集成电路器件的导热复合材料层及电子器件导热结构封装方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微电子器件封装结构及制备方法，特别是微电子器件导热结构及制备方法，应用于在高热流密度的大功率电子器件中满足散热技术领域。
【背景技术】
[0002]随着电子元件和系统不断地变小变快，热处理和可靠性变成了影响它们寿命的关键问题。局部高热流热点的热管理是大功率电子器件的关键，不一致的散热会造成芯片中特殊区域过热，影响电子系统性能和电子器件的可靠性。近年来，石墨烯由于强SP2键带来超高的热导率5300W/mK，被提出可作为一种有前景的散热材料。六方氮化硼具有与石墨烯非常类似的层状结构，包括同样的层间距和面内六方晶格，甚至类似的强面内共价键与层间弱范德华力。然而又不同于石墨烯，六方氮化硼具有更强的耐热性、化学稳定性、绝缘性以及深紫外发光性能，其导热率是石英的十倍，热膨胀系数相当于石英，是陶瓷中最小的，是一种导热性最好的绝缘体。
[0003]通常芯片表面用二氧化硅充当绝缘保护层，但其厚度会影响石墨烯的散热效果，S1Jl太厚会阻碍热点热量向石墨烯层有效传导，太薄又容易使金属电路和石墨烯层接触而出现短路，而且S12M料导热率较低，影响微电子器件的散热效果。
【发明内容】
[0004]为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种集成电路器件的导热复合材料层及电子器件导热结构封装方法，将二维层状材料应用到电子封装的散热结构，应用于热流密度较高的集成电路芯片表面，形成绝缘的高散热表面，解决大功率器件局部高热流热点的散热问题。
[0005]为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案:
一种集成电路器件的导热复合材料层，采用单层、双层或少层的氮化硼烯二维层状材料和石墨烯二维层状材料，以氮化硼烯作为集成电路器件的绝缘保护层，再将采用石墨烯二维层状材料制备的石墨烯层转移到氮化硼烯层的上表面，从而形成集成电路器件的导热复合材料层。
[0006]一种利用本发明集成电路器件的导热复合材料层的电子器件导热结构封装方法，采用化学气相沉积法或溶剂剥离法制备集成电路器件的导热复合材料层，当采用化学气相沉积法制备集成电路器件的导热复合材料层时，具体工艺步骤为:
(1)在铜箔表面生长氮化硼烯层，形成氮化硼烯/铜箔结合层，然后在氮化硼烯/铜箔结合层上旋涂厚度300nm的聚甲基丙烯酸甲酯作为薄膜支撑层，得到聚甲基丙烯酸甲酯/氮化硼烯/铜箔结构层体系；
(2)使用厚度200μm的聚乙烯对苯二酸酯，粘到在步骤(I)中制备的聚甲基丙烯酸甲酯/氮化硼烯/铜箔结构层体系上作为辅助框架，形成聚乙烯对苯二酸酯/聚甲基丙烯酸甲酯/氮化硼烯/铜箔结构层体系；
(3)使用摩尔浓度为0.25 M的NaOH溶液作为电解液，将直流电源负极连接到在步骤
(2)中制备的聚乙烯对苯二酸酯/聚甲基丙烯酸甲酯/氮化硼烯/铜箔结构层体系的铜箔上，同时将直流电源正极连接到另外的铂电极，将直流电源电流升至约1A，电解反应30s后将铜箔从聚乙烯对苯二酸酯/聚甲基丙烯酸甲酯/氮化硼烯/铜箔结构层体系上剥离，得到聚乙烯对苯二酸酯/聚甲基丙烯酸甲酯/氮化硼烯结构层；
(4)将在步骤(3)中制备的聚乙烯对苯二酸酯/聚甲基丙烯酸甲酯/氮化硼烯结构层转移到目标芯片上，使氮化硼烯层与目标芯片直接结合，再去掉辅助框架聚乙烯对苯二酸酯，在目标芯片上形成聚甲基丙烯酸甲酯/氮化硼烯结合层；
(5)对在步骤(4)中制备的聚甲基丙烯酸甲酯/氮化硼烯结合层，用丙酮去除聚甲基丙烯酸甲酯，即目标芯片上得到裸露的氮化硼烯层；
(6)用石墨烯代替氮化硼烯，依次重复步骤(I)- (3)，得到聚乙烯对苯二酸酯/聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯结构层，再将聚乙烯对苯二酸酯/聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯结构层转移到在步骤(5)中制备的标芯片上的氮化硼烯层上，使石墨烯层直接与氮化硼烯层结合，形成聚乙烯对苯二酸酯/聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/氮化硼烯结构层体系，再采用与步骤(4)相同的方法去掉辅助框架，得到聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/氮化硼烯复合结构层，最后采用与步骤(5)相同的方法去除聚甲基丙烯酸甲酯，最终在目标芯片上得到石墨烯和氮化硼烯的复合材料层。
[0007]当采用溶剂剥离法制备集成电路器件的导热复合材料层时，具体工艺步骤为:
a.用丙酮清洗溶剂剥离法得到的氮化硼纳米片，去除剥离时残留的有机溶剂；
b.将在步骤a中制备的氮化硼纳米片清洗后，放入设定量的乙醇中，并添加设定比例的聚乙烯吡咯烷酮形成混合液，再对混合液超声分散30分钟，得到氮化硼烯分散液；
c.将在步骤b中制备的氮化硼烯分散液旋涂到目标芯片的热点上，然后在60°C下干燥，在目标芯片上形成氮化硼烯层；
d.用石墨烯代替氮化硼烯，依次重复步骤a和步骤b，得到石墨烯分散液；然后在步骤c中制备的目标芯片的氮化硼烯层表面上旋涂石墨烯分散液，再采用步骤c相同的干燥方法，最终在功率芯片上得到石墨烯和氮化硼烯的复合材料层。
[0008]作为本发明优选的技术方案，重复将氮化硼烯或石墨烯转移到目标芯片上，通过控制氮化硼烯及石墨烯的转移次数，在功率芯片上制备由单层、双层或少层的氮化硼烯层和石墨烯层形成的复合材料层。
[0009]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:
1.本发明以氮化硼烯作为电路的绝缘保护层，同时发挥其与石墨烯良好的热传导性能，在高热流密度的大功率电子器件中满足散热需求；
2.本发明以导热率高出十倍的氮化硼烯作为电路的绝缘保护层，再将高导热率且结构相似的石墨烯转移到上表面，可以大大提高散热效果，对于芯片的局部高热流热点是非常有效的热管理方案；
3.本发明将化学气相沉积或溶剂剥离法制备的单层、双层、少层的氮化硼烯和石墨烯，通过相应的转移技术，先后转移到功率芯片的局部热点上，以氮化硼烯作为电路的绝缘保护层，同时发挥其与石墨烯良好的热传导性能，可以在高热流密度的大功率电子器件中满足散热需求。
【附图说明】
[0010]图1是本发明实施例一采用化学气相沉积法制备的芯片样品在转移过程中的示例图。
[0011]图2是本发明实施例一采用化学气相沉积法制备的芯片样品的测试效果数据对比图。
[0012]图3是本发明实施例二采用溶剂剥离法制备的芯片样品在转移过程中的示例图。
【具体实施方式】
[0013]本发明的优选实施例详述如下:
实施例一:
在本实施例中，参见图1和图2，一种电子器件导热结构封装方法，采用化学气相沉积法制备集成电路器件的导热复合材料层，具体工艺步骤为:
(1)在铜箔表面生长氮化硼烯层，形成氮化硼烯/铜箔结合层，然后在氮化硼烯/铜箔结合层上旋涂一层厚度为300nm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为薄膜支撑层，得到PMMA/BN/Cu结构层体系；
(2)使用厚度为200μπι的聚乙烯对苯二酸酯，粘到在步骤(I)中制备的PMMA/BN/Cu结构层体系上作为辅助框架，形成框架/PMMA/BN/Cu结构层体系；
(3)使用摩尔浓度为0.25 M的NaOH溶液作为电解液，将直流电源负极连接到在步骤
(2)中制备的框架/PMMA/BN/Cu结构层体系的铜箔上，同时将直流电源正极连接到另外的铂电极，将直流电源电流升至约1A，电解反应30s后将铜箔从框架/PMMA/BN/Cu结构层体系上剥离，得到框架/PMMA /BN结构层