专利名称：包括碳纳米管的导热液晶聚合物矩阵，其使用以及制造方法
技术领域：
本公开涉及碳纳米管，更具体地说，涉及对准的碳纳米管。根据本公开，利用导热液晶聚合物分散和对准碳纳米管。本公开的对准的碳纳米管可用于电子器件的封装领域，更具体地说，用作半导体器件的热管理和冷却的热界面材料。
背景技术：
对于电子器件的工作而言，热管理非常重要。在半导体工作时热管理尤其重要，原因例如提高工作频率使功率消耗并由此热量产生达到传统无源的、用空气冷却的热沉技术的冷却能力极限。随着电路密度和工作频率的增大，半导体器件中的功率密度(W/cm2)继续增大。热管理包括这样的技术将由电子器件产生的热量从器件中散逸出去和允许产生的热量发散到其周围环境，而使半导体器件保持尽可能低的温度。由于工作温度高得不可接受，从电子器件的不充分的热量传递可导致此器件或电路的性能和可靠性下降。
典型的热管理方案利用铝或铜热沉、风扇、散热器/导热管，和导热胶或粘合剂(TIM)的某种组合，以在半导体芯片和周围环境之间形成低热阻路径。
为了得到对于芯片可接受的工作温度，有必要使从芯片到周围环境的总热阻(℃/W)最小化。热界面材料(TIM)，即在芯片和散热器或热沉之间的界面介质，是热管理中的一个瓶颈。TIM层提供机械顺从性，以减轻由不同材料构成的元件之间的热膨胀失配应力，但它们也是总热阻中显著的一部分。
导热胶是一种最常见的热界面材料。导热胶是以油或其它低热导率介质形式的导热微粒厚胶。由于界面热阻，胶的热导率约为1W/mK。导热粘合剂是另一种热界面材料。导热粘合剂的优点是其提供导热和粘合两种功能。硅树脂和导热环氧树脂是常用的导热粘合剂。为提高热导率，在聚合物粘合剂内分散金属或陶瓷填充物。典型的填充物为铝、银、氮化铝、氮化硼、氧化镁，以及氧化锌。典型的聚合物粘合剂材料包括硅树脂、聚氨酯、热塑性橡胶，以及其它弹性材料。然而，这些导热粘合剂的热导率小于几十W/mK。例如参见美国专利5781412和5213868。
为了进一步降低热阻，需要薄的高热导率的材料。碳纳米管(CNT)具有＞2000W/mK的非常高的热导率。利用CNT作为热界面材料的填充物已进行了很多尝试。据报导通过在液体，例如油中混合1％(体积)的CNT，悬浊液的热导率为纯油热导率的2.5倍。然而，进一步增大CNT的浓度，只引起热导率的极微量增大。相信高浓度下的CNT纠缠和管之间的高接触热阻是部分原因。
Hadden已对CNT的溶解进行了研究(参见美国专利6368569 B1和Science 282，p95-98 1998)。Davis已在超酸溶液中得到了自组装多磁畴向列相态的高浓度CNT(参见Macromolecules 37 p154-160 2004)。Li等已展示了垂直地通过CVD在衬底上垂直生长CNT(参见Science 274，p1701 1996)。然而，工艺昂贵，并且很难在较大的衬底上获得。
发明内容
在此公开中，导热液晶聚合物(LCP)用作分散和对准碳纳米管(CNT)的介质。据报导，导热LCP具有10-50W/mK的热导率，比油的0.15W/mK高约100倍。液晶相态的有序本质可以使CNT对准，从而改善热导率。对准的CNT应能够增大CNT的浓度以及CNT之间的接触面积，从而降低界面热阻，提高整体热导率。
本公开的一个实施例涉及液晶聚合物矩阵，其包括在所述矩阵中对准的碳纳米管。
本公开的另一方面涉及包括液晶聚合物矩阵的结构，所述液晶聚合物矩阵包括在位于相对的层之间的所述矩阵中对准的碳纳米管。
本公开的再一个方面涉及微电子器件，所述微电子器件包括集成芯片和散热器或热沉，以及上述公开的位于所述芯片和散热器或热沉之间的结构。
本公开的另一个方面是结构制作方法，所述结构包括导热液晶聚合物矩阵，所述导热液晶聚合物矩阵包括在所述矩阵中对准的碳纳米管，其中所述液晶聚合物矩阵在相对的表面之间，并且其中所述方法包括将导热液晶材料与碳纳米管混合，使所述混合物呈齐端相态、向列相态或各向同性液晶相态，在将要结合的相对表面上施加一层所述混合物。如果希望，但非必需，可使所述混合物聚合，这有助于锁定在所述CNT的方向，并将所述两个表面粘接在一起。
通过下面的具体说明，本公开的其它目的、特征及优点将变得很明显。然而，应当理解，仅通过图示给出同时表明本发明的优选实施例的具体说明和特定例子，并在不脱离本公开的情况下自然地可进行各种修改。
此图为根据本公开的包括碳纳米管的导热液晶聚合物矩阵的示意图。
具体实施例方式
根据优选实施例，本公开通过分散和对准在导热液晶聚合物矩阵内的碳纳米管，以降低该结构的热阻，从而解决了现有技术中的问题。
为了提高包括碳纳米管的结构的热导率，采用导热液晶聚合物作为分散和对准碳纳米管的溶剂。
对准的CNT应能够增大CNT的浓度和CNT之间的接触面积，从而提高整体热导率。
据报导，导热LCP具有10-50W/mK的热导率，比油的0.15W/mK高约100倍。液晶相态的有序本质可以使CNT对准，从而改善热导率。在有序介质中，声子散射很低，因此导热较好。
可通过将导热液晶单体或低聚物与碳纳米管混合，随后使混合物呈齐端相态或向列相态或各向同性液晶相态来制作该结构。在将要结合的表面上施加一薄层，然后将这些表面结合在一起。
该结构最初被加热至各向同性相态，然后该结构被慢慢冷却至向列相态或齐端相态或晶体相态。控制冷却速率以使CNT将沿液晶聚合物对准。使单体和/或低聚物聚合，以锁定在有序相态。代替单体或低聚物，在此阶段可以采用导热液晶聚合物，其应较好地提高了热导率。
当用各向同性对准剂处理结合表面时，液晶将迫使CNT沿垂直于表面方向对准。一旦矩阵被固定，该矩阵就形成垂直对准的CNT层，这导致结合表面之间的高热导率。各向同性对准剂可以是表面活化剂，例如长链醇，硅烷，卵磷脂或聚酰亚胺。优选液晶为具有正的介电各向异性的向列或齐端液晶。如果两个结合表面导热或覆有导热膜，在处理聚合物以改善对准的过程中，在表面之间可加电场。
并且，在处理LCP之后，CNT在LCP矩阵中被锁定。聚合物矩阵可以是软的，以与表面轮廓一致，并承受热应力。由于在处理之前混合物具有低粘性，该膜可以为几微米薄。由于结合了高热导率、超薄膜和优良的表面接触，具有CNT的LCP可用于热界面材料。典型地为约2微米至约400微米。
在聚合过程中产生一些交联的聚合物。在矩阵中CNT的量典型地为至少约0.5重量％，比较典型地为约1至约10重量％，更典型地为约1至约5重量％。
具有正的介电各向异性的液晶材料可从Merck、Chiso得到。
液晶对准剂包括聚酰亚胺、硅烷、卵磷脂和十六烷基三甲基溴化铵(HTAB)，其中聚酰亚胺可从Nissan Chemical或Japan Synthetic Rubber得到。
图中示出在位于衬底5上的各向同性对准层2之间垂直对准、并在导热液晶聚合物3以及交联的导热液晶聚合物4的矩阵中锁定的碳纳米管1。
根据一个实施例，导热液晶单体或低聚物与碳纳米管混合，然后使此混合物呈齐端相态或向列相态或各向同性液晶相态。在将要结合在一起的表面上施加一薄层，然后将这两个表面结合在一起。通过从各向同性相态(约80摄氏度至约180摄氏度或有些情况下至约300摄氏度)缓慢冷却至向列相态或齐端相态或晶体相态(根据材料不同在约50-200摄氏度)，控制温度。通过热聚合或结合UV与热聚合使混合物聚合，以锁定在有序相态。可通过采用导热液晶聚合物进一步提高热导率。
根据另一个实施例，采用各向同性对准剂处理结合表面，然后液晶迫使CNT沿垂直于表面方向对准。一旦矩阵被固定，该矩阵就形成垂直对准的CNT层，这导致结合表面之间的高热导率。各向同性对准剂可以是表面活化剂，例如长链醇或聚酰亚胺。优选液晶为具有正的介电各向异性的向列或齐端液晶。聚合物前体与液晶材料混合，来自Merck的BAB-6(双[6-(丙烯酰氧)己氧基]-1，1’亚联苯基)是液晶材料的一个例子。如果两个结合表面导热或覆有导热膜，在处理聚合物以改善对准的过程中，在表面之间可加电场。电场强度大于Fredrick跃迁，约为1V/μm至20V/μm。
已有实验证明可通过将CNT混入向列液晶中得到特定的CNT对准。虽然对准质量由于CNT的聚集多少收到限制，但仍观测到一定程度的有序。
在添加液晶或液晶聚合物之前，为了分散和解开碳纳米管，可采用溶解液晶的溶剂例如丙酮、氯仿来分散CNT。可采用加热、超声振荡和搅拌来打破CNT的纠缠。当CNT均匀分散在液晶和溶剂的混合物中后，可通过搅拌的同时加热混合物至各向同性相态使溶剂蒸发。
为了降低界面热阻，CNT的表面可经过物理或化学处理。该处理可包括酸(例如硫酸)或等离子体处理(Ar，N，O等)，或者在CNT上涂覆薄膜(金属等)。
前面所述说明和描述了本公开。另外，本公开仅示出和描述了优选的实施例，但是，如上所述，应该理解，在此所表述的本发明的构思的范围内，可采用其它各种结合、修改和环境，并可进行改变或修改，与上面的讲授和/或相关领域的技术或知识相当。在上文中描述的实施例进一步旨在解释为申请人所知的最佳模式，旨在使本领域的技术人员能够利用在这种或其它的实施例中的公开，以及根据具体应用或其使用需要进行各种修改。因此，本说明书并不在于将本发明限制为在此公开的形式。并且，旨在将附加权利要求解释为包括可选实施例。
在此说明书中引用的所有出版物和专利申请在这里通过参考被结合，在任何及所有情况下，如同每个单独的出版物和专利申请被特定地且单独地表示为通过参考被结合。
权利要求
1.一种导热液晶聚合物矩阵，包括在所述矩阵中对准的碳纳米管。
2.根据权利要求1的导热液晶聚合物矩阵，其中所述碳纳米管经过处理，以降低界面热阻。
3.一种结构，包括位于相对的表面之间的根据权利要求1的所述液晶聚合物矩阵。
4.根据权利要求3的结构，其中采用薄对准层处理所述相对的层。
5.根据权利要求4的结构，其中所述对准垂直于所述结合表面。
6.根据权利要求1的结构，其中所述导热液晶聚合物矩阵包括交联的液晶聚合物。
7.根据权利要求1的结构，其中在所述矩阵中的所述碳纳米管的量为至少约0.5重量％。
8.根据权利要求1的结构，其中在所述矩阵中的所述碳纳米管的量为约1至约10重量％。
9.根据权利要求1的结构，其中在所述矩阵中的所述碳纳米管的量为约1至约5重量％。
10.一种微电子器件，包括集成芯片和散热器或热沉，以及位于所述芯片和散热器或热沉之间的根据权利要求1的所述导热液晶聚合物矩阵。
11.根据权利要求10的微电子器件，其中所述碳纳米管经过处理，以降低界面热阻。
12.根据权利要求10的微电子器件，其中所述液晶聚合物矩阵位于相对的表面之间。
13.根据权利要求12的微电子器件，其中采用薄对准层处理所述相对的层。
14.根据权利要求13的微电子器件，其中所述对准垂直于所述结合表面。
15.根据权利要求10的微电子器件，其中所述导热液晶聚合物矩阵包括交联的液晶聚合物。
16.根据权利要求10的微电子器件，其中在所述矩阵中的所述碳纳米管的量为至少约0.5重量％。
17.根据权利要求10的微电子器件，其中在所述矩阵中的所述碳纳米管的量为约1至约10重量％。
18.根据权利要求10的微电子器件，其中在所述矩阵中的所述碳纳米管的量为约1至约5重量％。
19.一种结构制造方法，所述结构包括导热液晶聚合物矩阵，所述导热液晶聚合物矩阵包括在所述矩阵内对准的碳纳米管，其中所述液晶聚合物矩阵在相对的对准层之间，其中所述方法包括将液晶材料与碳纳米管混合，使所述混合物呈齐端相态、向列相态或各向同性液晶相态，在矩阵的相对表面上施加一层所述混合物，并可选地使所述混合物聚合。
20.根据权利要求19的方法，其中施加外部电场或磁场以辅助所述对准。
21.根据权利要求19的方法，其中所述混合物被聚合。
22.根据权利要求21的方法，其中所述聚合在外部电场下进行。
全文摘要
本发明提供了导热液晶聚合物矩阵，包括在所述矩阵中对准的碳纳米管，以及其使用和制造方法。
文档编号H01L23/34GK1770435SQ20051009820
公开日2006年5月10日 申请日期2005年9月1日 优先权日2004年11月2日
发明者陆珉华 申请人:国际商业机器公司