安置于具有一个或者多个腔体的金属衬底上的碳纳米管的制作方法

日期:2019-05-16 04:59:35


本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2014年10月13日提交的美国临时专利申请No.62/063,286的优先权,特此通过引用整体并入了该美国临时专利申请。

技术领域

在此提供的是安置于含有一个或者多个腔体的金属衬底上的碳纳米管,其加工方法和使用方法。在一些实施例中,提供了一种包含碳纳米管的装置,碳纳米管安置于含有一个或者多个腔体的金属衬底上。



背景技术:

热界面材料可以用在例如微电子器件、发光二极管(LED)器件、功率电子元件和电池中。当代器件的复杂性要求多级集成,并且随着集成电路达到越来越微小的尺寸,热耗散成为越来越关键的问题。用作散热器的散热片用于将来自功能器件的热量传导到封装区域的外面。热导率糟糕的空气要求热界面材料与功能器件和散热片导热性接触,从而使热量从功能器件有效传导到散热片。

尽管固有的热导率是关键的重要因素,但是在设计热界面材料时需要优化其他参数。热界面材料应当是机械挠性的,以使功能器件与热界面材料之间以及热界面材料与散热片之间的接触面积最大。理想地,热界面材料符合功能器件和散热片二者的表面几何形状。

对于温度周期性变化时的物理破裂的机械强度和机械阻力也是热界面材料的有利特性。热膨胀系数低的热界面材料对于避免温度周期性变化时的显著物理变形非常理想。在组合时,热界面材料的过大物理变形能够导致破坏功能器件。最后,功能器件的温度状况的热稳定性对于避免材料的和热界面材料特性的热化学降质至关重要。

因此,需要的是在(各)功能器件的工作温度下具有耐受物理破裂的超级机械强度、低热膨胀系数和热稳定性的新颖热界面材料。



技术实现要素:

在一个方案中,通过提供一种包括碳纳米管的物质,所述碳纳米管被安置于包含一个或者多个腔体的金属衬底的至少一侧上,本发明满足了这些以及其他需要。

在另一个方案中,提供了一种用于制造一种包括碳纳米管的物质的方法,所述碳纳米管被安置于包含一个或者多个腔体的金属衬底的至少一侧上。该方法包含:将金属衬底抛光到低于约100μm的均方根粗糙度;使催化剂沉积于金属衬底上;使一个或者多个腔体形成于金属衬底上;以及使碳纳米管沉积于安置于金属衬底上的催化剂上。

在又另一个方案中,提供了另一种用于制造一种包含碳纳米管的物质的方法,该碳纳米管被安置于包括一个或者多个腔体的金属衬底的至少一侧上。该方法包含:将金属衬底抛光到低于约100μm的均方根粗糙度;使一个或者多个腔体形成于金属衬底上;使催化剂沉积于金属衬底上;以及使碳纳米管沉积于安置于金属衬底上的催化剂上。

在又另一个方案中,提供了一种用于制造包含安置于包含一个或者多个腔体的金属衬底的至少一侧上的碳纳米管的物质的另一种方法。该方法包含:将包含催化剂的或者是催化剂的金属衬底抛光到低于约100μM的均方根粗糙度;使一个或者多个腔体形成于金属衬底上;以及使碳纳米管沉积于金属衬底上。

在又另一个方案中,提供了一种装置,该装置包含:器件;散热片;以及热界面材料。热界面材料包括安置于具有一个或者多个腔体的金属衬底的至少一侧上的碳纳米管,热界面材料安置于器件与散热片之间,其中热界面材料与器件和散热片导热性接触。

附图说明

图1示出在包含一个或者多个腔体的金属衬底上制造碳纳米管的示例性流程图,其中在催化剂沉积之前,使腔体进入金属衬底中;

图2示出在包含一个或者多个腔体的金属衬底上制造碳纳米管的示例性流程图,其中在催化剂沉积之后,使腔体进入金属衬底中;

图3示出在包含一个或者多个腔体的金属衬底上制造碳纳米管的示例性流程图,其中不要求催化剂沉积;

图4示出具有厚度t的金属衬底;

图5示出具有直径d和腔体-腔体间隔D的一个或者多个腔体的金属衬底;

图6示出在具有一个或者多个腔体的金属衬底上沉积碳纳米管,其中碳纳米管相对于金属衬底表面垂直排列并且沉积于金属衬底中没有腔体的部分上;

图7示出沉积于包含一个或者多个腔体的金属衬底的两侧上的垂直排列的碳纳米管的截面,其中碳纳米管在腔体边缘周围的区域内具有较低密度;

图8示出包含器件、散热片和热界面材料的装置的实施例。在所示的实施例中,热界面材料包含沉积于包含腔体的金属衬底的两侧上的垂直排列的碳纳米管。热界面材料与器件和散热片导热性接触并且将来自器件的热量扩散到散热片;以及

图9示出包含器件、散热片和热界面材料的装置的另一个实施例。热界面材料包含沉积于包含腔体的金属衬底的两侧上的垂直排列的碳纳米管。碳纳米管密度在腔体的边缘处较低。热界面材料与器件和散热片导热性接触并且将来自器件的热量扩散到散热片。

具体实施方式

定义

除非另有定义,在此使用的所有科技术语与本发明所属技术领域内的技术人员通常理解的意义相同。在本说明书中的术语具有多个定义的情况下,以本小节中的定义为准,除非另有说明。

如在此使用的“碳纳米管”指具有筒状结构的碳的同素异形体。碳纳米管可能具有诸如包含C5和/或者C7环形结构的缺陷,使得碳纳米管不直;并且可能具有含有卷的结构;并且在C-C粘结布置中可能含有随机分布的疵点。碳纳米管可能含有一个或者多个同心筒状层。

如在此使用的“催化剂”或者“金属催化剂”指在烃气的分解中使用的并且有助于通过化学气相沉积法形成碳纳米管的诸如Fe、Ni、Co、Cu、Au等的金属或者金属的组合。

如在此使用的“化学气相沉积”指等离子体增强化学气相沉积或者热化学气相沉积。

如在此使用的“等离子体增强化学气相沉积”指利用等离子体(例如,辉光放电)将烃气混合物转换为受激形态,这样使碳纳米管沉积于表面上。

如在此使用的“热化学气相沉积”指烃蒸气在存在催化剂的情况下的热解,该催化剂可以用于使碳纳米管沉积于表面上。

如在此使用的“物理气相沉积”指用于通过使要求的膜材料的气化物凝结在膜材料上沉积薄膜的真空沉积方法,并且包含诸如阴极电弧沉积、电子束沉积、蒸发沉积、脉冲激光沉积和溅射沉积的技术。

如在此使用的“热界面材料”指将来自(各)功能器件的热量传导到散热片的材料。

如在此使用的“(各)功能器件”指在运行的过程中产生热量的(各)任何器件。功能器件的示例包含:微电子计算机处理单元、微电子存储器件、发光二极管、电池、电池系统、电源等等。

如在此使用的“散热片”指具有增大的表面积的一块金属,增大的表面积可以由复杂结构产生,通过对流,其能够散布热量和耗散热量。

碳纳米管是较新的材料,具有优越的物理性质,诸如优良的电流承载能力、高热导率、良好的机械强度以及大表面积,在许多应用中,这些是有利的。碳纳米管拥有优越的热导率,其值高达3000W/mK,仅低于金刚石的热导率。在大气压条件下,在400℃以上,碳纳米管的机械强度高并且热稳定。特别是当垂直排列时,碳纳米管具有可逆机械挠性。因此,因为这种固有挠性,碳纳米管能够在机械性方面符合不同的表面几何形状。此外,碳纳米管具有低热膨胀系数,并且在升高的温度下的限制条件下,保持挠性。

以受控方式以切实可行的集成和/或者封装经济地提供碳纳米管对于实施许多可能的碳纳米管技术至关重要。激动人心的碳纳米管应用纳入热界面材料中。

在一个方案中,在此提供的是包含安置于带有一个或者多个腔体的金属衬底的至少一侧上的碳纳米管的物质。在一些实施例中,一个或者多个腔体是使该物质造成缺口的孔。在一些实施例中,一个或者多个腔体是随机形状的。在其他实施例中,一个或者多个腔体是圆形的、三角形的、四角形的、五角形的、六角形的、七角形的、八角形的或者它们的组合。

在一些实施例中,一个或者多个腔体随机地分散于金属衬底上。在一些实施例中,一个或者多个腔体规则地分散于金属衬底上。在另外的其他实施例中,一个或者多个腔体包括金属衬底上的图形化阵列。

在一些实施例中,一个或者多个腔体具有约10μm与约10cm之间的近似宽度。在其他实施例中,一个或者多个腔体具有约1cm与约10cm之间的近似宽度。在另外的其他实施例中,一个或者多个腔体具有约1mm与约10cm之间的近似宽度。在另外的其他实施例中,一个或者多个腔体具有约100μm与约10cm之间的近似宽度。在另外的其他实施例中,一个或者多个腔体具有约10μm与约100μm之间的近似宽度。在另外的其他实施例中,一个或者多个腔体具有约10μm mm与约1mm之间的近似宽度。在另外的其他实施例中,一个或者多个腔体具有约10μm与约1cm之间的近似宽度。

在一些实施例中,阵列中的腔体间隔开约10μm与约10cm之间的近似宽度。在其他实施例中,阵列中的腔体间隔开约1cm与约10cm之间的近似宽度。在另外的其他实施例中,阵列中的腔体间隔开约1mm与约10cm之间的近似宽度。在另外的其他实施例中,阵列中的腔体间隔开约100μm与约10cm之间的近似宽度。在另外的其他实施例中,阵列中的腔体间隔开约10μm与约100μm之间的近似宽度。在另外的其他实施例中,阵列中的腔体间隔开约10μm与约1mm之间的近似宽度。在另外的其他实施例中,阵列中的腔体间隔开约10μm与约1cm之间的近似宽度。

应当注意,在本发明中设想腔体间隔和腔体宽度的所有可能组合具有可操作的可行性。

在一些实施例中,碳纳米管随机地排列。在其他实施例中,碳纳米管垂直排列。在另外的其他实施例中,碳纳米管的空中密度在约2mg/cm2与约1mg/cm2之间。在另外的其他实施例中,碳纳米管的密度在约2mg/cm2与约0.2mg/cm2之间。

在一些实施例中,安置于腔体边缘处的碳纳米管的密度低于安置于金属表面上的碳纳米管的容积密度。在其他实施例中,安置于腔体边缘处的碳纳米管的密度低于安置于金属表面上的碳纳米管的容积密度的约95%。在其他实施例中,安置于腔体边缘处的碳纳米管的密度低于安置于金属表面上的碳纳米管的容积密度的约90%。在其他实施例中,安置于腔体边缘处的碳纳米管的密度低于安置于金属表面上的碳纳米管的容积密度的约95%。在其他实施例中,安置于腔体边缘处的碳纳米管的密度低于安置于金属表面上的碳纳米管的容积密度的约70%。在其他实施例中,安置于腔体边缘处的碳纳米管的密度低于安置于金属表面上的碳纳米管的容积密度的约95%。在其他实施例中,安置于腔体边缘处的碳纳米管的密度低于安置于金属表面上的碳纳米管的容积密度的约50%。在其他实施例中,安置于腔体边缘处的碳纳米管的密度低于安置于金属表面上的碳纳米管的容积密度的约95%。在其他实施例中,安置于腔体边缘处的碳纳米管的密度低于安置于金属表面上的碳纳米管的容积密度的约10%。

在一些实施例中,安置于腔体边缘处的碳纳米管的密度低于安置于金属表面上的碳纳米管的容积密度的约95%。在其他实施例中,安置于腔体边缘处的碳纳米管的密度低于安置于金属表面上的碳纳米管的容积密度的约90%。

在一些实施例中,垂直排列的碳纳米管具有高于约50W/mK的热导率。在其他实施例中,垂直排列的碳纳米管具有大于约70W/mK的热导率。

在一些实施例中,包括图形化阵列的垂直排列的碳纳米管具有高于约50W/mK的热导率。在其他实施例中,包括图形化阵列的垂直排列的碳纳米管具有大于约70W/mK的热导率。在另外的其他实施例中,包括图形化阵列的垂直排列的碳纳米管具有大于约100W/mK的热导率。

在一些实施例中,垂直排列的碳纳米管的厚度介于约100μm与约500μm之间。在其他实施例中,垂直排列的碳纳米管的厚度小于约100μm。

在一些实施例中,碳纳米管安置于金属衬底的两个对置侧上。在其他实施例中,碳纳米管安置于金属衬底的两侧上。在另外的其他实施例中,碳纳米管安置于金属衬底的三侧上。在另外的其他实施例中,碳纳米管安置于金属衬底的所有侧上。

在一些实施例中,金属衬底的厚度介于约0.05μM与约100cm之间。在其他实施例中,金属衬底的厚度介于约0.05mm与约5mm之间。在另外的其他实施例中,金属衬底的厚度介于约0.1mm与约2.5mm之间。在另外的其他实施例中,金属衬底的厚度介于约0.5mm与约1.5mm之间。在另外的其他实施例中,金属衬底的厚度介于约1mm与约5mm之间。在另外的其他实施例中,金属衬底的厚度介于约0.05mm与约1mm之间。在另外的其他实施例中,金属衬底的厚度介于约0.05mm与约0.5mm之间。在另外的其他实施例中,金属衬底的厚度介于约0.5mm与约1mm之间。在另外的其他实施例中,金属衬底的厚度介于约1mm与约2.5mm之间。在另外的其他实施例中,金属衬底的厚度介于约2.5mm与约5mm之间。在另外的其他实施例中,金属衬底的厚度介于约100μm与约5mm之间。在另外的其他实施例中,金属衬底的厚度介于约10μm与约5mm之间。

在另外的其他实施例中,金属衬底的厚度大于100μM。在另外的其他实施例中,金属衬底的厚度小于100μM。

在一些实施例中,金属衬底包含:铁、镍、铝、钴、铜、铬、金以及它们的组合。在其他实施例中,金属衬底包含:铁、镍、钴、铜、金、或者它们的组合。

在一些实施例中,金属衬底是铁、镍、钴、铜、铬、铝、金和它们的组合中的两个或者多个的合金。在其他实施例中,金属衬底是铁、镍、钴、铜、金和它们的组合中的两个或者多个的合金。

在一些实施例中,金属衬底是高温金属合金。在其他实施例中,金属衬底是不锈钢。在另外的其他实施例中,金属衬底是为了生长碳纳米管而在上面安置催化剂膜的高温金属合金。在另外的其他实施例中,金属衬底是为了生长碳纳米管而在上面安置催化剂膜的不锈钢。

在一些实施例中,金属衬底是在高于500℃时热稳定的金属或者金属的组合。在其他实施例中,金属衬底是在高于600℃时热稳定的金属或者金属的组合。在另外的其他实施例中,金属衬底是在高于700℃时热稳定的金属或者金属的组合。在上述实施例中的一些实施例中,金属的组合是不锈钢。

在一些实施例中,金属衬底具有小于约100μM的厚度和小于约250nm的表面均方根粗糙度。在一些实施例中,金属衬底具有大于约100μM的厚度和小于约250nm的表面均方根粗糙度。在另外的其他实施例中,金属衬底具有小于约100μM的厚度和小于约250nm的表面均方根粗糙度并且包含铁、镍、钴、铜、金或者它们的组合。在另外的其他实施例中,金属衬底具有大于约100μM的厚度和小于约250nm的表面均方根粗糙度并且包含铁、镍、钴、铜、金或者它们的组合。在另外的其他实施例中,金属衬底具有小于约100μM的厚度和小于约250nm的表面均方根粗糙度并且包含催化剂膜。在另外的其他实施例中,金属衬底具有大于约100μM的厚度和小于约250nm的表面均方根粗糙度并且包含催化剂膜。在上述实施例中的一些实施例中,均方根粗糙度小于约100nm。

现在参考图1,示出了用于制造包含安置于带有一个或者多个腔体的金属衬底的至少一侧上的碳纳米管的物质的方法的一个实施例。在100,提供厚度介于10μm与100cm之间的金属衬底。然后,在110,利用技术人员公知的各种方法能够实现的机械抛光提供均方根粗糙度小于约250nm的金属衬底,在120,其用于制备包含腔体阵列的金属衬底。然后,在130,催化剂膜的沉积产生具有催化剂覆层、包含腔体阵列的金属衬底。最后,在140,碳纳米管生长于金属衬底上,以提供安置于具有腔体阵列的金属衬底上的垂直排列的碳纳米管。

现在参考图2,示出了用于制造包含安置于带有一个或者多个腔体的金属衬底的至少一侧上的碳纳米管的物质的方法的另一个实施例。在200,提供厚度介于10μm与100cm之间的金属衬底。然后,在210,利用技术人员公知的各种方法能够实现的机械抛光提供均方根粗糙度小于约250nm的金属衬底。然后,在220,催化剂膜的沉积产生具有催化剂覆层的金属衬底,在230,其用于制造腔体阵列。最后,在240,碳纳米管生长于金属衬底上,以提供安置于具有腔体阵列的金属衬底上的垂直排列的碳纳米管。

现在参考图3,示出了用于制造包含安置于带有一个或者多个腔体的金属衬底的至少一侧上的碳纳米管的物质的方法的另一个实施例。在300,提供包含厚度介于10μm与100cm之间的催化剂的金属衬底。然后,在310,利用技术人员公知的各种方法能够实现的机械抛光提供均方根粗糙度小于约250nm的金属衬底,在320,其用于制造腔体阵列。最后,在330,碳纳米管生长于金属衬底上,以提供安置于具有腔体阵列的金属衬底上的垂直排列的碳纳米管。

在上述实施例中的一些实施例中,催化剂在金属衬底上形成一层。

在上述实施例中的一些实施例中,利用溶液沉积技术沉积催化剂。在其他实施例中,溶液沉积技术包含:溶液浸渍、喷射、喷墨和丝网印刷。

在上述实施例中的一些实施例中,物理沉积技术用于沉积催化剂。在其他实施例中,物理沉积技术包含:离子束溅射、电子束沉积、蒸发金属加热和脉冲激光沉积。

现在参考图4,示出了具有厚度t的金属衬底400的一个实施例。金属衬底能够包含上面描述的任何一种金属,并且能够是上面描述的任何厚度。

图5示出包含腔体510的图形化阵列的金属衬底500的一个实施例。在一些实施例中,金属衬底500包含腔体510的2×2阵列。在其他实施例中,金属衬底500包含腔体510的大于2×2的阵列。在一些实施例中,腔体510是规则图形。在其他实施例中,腔体510是随机图形。腔体能够具有任意几何结构或者上面描述的几何结构的组合。在一些实施例中,腔体宽度d具有上面描述的任意尺寸。在一些实施例中,腔体510的N×N阵列具有上面描述的任意距离的间隔D。

图6示出沉积于具有腔体610的金属衬底600上的碳纳米管660的一个实施例。碳纳米管660相对于金属衬底表面650垂直排列,并且沉积于没有腔体610的金属衬底650上。

图7示出沉积于包含腔体710的金属衬底700的两侧上的垂直排列的碳纳米管760的一个实施例,其中碳纳米管在腔体710的边缘周围的区域中具有较低密度。

图8示出包含器件810、散热片830和热界面材料820的装置的一个实施例。热界面材料820包含安置于包含腔体的金属衬底的两侧上的垂直排列的碳纳米管。热界面材料820与器件810和散热片830导热性接触并且将来自器件810的热量传导到散热片830。

图9示出包含器件910、散热片930、热界面材料920和夹具940的装置的另一个实施例,该夹具940用于固定。热界面材料920包含安置于包含腔体的金属衬底的两侧上的垂直排列的碳纳米管。碳纳米管密度在腔体的边缘处较低。热界面材料920与器件910和散热片930导热性接触,并且将来自器件910的热量传导到散热片930。

在上述实施例中的一些实施例中,器件是发光二极管、微电子芯片、功率芯片、电池或者电池组。

最后,应当注意,存在实现本发明的替换方式。因此,本实施例被看作是说明性的而非限制性的,并且本发明并不局限于在此给出的细节,而且可以在所附权利要求书的范围及其等同内,修改本发明。

通过引用整体并入在此引述的所有公开和专利。



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