专利名称：芯片封装与散热用热界面材料及其制法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于高性能芯片封装与散热的热界面材料，特别涉及一种以碳纳 米管阵列为基本构件而形成的热界面材料及其制法。
背景技术：
根据著名的“摩尔定律”推算芯片上的晶体管每18个月翻一番，那么到2010年， 芯片上晶体管的数量将超过10亿。高集成度对于计算机性能的升级是有利的，然而由此带 来芯片耗能和散热问题也凸现出来。事实上，除计算机芯片外，对于大量功率电子设备、光 电器件以及近年来发展迅速的微/纳电子机械系统等，都存在着类似广泛而迫切的散热冷 却需要，有的情况下甚至要求更高。比如，一些微系统的热流密度已高达200W/cm2。这些态 势都表明，为防止半导体芯片过度发热引起的失效，目前对高性能冷却技术的需求已提到 了前所未有的层面。为了满足这些需要，各种散热方式被大量运用，如利用风扇散热、水冷 辅助散热和热管散热等方式，但由于散热器与芯片的接触界面并不平整，一般接触的只有 不到2%的面积，没有理想的接触界面，从根本上极大的影响了芯片向散热器进行热传递的 效果，因此在散热器与半导体器件的接触界面间增加一些导热系数较高的热界面材料来增 加界面接触程度就显得十分必要。传统的热界面材料中，以油脂、相变材料为载体的复合材料因其使用时为液态而能与 热源表面浸润股接触热阻较小，而以硅胶和橡胶为载体的复合材料接触热阻就较大，这些材料 的普遍缺陷是整个材料的导热系数较小，典型值在lW/mK，这已经越来越不适应高性能芯片的 散热需求，虽然增加载体中的导热颗粒可增大复合材料的导热系数，但会使得材料的浸润效果 变差，从而使得热界面材料的性能大大降低。此外，大量的热循环可导致热界面材料的不一致 行为，或者可导致热界面材料不能将芯片粘结到热沉，产生热散失，也限制了芯片的冷却。为提高界面的导热性能，降低界面热阻，近年来出现了采用高导热系数的碳纳米 管作为热界面材!4°Savas Berber 等人在一篇"Unusually high thermal conductivity of carbon nanotubes”的文章中指出“Z”形(10，10)碳纳米管在室温下导热系数可达6600W/ mK，具体内容可参考文献Phys. Rev. Lett, vol. 84，p4613。从现有的技术中可以看出采用碳 纳米管作为热界面虽然在一定程度上降低了接触界面的热阻，但碳纳米管与热沉和芯片之 间仍存在不良接触的问题。没有充分发挥碳纳米管的导热优势，影响了热界面材料的导热 性能。另一方面，从提高界面材料与芯片间接触面积的方向考虑，近年来出现了采用液态金 属作为热界面材料的技术，采用液态金属作为热界面材料时，可满足界面材料与芯片间的 良好接触，但其导热系数并不高，只有几十W/mK。因此，为满足大功率芯片的散热要求，的确有必要提供一种在接触界面可建立良 好的热接触，并能在半导体器件与热沉之间提供足够的热导率和机械顺从性。
发明内容
为满足高性能芯片冷却技术的需求，克服现有热界面材料热阻较高及接触不良的不足，本发明提供一种新型的芯片封装与散热用热界面材料及其制法，在大功率芯片与热 沉单元之间建立可靠的热接触，并提供足够的热导率，来提高大功率芯片的散热能力和可 靠稳定性。本发明的一个目的，将通过以下技术方案来实现芯片封装与散热用热界面材料，包括基底上的碳纳米管阵列，其特征在于所述热 界面材料包含自由扩散、均勻分布于碳纳米管阵列缝隙内的液态金属。所述热界面材料的 厚度介于IOym 1mm。进一步地，前述的芯片封装与散热用热界面材料，其中该碳纳米管阵列为单壁碳纳米管阵列、双壁碳纳米管阵列及多壁碳纳米管阵列之一；任意碳纳米管垂直于基底，且碳 纳米管直径介于2nm lOOnm。本发明的另一个目的，其实现所依托的技术解决方案是芯片封装与散热用热界面材料的制法，其特征在于包括步骤在基底材料上制备 任意形状、面积的碳纳米管阵列；在所述各碳纳米管表面制作一层浸润金属层；在保护气 的环境中滴加液态金属到碳纳米管阵列表面，并在高于液态金属熔点温度的条件下采用抽 真空法将液态金属扩散、填满碳纳米管阵列的缝隙。进一步地，其中所述浸润金属层为厚度Inm 2nm的金薄膜或钼薄膜；所述保护气 为惰性气体，可选包括氮气或氩气中的一种。实施本发明的技术方案，其积极的有益效果为本发明采用高导热的碳纳米管及液态合金制作的热界面材料，能为大功率半导体 器件(例如，高功率集成芯片)与热沉之间提供优越的热接触，大幅降低封装热阻，提高器 件的散热能力和稳定性。为使本发明所述的一种芯片封装与散热用热界面材料及其制法更易于理解其实 质性特点及其所具的实用性，下面便结合附图对本发明若干具体实施例作进一步的详细说 明。但以下关于实施例的描述及说明对本发明保护范围不构成任何限制。
图1是本发明热界面材料的截面示意图。图中各附图标记的含义如下100 碳纳米管、101 液态金属、102 基底。
具体实施例方式本发明为满足高性能芯片冷却技术的需求，克服现有热界面材料热阻较高及接触 不良的不足，提供了用于芯片封装，并具有优异散热性的热界面材料。如图1所示是该热界 面材料的截面示意图，可见该热界面材料包括碳纳米管100在基底102上形成的碳纳米管 阵列及液态金属101。其中，该些碳纳米管100均在制备时形成于基底102相垂直的状态，碳纳米管直径约为 2nm 100纳米。该碳纳米管阵列可以是单壁碳纳米管阵列，可以是双壁碳纳米管阵列，也 可以是多壁碳纳米管阵列或单壁、双壁混合碳纳米管阵列。该基底102为适于碳纳米管阵 列生长的任意材料。
该液态金属101可以包括金属镓、铟、镓-铟-锡合金等中的一种，与碳纳米管100 相结合，旨在提高芯片与热沉之间的热接触程度及导热性能，降低接触热阻。本发明芯片封装与散热用热界面材料的制备主要包括以下步骤(一 )碳纳米管阵列的制备该碳纳米管阵列采用化学气相沉积法制备，其具体步骤包括(a)提供一平整基 底102，所述的基底材料为硅、氧化硅或金属等(本例优先选用P型硅基底)；(b)在硅基底 上形成一层镍催化剂层；(c)将有催化剂的基底102在700-900°C的空气中退火约30-90分 钟；(d)将上述基底102置于反应炉中，反应温度为725-800°C，生长10-60分钟。形成的碳 纳米管阵列100通过范德华力彼此接触形成阵列。除上述实施方法外，该碳纳米管阵列也可采用其它现有的制备工艺获取。( 二)在碳纳米管上制作一层易溶于液态金属的浸润金属层。该浸润金属层为金和钼中的一种，采用蒸镀或溅射工艺中的一种制作在各碳纳米 管表面，其目的是引导液态金属完全填充碳纳米管的缝隙，本实施例中优先采用溅射工艺 沉积金属金。厚度lnm-2nm。(三)使用液态金属101填充碳纳米管阵列100间隙在充氮气或氩气等保护气的真空箱内，将液态金属102滴加到碳纳米管阵列100 的表面，然后在高于液态金属熔点温度的条件下开始抽真空，除去碳纳米管阵列100间隙 中的空气，使液态金属完全自由扩散，充满碳纳米管阵列的空隙，形成碳纳米管阵列及液态 金属复合的热界面材料。由以上描述，同时不难发现整个制备工艺流程简单，适于大规模工业制备碳纳米 管与液态金属的复合热界面材料。以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用 等同变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
权利要求
芯片封装与散热用热界面材料，包括基底上的碳纳米管阵列，其特征在于所述热界面材料包含填充于碳纳米管阵列缝隙内的液态金属。
2.根据权利要求1所述的芯片封装与散热用热界面材料，其特征在于所述液态金属 为自由扩散、均勻分布在碳纳米管阵列的缝隙内。
3.根据权利要求1所述的芯片封装与散热用热界面材料，其特征在于所述热界面材 料的厚度介于10 ii m 1mm。
4.根据权利要求1所述的芯片封装与散热用热界面材料，其特征在于所述碳纳米管 阵列为单壁碳纳米管阵列、双壁碳纳米管阵列及多壁碳纳米管阵列之一，其中任意碳纳米 管垂直于基底，且碳纳米管直径介于2nm lOOnm。
5.芯片封装与散热用热界面材料的制法，其特征在于包括步骤I、在基底材料上制备任意形状、面积的碳纳米管阵列；II、在所述各碳纳米管表面制作一层浸润金属层；III、在保护气的环境中滴加液态金属到碳纳米管阵列表面，并在高于液态金属熔点温 度的条件下采用抽真空法将液态金属扩散、填满碳纳米管阵列的缝隙。
6.根据权利要求5所述的芯片封装与散热用热界面材料的制法，其特征在于所述浸 润金属层为厚度lnm 2nm的金薄膜或钼薄膜。
7.根据权利要求5所述的芯片封装与散热用热界面材料的制法，其特征在于所述保 护气为惰性气体，可选包括氮气或氩气中的一种。
全文摘要
本发明揭示了芯片封装领域一种芯片封装与散热用热界面材料及其制法。该热界面材料包括基底上的碳纳米管阵列，其特征为该热界面材料包含自由扩散、均匀分布于碳纳米管阵列缝隙内的液态金属。本发明采用具有高导热系数的碳纳米管来保证热界面具备较高的导热性能，同时采用液态合金来提高碳纳米管与热沉和芯片之间的接触能力，从而进一步降低热界面的热阻。从而满足高性能芯片的散热需求。其制备方法包括提供一垂直形成于基底上的碳纳米管阵列，然后在碳纳米管上沉积一层极易溶于液态金属的金属层，促进液态金属与碳纳米管接触时能完全浸润碳纳米管，填满碳纳米管阵列的缝隙。
文档编号H01L23/373GK101864280SQ201010176988
公开日2010年10月20日 申请日期2010年5月20日 优先权日2010年5月20日
发明者吴东岷, 李加东 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所