎo)致了更好的傳熱和流動(dòng)效率。在碳納米管10中的熱流是電子的，這使得熱流通過(guò)更高的界面。所述仿壁虎的碳納米管粘合劑100的其他特征和優(yōu)點(diǎn)包括長(zhǎng)期穩(wěn)定因素，該因素包括污染敏感性、熱穩(wěn)定性、以及抗真菌性。關(guān)于污染敏感性，所述碳納米管10展示了自我清潔的行為，假如顆粒物(如灰塵)落到所述碳納米管10上，可通過(guò)對(duì)它們吹氣或通過(guò)機(jī)械振動(dòng)來(lái)清潔所述顆粒物。關(guān)于熱穩(wěn)定性，所述碳納米管10可承受過(guò)熱條件，本發(fā)明的實(shí)施方式例如可以承受高達(dá)400°C的高溫，此溫度遠(yuǎn)比典型的熱界面材料指定的要高。關(guān)于抗真菌性，所述碳納米管10是具有離域π電子的干燥結(jié)構(gòu)。因此，在所述碳納米管10上的真菌生長(zhǎng)是最小化的。關(guān)于應(yīng)用便捷性，相比于現(xiàn)有的熱界面材料(在自然狀態(tài)下為液體或需要外界刺激，如熱或化學(xué)刺激)，本發(fā)明的碳納米管10是干燥的、并且在生產(chǎn)后易于使用和/或再利用。所述碳納米管10可在室溫下應(yīng)用而不必經(jīng)過(guò)任何熱處理，而其他熱界面材料的類(lèi)型可 能會(huì)需要。關(guān)于粘附性，足夠的粘附性有利于保持散熱器上的熱界面材料的穩(wěn)定性。通常地，散熱器與預(yù)加的熱界面材料一起供給，并需要小心的運(yùn)輸，為的是熱界面材料結(jié)構(gòu)不被破壞。在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述材料可之后施用，這樣就不會(huì)在運(yùn)輸或處理過(guò)程中遭到嚴(yán)重?fù)p壞。在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述碳納米管熱界面材料100具有高粘合性并且甚至在機(jī)械應(yīng)力下仍然保持在散熱器上。關(guān)于彈性模量，材料施加輕負(fù)載的形變能力對(duì)于各種應(yīng)用的熱界面材料都是期望的品質(zhì)。然而，本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中使用了具有高度順應(yīng)性的CNT，其中，單獨(dú)的碳納米管10可能具有約ITPa的體積模量。碳納米管刷10可表現(xiàn)得像軟泡沫結(jié)構(gòu)。(此處值得提及模量的范圍嗎？)(是否有其他方式來(lái)描述“軟泡沫結(jié)構(gòu)”？)本發(fā)明的實(shí)施例包括系統(tǒng)100，該系統(tǒng)包括嵌入合適的、柔性的基質(zhì)或襯板20中的多個(gè)或多壁結(jié)構(gòu)的、垂直對(duì)齊的碳納米管結(jié)構(gòu)10。所述垂直對(duì)齊的碳納米管結(jié)構(gòu)10可生長(zhǎng)于基板30上，例如，該基板為二氧化硅SiO2,或其他使用化學(xué)氣相沉積法的基板，或任何本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解的為了生長(zhǎng)碳納米管結(jié)構(gòu)10的工藝的基板。為了達(dá)到高粘附性，所述熱界面材料100可足夠順應(yīng)以充分利用所接觸的表面的形態(tài)。選擇所述碳納米管10的合適的直徑來(lái)達(dá)到緊密接觸的目的。(直徑寬廣并優(yōu)選的范圍是多少？)圖15顯示了在掃描電子顯微鏡下壓縮的碳納米管結(jié)構(gòu)10，也顯示了所述碳納米管10在尾部彎曲并屈曲，以形成大面積接觸。本發(fā)明實(shí)施方式的碳納米管結(jié)構(gòu)10可包括約Snm的平均直徑，該結(jié)構(gòu)是可形變的高度順應(yīng)的泡沫狀結(jié)構(gòu)，并增加兩倍或更多的接觸面積，并適應(yīng)表面的形態(tài)。關(guān)于粘附性，為了實(shí)現(xiàn)測(cè)量和表征，將嵌入柔性襯板20 (合成帶)中的所述垂直對(duì)齊的納米管結(jié)構(gòu)10壓在各種表面上，并以恒定速度拉至與表面平行?？梢杂^(guān)察到，所述碳納米管材料100具有與親水和疏水表面相似的粘附特性。此外，所述碳納米管10可通過(guò)機(jī)械振動(dòng)或吹氣來(lái)凈化。需要高粘附性不僅為了更好地傳輸能量，而且也為了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。上述性能和特點(diǎn)有助于所述碳納米管熱界面材料100用作可逆導(dǎo)電粘合劑。所述CNT與表面的外形相適應(yīng)并與所述表面形成緊密接觸。這種緊密接觸增強(qiáng)了范德華力。在本發(fā)明中，在大約750°C下，垂直對(duì)齊的碳納米管10可生長(zhǎng)于玻璃、硅片、具有二氧化硅層的硅片、金屬表面、以及任何本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的其他表面上。對(duì)所述碳納米管10的直徑和機(jī)械性能進(jìn)行選擇以達(dá)到高摩擦力和高剪切力。用于所述碳納米管熱界面材料100的所述碳納米管10的直徑可為8-lOnm且高度可為100-400微米(需要寬的并優(yōu)選的直徑/高度范圍)。碳納米管10的叢林(forest)具有非常低的模量并可經(jīng)過(guò)不可逆壓縮來(lái)與其他材料表面形成高接觸面積。圖15顯示了壓縮與金涂層硅片30接觸的碳納米管10的圖像。碳納米管10的壓縮性形成了與晶片30表面非常緊密的接觸。所述碳納米管10符合表面的外形，并能夠在光滑和粗糙的表面上工作。碳納米管10可通過(guò)施加的壓力增加兩倍接觸面積。相比較而言，更大直徑的碳納米管具有更高的模量，而粘附力則弱于更軟的碳納米管。圖16A顯示了被開(kāi)發(fā)用作導(dǎo)電碳納米管粘合劑100的幾何結(jié)構(gòu)示意圖，該粘合劑也可用作在兩個(gè)金屬或非金屬接點(diǎn)或基板40之間的電連接或熱連接。所述碳納米管熱材料100可用作熱界面材料，其中，如圖16B所示，碳納米管熱材料100可為自立薄膜，該薄膜作為導(dǎo)電粘合劑被合并在兩個(gè)表面或金屬板30之間。如圖16C所示，通過(guò)如前所述的中央導(dǎo)電PDMS約束的CNT的結(jié)構(gòu)也可允許任何一側(cè)用作接觸表面。所述碳納米管材料100是高度順應(yīng)的并且在特殊表面之間提供緊密接觸。本發(fā)明的實(shí)施例使碳納米管10生長(zhǎng)于基板30 (如二氧化硅SiO2)上，然后轉(zhuǎn)移到散熱器上。這種幾何結(jié)構(gòu)可能有利于散熱器廠(chǎng)家出售帶有預(yù)加熱界面材料的散熱器。本發(fā)明的另一種實(shí)施方式為雙面碳納米管粘合帶100，該粘合帶為用導(dǎo)電粘合劑薄層加強(qiáng)了中心部分的自立碳納米管薄膜。這種幾何結(jié)構(gòu)可能有利于熱界面材料單獨(dú)出售。然而，本發(fā)明的另一種實(shí)施方式為雙面碳納米管結(jié)構(gòu)100，該結(jié)構(gòu)在導(dǎo)電復(fù)合材料(如銅/鋁薄膜)的兩側(cè)生長(zhǎng)碳納米管100。圖17顯示了用于制造及測(cè)試碳納米管熱界面材料100的裝置的實(shí)施方式(A)顯示了用于生長(zhǎng)碳納米管10的化學(xué)氣相沉積裝置，(B)顯示了在按壓在兩個(gè)固體之間的碳納米管泡沫100時(shí)測(cè)量碳納米管熱界面材料100的電阻和熱阻的設(shè)備，(C)顯示了反映壓縮下的碳納米管結(jié)構(gòu)10形態(tài)的掃描電子顯微鏡(SEM)試樣臺(tái)(stub)，以及(D)顯示了能從大氣壓到超高真空環(huán)境下運(yùn)行的設(shè)備示意圖，碳納米管10在銅試樣臺(tái)上并且第二電極是銦錫氧化物(“ΙΤ0”)玻璃，其中，銦錫氧化物玻璃能夠被降低并與碳納米管10相接觸，并且整個(gè)系統(tǒng)的電阻能夠被監(jiān)測(cè)作為壓縮碳納米管10的功能。雖然本申請(qǐng)要求保護(hù)的主題已參考某些實(shí)施方式來(lái)描述，但應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不偏離要求保護(hù)的主題的范圍的前提下，可以作出各種修改和替換。另外，在不偏離要求保護(hù)的主題的范圍的前提下，就該要求保護(hù)的主題的教導(dǎo)而言，可作出多種修改以適應(yīng)特定的情況或材料。因此，本發(fā)明的意圖是要求保護(hù)的主題并不被公開(kāi)的特定幾種實(shí)施方式所限制，而且要求保護(hù)的主題將包括所有落入隨附權(quán)利要求中的實(shí)施方式。權(quán)利要求
1.ー種將碳納米管熱界面材料用于散熱器的方法，該方法包括 通過(guò)化學(xué)氣相沉積法將碳納米管生長(zhǎng)于所述散熱器上；并且 將所述碳納米管緊壓在金屬表面以增加所述碳納米管和所述金屬表面之間的接觸面積， 其中，増加的接觸面積是與所述金屬表面相接觸的所述碳納米管的面積。
2.—種雙面碳納米管粘合帶，該粘合帶包括 自立碳納米管薄膜；和 導(dǎo)電粘合劑薄層， 其中，所述導(dǎo)電粘合劑加強(qiáng)了所述自立碳納米管薄膜的中心部分。
3.一種雙面仿壁虎碳納米管結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括 薄導(dǎo)電復(fù)合材料；和 通過(guò)化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)于所述薄導(dǎo)電復(fù)合材料兩側(cè)的碳納米管。
全文摘要
一種將碳納米管熱界面材料用于散熱器的方法，該方法包括通過(guò)化學(xué)氣相沉積法將碳納米管生長(zhǎng)于所述散熱器上；并且將所述碳納米管壓在金屬表面以增加所述碳納米管和所述金屬表面之間的接觸面積。增加的接觸面積是與所述金屬表面相接觸的所述碳納米管的面積。
文檔編號(hào)B82B3/00GK102695816SQ201080058018
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2010年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者A·迪諾杰瓦拉, S·塞西 申請(qǐng)人:阿克倫大學(xué)