[发明专利]基于碳纳米管的热界面材料及其制造和使用方法

说明书

在此描述了单层CNT复合材料和通过堆叠垂直排列型碳纳米管(CNT)阵列而由单层CNT复合材料形成的多层或多层次结构，以及其制造和使用方法。这样的多层或多层次结构可用作热界面材料(TIM)用于各种应用，如预烧测试。

技术领域

本发明属于碳纳米管阵列或片材、特别是可以为单层或堆叠以形成多层或多层次结构的阵列或片材及其制造和使用方法的领域。

背景技术

随着对现代电子产品的性能和封装要求已持续变得越来越高，确定新的热解决方案已成为设计过程的关键部分。在几乎所有的热管理应用中，存在许多热传递界面，其中需要紧密接触以确保从封装中有效去除热量。在这个领域中，已经开发出各种多样的热界面材料(TIM)用于具体应用(R.Prasher,“Thermal interface materials:historicalperspective,status,and future directions,”Proceedings of the IEEE,vol.94,pp.1571-1586,2006[热界面材料：历史视角、状态和未来方向，IEEE会议录，第94卷，第1571页-第1586页，2006年])。

碳纳米管(CNT)阵列是用于增强表面之间热传输的有吸引力的解决方案。可以在金属衬底上生长CNT，消除与液体热界面材料(TIM)和润滑脂可能受到的泵出或排空有关的问题。

单个纳米管的高平面内热导率(高达3,000W/m-K)意思是即使在相对低的CNT密度下(典型CNT填充因数是1％的数量级)，基于CNT的TIM的横切面导热性可以与热润滑脂的横切面导热性竞争。此外，CNT的有利形变机制允许其高效贴合邻接表面的微凸物，导致在这类表面之间的界面处产生高接触面积。

但是，基于CNT的TIM中的关键挑战来自于在金属衬底上生长非常长的CNT的困难。不同于在硅或其他惰性衬底上生长的CNT，当在金属衬底上生长时CNT生长所需的催化剂经历表面下扩散，导致管生长提早终止。此外，缺陷趋向于随着CNT的高度增加而在其中积聚，导致热导率显著低于原始管可实现的3,000W/m-K界限的CNT阵列。

因此，存在对克服上述在金属衬底上生长长CNT阵列中的困难以及制造具有良好热传输特性的材料的方法的需要。

因此，本发明的一个目的是提供CNT阵列或片材和由其形成的结构，以及制造具有良好热传输特性的这类结构的方法。

本发明还有一目的是提供可以在与一个或多个表面的界面处提供高水平的顺应性的CNT阵列或片材和由其形成的结构。

本发明的另一个目的是提供用于预烧(burn-in)应用的具有改进的耐久性的TIM复合材料。

本发明还有一个目的是提供具有良好顺应性和压缩特性的TIM复合材料，这些TIM复合材料允许受测装置的尺寸改变。

发明内容

在此描述了单层的或通过堆叠垂直排列型碳纳米管(CNT)阵列而形成的多层或多层次结构，以及其制造和使用方法。

在所描述的一些实施例中，两个或更多个CNT阵列堆叠以形成多层或多层次结构。可以堆叠多个CNT阵列，使得来自对置阵列的纳米结构元件在堆叠中形成层次并且变得彼此至少部分交错结合。不同于传统材料的堆叠，垂直排列型纳米结构的堆叠阵列不经历热阻随着厚度增加而线性(或更糟的)增加。因此，所得多层结构可以由于两个或更多个阵列的纳米结构元件(即CNT)在接触时的交错结合而缓解厚度和边界对能量传输的不利影响。相比之下，对于典型材料，热传递阻力与该材料的厚度成正比，且在多层结构的界面处具有额外界面阻力。