專利名稱：熱界面結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般而論涉及一種熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。更詳細(xì)而言，本發(fā)明涉及
一種能夠適用于內(nèi)置IC芯片的熱傳導(dǎo)模塊的熱界面結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，向高密度化發(fā)展的半導(dǎo)體集成電路的功率消耗量持續(xù)增 大。發(fā)熱量隨功率的增大而增大，成為阻礙提高半導(dǎo)體集成電路的工 作頻率的一個(gè)原因。因此，為了進(jìn)一步提高工作頻率等，需要以更高 效率冷卻半導(dǎo)體集成電路。在用于冷卻半導(dǎo)體集成電路的結(jié)構(gòu)中，為
了緩和熱膨脹的影響，在半導(dǎo)體集成電路與散熱結(jié)構(gòu)(散熱器)之間 設(shè)置熱接觸材料(熱界面結(jié)構(gòu))。該熱界面的熱阻大，占整個(gè)冷卻系 統(tǒng)的熱阻的一半左右。因此，期待一種熱阻盡量小的熱界面結(jié)構(gòu)。
鑒于這種狀況，由于碳納米管(以下稱為CNT)具有高的熱傳 導(dǎo)率、并且具有高的機(jī)械柔軟性，所以被期待作為熱接觸材料來(lái)應(yīng)用。 在 H. Ammita et. al" "Utilization of carbon fibers in thermal management of Microelectronics", 2005 10th International Symposium on Advanced Packaging Materials: Processes, Properties and Interfaces, 259 (2005)中，公開了將CNT混合到油脂等中作為熱 接觸材料(潤(rùn)滑油)來(lái)使用的技術(shù)。在美國(guó)專利6,965,513中，公開 了利用彈性體(Elastomers )等來(lái)將取向生長(zhǎng)的CNT固定并作為熱接 觸材料加以利用的技術(shù)。但是，在這些公開中并沒有得到實(shí)用的低熱 阻值。其理由是因?yàn)樵谂cCNT接觸的基板之間存在大的接觸電阻。 因此，需要實(shí)現(xiàn)CNT與基板之間的小的熱阻(高的熱耦合性)的方 法。
非專禾'J文獻(xiàn)1: H. Ammita et.al" "Utilization of carbon fibers inthermal management of Microelectronics", 2005 10th International Symposium on Advanced Packaging Materials: Processes, Properties and Interfaces, 259 (2005)
專利文獻(xiàn)1:美國(guó)專利6,965,51
發(fā)明內(nèi)容
(發(fā)明所要解決的技術(shù)問題) 本發(fā)明的目的在于提供一種熱阻小的熱界面結(jié)構(gòu)。 本發(fā)明的目的在于提供一種熱傳導(dǎo)效率高的熱傳導(dǎo)模塊。
(解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案)
根據(jù)本發(fā)明，提供一種熱界面結(jié)構(gòu)，具有取向了的碳納米管層； 分別設(shè)置在碳納米管層的取向方向的2個(gè)端面的金屬層。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種具有發(fā)熱體、散熱體、和設(shè)置在發(fā)熱體與 散熱體之間的熱界面結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)模塊，其中熱界面結(jié)構(gòu)具有碳納 米管層，被取向?yàn)閷?shí)質(zhì)上平行于從發(fā)熱體到散熱體的方向；第一金屬 層，與碳納米管層的一個(gè)端面相連接，并且與發(fā)熱體熱連接；第二金 屬層，與碳納米管層的另一個(gè)端面相連接，并且與散熱體熱連接。


圖l是表示本發(fā)明的熱界面結(jié)構(gòu)的剖面的圖。
圖2是表示本發(fā)明的熱傳導(dǎo)模塊的剖面的圖。
圖3是表示本發(fā)明的熱界面結(jié)構(gòu)的制造方法的一個(gè)實(shí)施例的圖。
圖4是表示本發(fā)明的熱界面結(jié)構(gòu)的制造方法的另一個(gè)實(shí)施例的圖。
(附圖標(biāo)記說明)
1、 32: CNT層；2、 3、 33、 36:金屬層；4、 5: 4氐熔點(diǎn)金屬材 料、焊接材料；6:散熱器；l(h熱界面結(jié)構(gòu)；20:熱傳導(dǎo)模塊；31: Si基板；34:液體金屬層；40:紫外線剝離帶
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明中，為了減小接觸電阻，在CNT層表面與對(duì)置的基板 等之間設(shè)置金屬層。金屬層是在取向生長(zhǎng)的CNT層的表面上，例如 利用濺射法等制作連續(xù)的金屬層。還可以進(jìn)一步使用低熔點(diǎn)的金屬等 將該金屬面與其他的基板等熱耦合。在本發(fā)明中，根據(jù)這些內(nèi)容，來(lái) 實(shí)現(xiàn)充分利用了 CNT層的取向性、高熱傳導(dǎo)性以及機(jī)械柔軟性的低 熱阻的熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
圖1所示為本發(fā)明的熱界面結(jié)構(gòu)10的剖面。熱界面結(jié)構(gòu)10由 CNT層1和金屬層2、 3構(gòu)成。CNT層l被取向?yàn)閷?shí)質(zhì)上平行于熱傳 導(dǎo)方向(在圖1中為大致垂直方向)。CNT為1維性的熱傳導(dǎo)物質(zhì)。 CNT的管的長(zhǎng)軸方向上的熱傳導(dǎo)率非常大，而與該長(zhǎng)軸垂直的方向 (橫方向)的熱傳導(dǎo)率小。因此，在本發(fā)明中，CNT層的取向方向優(yōu) 選沿著CNT的管的長(zhǎng)軸方向(平行)的方向。金屬層2、 3分別與 CNT層1的上表面、下表面接合。金屬層優(yōu)選為Au、 Ni或者Pt。但 也可以使用Ag等其他金屬。為了提高CNT層的機(jī)械強(qiáng)度，也可以使 CNT層1的各個(gè)CNT之間包含Si彈性體等的彈性材料。
圖2所示為本發(fā)明的熱傳導(dǎo)模塊20的剖面。在圖2中，使用了 圖1的熱界面結(jié)構(gòu)10。熱界面結(jié)構(gòu)的上側(cè)的金屬層2通過以附圖標(biāo)記 4表示的低熔點(diǎn)金屬材料(例如Ga及其合金等)或者焊接材料(例 如Pb-Sn)連接到散熱器6。同樣，下側(cè)的金屬層3通過以附圖標(biāo)記5 表示的低熔點(diǎn)金屬材料或者焊接材料連接到作為發(fā)熱體7的半導(dǎo)體集 成電路(IC芯片)等。散熱器6由鋁等熱傳導(dǎo)性高的物質(zhì)構(gòu)成。IC 芯片中包括微處理器單元(MPU)等。
圖3所示為本發(fā)明的熱界面結(jié)構(gòu)的制造方法的一個(gè)實(shí)施例。在 (a)中，使CNT層32在Si基板31上在垂直方向上取向生長(zhǎng)。例 如，在導(dǎo)入了乙炔氣的熱CVD容器中，將基板溫度設(shè)定為750度， 使CNT層生長(zhǎng)。CNT層32的厚度為30至150fim左右。在(b)中， 在CNT層32的表面形成金屬層33 。例如，使用濺射裝置形成具有1 nm 左右的厚度的Au層。金屬層33的厚度可以是0.5至5jim左右。該
6比較厚的金屬層33提高熱耦合性，并通過進(jìn)一步提高CNT層32的 機(jī)械強(qiáng)度來(lái)防止CNT的取向混亂。在(c)中，在金屬層33的表面 涂敷液體金屬層34 (例如Ga)。在(d)中，以液體金屬層34與金 屬(例如銅)塊35的表面接觸的方式將基板31與金屬塊35接合。 之后，將整個(gè)或者部分液體金屬層34從外部冷卻，使液體金屬層34 固化。例如，在Ga系液體金屬的情況下，冷卻溫度小于等于約4°C。 通過該固化，基板31 ( CNT層32 )和金屬塊35通過液體金屬層34 結(jié)合起來(lái)。另外，也可以不從外部冷卻，而預(yù)先準(zhǔn)備冷卻到小于等于 能夠?qū)⒁后w金屬層34固化的溫度的金屬塊35，并使液體金屬層34與 該金屬塊35的表面相接合。
在(e)中，將基板31從CNT層32剝離將兩者分離開。在(f) 中，從外部加熱整個(gè)或者部分液體金屬層34，使固化的液體金屬層 34熔融。然后，將CNT層32從金屬塊35分離。在(g)中，從金屬 層33的表面去除熔融了的液體金屬層34。在(h)中，與(b)的情 況相同地，在露出的CNT層32的表面上形成金屬層36。通過以上一 系列的工序，制作使用了 CNT層的熱界面結(jié)構(gòu)。另夕卜，也可以在(g) 工序之后，在真空容器中在CNT層32的各個(gè)CNT之間浸滲Si彈性 體等流動(dòng)性的彈性材料。通過該彈性材料的固化可以提高CNT層32 的機(jī)械強(qiáng)度。
圖4所述為本發(fā)明的熱界面結(jié)構(gòu)的制造方法的另 一個(gè)實(shí)施例。工 序U)和(b)與圖3的情況相同。在(c)中，在金屬層33的表面 附著紫外線(UV)剝離帶40。紫外線剝離帶是一種在受到紫外線照 射時(shí)，其粘接層分解并產(chǎn)生氣體(氣泡)，而能夠從粘接對(duì)象剝離的 粘接帶。在(d)中，將基板31從CNT層32剝離以將兩者分離開。 在(e)中，對(duì)紫外線剝離帶40照射紫外線(UV)，使其粘接層分解。 在(f)中，將紫外線剝離帶40從金屬層33的表面剝離，以將兩者分 離開。此時(shí)，在剝離后的金屬層的表面上存在粘接劑殘?jiān)那闆r下， 通過臭氧清洗等將其去除。在(g)中，與圖3的工序(h)情況相同 地，在CNT層32的表面上形成金屬層36。通過以上一系列的工序，制作使用了 CNT層的熱界面結(jié)構(gòu)。另外，也可以在工序(g)之后， 在真空容器中使CNT層1的CNT之間浸滲Si彈性體等的彈性材料。 通過該彈性材料的固化可以提高CNT層32的機(jī)械強(qiáng)度。 (技術(shù)效果)
對(duì)利用圖3制法制作的熱界面結(jié)構(gòu)的熱阻進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量使用 定常法。所謂定常法， 一般而言是指對(duì)樣本施加固定的焦耳熱，根據(jù) 此時(shí)的熱流量Q與溫度梯度AT來(lái)求得熱傳導(dǎo)率的方法。將面積為 10xl0mm、厚度為幾十至一百微米的樣本夾在具有熱電偶的2個(gè)銅塊 之間。利用加熱器對(duì)銅塊的一端加熱，而利用散熱器來(lái)冷卻另一端。 使兩端之間發(fā)生定常熱流Q，測(cè)量此時(shí)的溫度差A(yù)T。利用R-AT/Q 的公式求得熱阻R。更詳細(xì)而言，在曲線圖上畫出針對(duì)多個(gè)Q的AT， 利用直線進(jìn)行擬合(近似)求得熱阻R。實(shí)際求得的熱阻值為 18mm2K/W(膜厚80nm )。與上述文獻(xiàn)"Utilization of carbon fibers in thermal management of Microelectronics"中使用圖 8的涂覆了 CNT的Si時(shí)的熱阻值110mm2K/W、或者使用圖10的涂覆了 CNT 的Cu (Si)時(shí)的熱阻值60mm2K/W相比，本發(fā)明的熱阻值為上述值 的約三分之一以下。
參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說明。但是，本發(fā)明并不限于這些實(shí)施 例。在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)可以進(jìn)行各種變形，這一點(diǎn)對(duì)本 領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說是不言而喻的。
權(quán)利要求
1. 一種熱界面結(jié)構(gòu)，具有取向了的碳納米管層；和分別設(shè)置在碳納米管層的取向方向的2個(gè)端面的金屬層。
2. 如權(quán)利要求1所述的熱界面結(jié)構(gòu)，其中， 所述金屬層由從Au、 Ni和Pt中選擇的金屬構(gòu)成。
3. 如權(quán)利要求l所述的熱界面結(jié)構(gòu)，其中， 所述碳納米管層包括嵌埋在碳納米管之間的彈性材料。
4. 一種熱傳導(dǎo)模塊，具備發(fā)熱體、散熱體、和設(shè)置在發(fā)熱體與 散熱體之間的熱界面結(jié)構(gòu)，其中，熱界面結(jié)構(gòu)具有碳納米管層，被取向?yàn)閷?shí)質(zhì)上平行于從發(fā)熱體到散熱體的方向； 第一金屬層，與碳納米管層的一個(gè)端面相連接，并且與發(fā)熱體熱 連接；以及第二金屬層，與碳納米管層的另一個(gè)端面相連接，并且與散熱體 熱連接。
5. 如權(quán)利要求4所述的熱傳導(dǎo)模塊，其中，所述發(fā)熱體與第一金屬層通過低熔點(diǎn)金屬材料相連接，所述散熱 體與第二金屬層通過低熔點(diǎn)金屬材料相連接。
6. 如權(quán)利要求5所述的熱傳導(dǎo)模塊，其中， 所述低熔點(diǎn)金屬材料由焊接材料構(gòu)成。
7. 如權(quán)利要求4所述的熱傳導(dǎo)模塊，其中， 所述第一和第二金屬層由從Au、 Ni和Pt中選擇的金屬構(gòu)成。
8. 如權(quán)利要求4所述的熱傳導(dǎo)模塊，其中， 所述碳納米管層包括嵌埋在碳納米管之間的彈性材料。
9. 如權(quán)利要求4所述的熱傳導(dǎo)模塊，其中， 所述發(fā)熱體包括IC芯片，所述散熱體包括散熱器。
10. —種熱界面結(jié)構(gòu)的制造方法，包括 在基板上以實(shí)質(zhì)上垂直取向的方式設(shè)置碳納米管層的步驟；在碳納米管層上設(shè)置第一金屬層的步驟； 將基板與碳納米管層分離的步驟；以及 在被分離并露出的碳納米管層的表面上設(shè)置第二金屬層的步驟。
11. 如權(quán)利要求10所述的制造方法，其中， 設(shè)置所述第一金屬層的步驟和設(shè)置所述第二金屬層的步驟中的至少一個(gè)包括利用濺射法形成金屬層的步驟。
12. 如權(quán)利要求IO所述的制造方法，其中， 將所述基板與所述碳納米管層分離的步驟包括 在所述第一金屬層的表面涂敷液體金屬的步驟； 以所述液體金屬接觸所述金屬塊的表面的方式將金屬塊與所述基板接合的步驟；將接合起來(lái)的所述基板和所述金屬塊冷卻的步驟； 將冷卻后的所述基板和所述碳納米管層分離的步驟；以及 從分離后的所述碳納米管層去除所述液體金屬的步驟。
13. 如權(quán)利要求IO所述的制造方法，其中， 將所述基板與所述碳納米管層分離的步驟包括 在所述第一金屬層的表面上附著紫外線剝離帶的步驟；將附著有所述紫外線剝離帶的所述碳納米管層與所述基板分離 的步驟；以及對(duì)分離后的所述第一金屬層上的所述紫外線剝離帶照射紫外線， 從所述第一金屬層的表面去除所述紫外線剝離帶的步驟。
14. 如權(quán)利要求IO所述的制造方法，其中， 還包括在所述碳納米管層的碳納米管之間浸滲彈性材料的步驟。
15. 如權(quán)利要求10至14中的任意一項(xiàng)所述的制造方法，其中， 所述第一和第二金屬層由從Au、 Ni和Pt中選擇的金屬構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種熱界面結(jié)構(gòu)(10)，具有在熱傳導(dǎo)方向上取向的碳納米管層(1)；分別設(shè)置在該碳納米管層(1)的取向方向的2個(gè)端面上的金屬層(2)、(3)，該熱界面結(jié)構(gòu)與發(fā)熱體或散熱體的接合部的熱阻小。
文檔編號(hào)H05K7/20GK101512760SQ20078003193
公開日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2007年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月22日
發(fā)明者平洋一, 末岡邦昭 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司