一種高取向碳納米管薄膜散熱片的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高取向碳納米管薄膜散熱片的制備方法，屬于散熱【技術(shù)領(lǐng)域】。其經(jīng)過可紡絲碳納米管陣列制備、干法紡絲制備超順排碳納米管薄膜、芯片表面堆疊制備得到產(chǎn)品高取向碳納米管薄膜散熱片。本發(fā)明采用CVD的方法制備超順排列可紡絲碳納米管陣列材料，在芯片表面通過干法直接紡絲技術(shù)得到厚度可控的高取向碳納米管薄膜散熱片。由于該薄膜散熱片具有非常高的熱導(dǎo)率，在芯片表面創(chuàng)造出更大的有效表面積并將熱量通過散熱器傳輸?shù)酵饨绛h(huán)境，降低芯片的運(yùn)行溫度。
【專利說明】一種高取向碳納米管薄膜散熱片的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高取向碳納米管薄膜散熱片的制備方法，屬于散熱【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]根據(jù)摩爾定律及超摩爾的概念，微電子技術(shù)不斷向更高性能、更高集成度、更小體積的方向發(fā)展。隨著芯片功能的集中以及尺寸的減小，電子元件和系統(tǒng)不斷的變小變快，芯片功率密度不斷提高，運(yùn)行溫度提高。特別是那些集成了大功率器件并具有更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電路所散發(fā)的熱量可能會達(dá)到4001/(^12甚至更多。像華為的光電器件熱流密度為100 1/挪2左右，計(jì)算機(jī)0^其運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱流密度已達(dá)100-4001/(^2，有些半導(dǎo)體激光器件中甚至達(dá)到2000-30001/(^12。由此帶來的過高溫度將降低芯片的工作穩(wěn)定性，增加出錯(cuò)率，同時(shí)模塊內(nèi)部與其外部環(huán)境間所形成的熱應(yīng)力會直接影響到芯片的電性能、工作頻率、機(jī)械強(qiáng)度及可靠性。必須采用先進(jìn)的散熱封裝工藝和性能優(yōu)異的散熱材料，使產(chǎn)生的熱量迅速散發(fā)出去，從而保證芯片在所能承受的最高溫度內(nèi)正常工作。高功率電子器件散熱材料與應(yīng)用技術(shù)是國家航空、航天、信息、微電子、軍工等戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域不可或缺的核心支撐技術(shù)之一。
[0003]典型的熱學(xué)管理系統(tǒng)是由外部冷卻裝置，散熱器和熱力截面組成。而散熱片的重要功能是創(chuàng)造出最大的有效表面積，在這個(gè)表面上熱力被轉(zhuǎn)移并由外界冷卻媒介帶走。本專利采用”0的方法制備超順排列可紡絲碳納米管陣列材料，在芯片表面通過干法直接紡絲技術(shù)得到厚度可控的高取向碳納米管薄膜散熱片。由于該薄膜散熱片具有非常高的熱導(dǎo)率(14001/01 - ^(―1),可以在芯片表面創(chuàng)造出更大的有效表面積并將熱量通過散熱器傳輸?shù)酵饨绛h(huán)境，降低芯片的運(yùn)行溫度。此外，該散熱片制備方法工藝簡單、成本低，其中可紡絲碳納米管陣列原材料以及干法紡絲成膜技術(shù)發(fā)展成熟，適合半導(dǎo)體批量化制備要求。
[0004]隨著電子元件和系統(tǒng)不斷的變小變快，熱處理和可靠性變成了影響它們壽命的關(guān)鍵問題。局部高熱流熱點(diǎn)的熱管理是大功率電子器件的關(guān)鍵，不一致的散熱會造成芯片中特殊區(qū)域過熱，影響電子系統(tǒng)性能和電子器件的可靠性。近年來，石墨烯、單原子層碳由于強(qiáng)8？2鍵帶來超高的熱導(dǎo)率53001/1111(,被提出可作為一種有前景的散熱材料。^111等報(bào)道了剝落的石墨烯絮在大功率晶體管熱管理中的應(yīng)用，熱點(diǎn)溫度下降201，將晶體管壽命延長了一個(gè)數(shù)量級。上海大學(xué)劉建影教授專利(申請?zhí)?01310118977.9)提出了一種有效石墨烯散熱片的制備方法。石墨烯散熱片的重要作用是創(chuàng)造出最大的有效表面積，在這個(gè)表面上晶體管熱點(diǎn)熱力被轉(zhuǎn)移并由外界冷卻媒介帶走。石墨烯具有非常高的熱導(dǎo)率，然而石墨烯的制備工藝過程相對復(fù)雜，并且所制備石墨烯往往存在大量缺陷，因此，高熱導(dǎo)率石墨烯散熱片的可控制備仍然存在很多技術(shù)挑戰(zhàn)。此外，石墨烯散熱片的批量化制備工藝尚不成熟，限制了其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的發(fā)展。
[0005]碳納米管同樣具有非常優(yōu)異的熱性能，受到研宄領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。超順排列碳納米管薄膜材料是一種特殊的碳納米管薄膜材料，2002年清華大學(xué)姜開利、范守善教授首先發(fā)現(xiàn)可紡絲碳納米管陣列材料，開創(chuàng)了超順排碳納米管陣列的應(yīng)用新領(lǐng)域。超順排碳納米管陣列通過干法直接拉膜的方法可以得到超順排碳納米管薄膜材料。研宄結(jié)果表明，超順排碳納米管薄膜具有非常高的熱導(dǎo)率(14001/^1，^1)。在超順排碳納米管薄膜批量化制備方面，薄膜主要制備工藝采用化學(xué)氣相沉積工藝，工藝可控性高，天津富納源創(chuàng)科技有限公司目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了該薄膜的批量化制備工藝開發(fā)，并應(yīng)用于透明導(dǎo)電薄膜的量產(chǎn)。
[0006]基于上述技術(shù)開發(fā)背景，本專利在芯片表面通過干法直接紡絲技術(shù)得到厚度可控的高取向碳納米管薄膜散熱片，在芯片表面創(chuàng)造出更大的有效表面積并將熱量通過散熱器傳輸?shù)酵饨绛h(huán)境，降低芯片的運(yùn)行溫度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是為高功率芯片提供一種更有效的熱管理方案，降低芯片工作溫度。
[0008]按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，一種高取向碳納米管薄膜散熱片的制備方法，步驟為:
(1)可紡絲碳納米管陣列制備:提供一超順排可紡絲碳納米管陣列前驅(qū)體，生長得到超順排可紡絲碳納米管陣列；
(2)干法紡絲:通過直接拉膜的方法從超順排可紡絲碳納米管陣列制備超順排碳納米管薄膜材料，單層薄膜厚度為10-10011111 ；
(3)芯片表面堆疊:在帶有絕緣層芯片表面通過物理堆疊的方法制備超順排碳納米管薄膜散熱片。
[0009]所述高取向碳納米管薄膜散熱片的制備方法，具體步驟如下:
(1)可紡絲碳納米管陣列制備:準(zhǔn)備物料超順排可紡絲碳納米管陣列前驅(qū)體，其特點(diǎn)是碳納米管陣列中碳納米管具有垂直于生長基底的超順排列結(jié)構(gòu)；生長基底選擇表面粗糙度小于2=0的硅或者石英基底；催化劑采用0.3-3^厚的催化劑薄膜；生長碳源氣體為乙烯或者乙炔氣體；
以準(zhǔn)備的物料進(jìn)行反應(yīng)生長，生長溫度650-7601:，生長得到超順排可紡絲碳納米管陣列，高度為 100-400 VIII ；
(2)干法紡絲生長得到的超順排可紡絲碳納米管陣列進(jìn)行拉膜，制備超順排單層碳納米管薄膜；超順排可紡絲碳納米管陣列中碳納米管首尾相接，形成連續(xù)薄膜；拉膜速度為0.5-1111/8 ；
(3)芯片表面堆疊:在目標(biāo)芯片表面堆疊步驟(2)制備得到的超順排單層碳納米管薄膜，疊加層數(shù)為1-50層，得到產(chǎn)品高取向碳納米管薄膜散熱片。
[0010]步驟(3)中通過上下兩層薄膜中碳納米管薄膜取向夾角控制每層超順排單層碳納米管薄膜上下疊加方向，從而得到高取向碳納米管薄膜散熱片。
[0011]在步驟(3)得到的高取向碳納米管薄膜散熱片上滴加乙醇、丙酮或乙二醇溶液的方法進(jìn)一步提高散熱片和芯片之間的接觸面積，提高散熱效果。
[0012]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明采用的方法制備超順排列可紡絲碳納米管陣列材料，在芯片表面通過干法直接紡絲技術(shù)得到厚度可控的高取向碳納米管薄膜散熱片。由于該薄膜散熱片具有非常高的熱導(dǎo)率，在芯片表面創(chuàng)造出更大的有效表面積并將熱量通過散熱器傳輸?shù)酵饨绛h(huán)境，降低芯片的運(yùn)行溫度。
[0013]具體效果如下:
(1)取向碳納米管薄膜具有高的熱導(dǎo)率、優(yōu)異的物理和化學(xué)穩(wěn)定性，有利于器件最終封裝結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定。
[0014](2)該薄膜散熱片前驅(qū)體可紡絲碳納米管陣列通過熱的方法制備，該方法具有工藝可控性高、環(huán)境友好、工藝成本低、可實(shí)現(xiàn)規(guī)模化制備等優(yōu)點(diǎn)。超順排碳納米管薄膜從前驅(qū)體直接拉膜的方法得到，工藝和設(shè)備簡單。因此，該散熱片的制備方法可控性高、成本低、環(huán)境友好、可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、批量化制備，具有市場應(yīng)用前景。
[0015](3)單層超順排碳納米管薄膜厚度均勻，因此超順排碳納米管薄膜散熱片厚度可以通過多層薄膜疊加的方法進(jìn)行精確控制。
[0016]超順排碳納米管薄膜散熱片熱導(dǎo)率在沿著碳納米管方向和垂直碳納米管方向具有各向異性，因此在器件熱管理過程中可以在方向上對熱流進(jìn)行管控。此外，在單層碳納米管膜堆疊超順排碳納米管薄膜散熱片制備過程中，通過對各層碳納米管薄膜中碳納米管取向的設(shè)計(jì)和控制，可以在二維散熱片平面內(nèi)對熱量進(jìn)行精確控制和管控，從而更加有利于器件封裝結(jié)構(gòu)和散熱性能的提高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明在芯片表面制備超順排碳納米管薄膜散熱片的工藝流程圖。
[0018]圖2超順排碳納米管薄膜散熱片前驅(qū)體可紡絲碳納米管陣列示意圖。
[0019]圖33可紡絲碳納米管陣列拉膜示意圖。
[0020]圖此單層超順排碳納米管陣列示意圖。
[0021]圖4芯片表面制備高取向碳納米管薄膜散熱片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]附圖標(biāo)記說明:1、硅片基底；2、可紡絲碳納米管陣列；3、碳納米管薄膜；4、目標(biāo)芯片；5、絕緣層；6、超順排列碳納米管薄膜散熱片。

【具體實(shí)施方式】
[0023]以下實(shí)施例中干法紡絲所用所用設(shè)備為專利申請?zhí)?201110311780.8中所述設(shè)備。
[0024]實(shí)施例1
所述高取向碳納米管薄膜散熱片的制備方法，具體步驟如下:
(1)可紡絲碳納米管陣列制備:超順排可紡絲碳納米管陣列前驅(qū)體，其特點(diǎn)是碳納米管陣列中碳納米管具有垂直于生長基底的超順排列結(jié)構(gòu)；生長基底選擇6匕也帶氧化硅硅片基底；催化劑采用0.3^厚的催化劑薄膜；生長碳源氣體為乙烯氣體；
生長過程包括:首先在61%?。в醒趸瘜拥墓杵妆砻嫱ㄟ^電子束蒸發(fā)設(shè)備蒸鍍一層50=0厚的氧化鋁薄膜，并繼續(xù)通過電子束蒸發(fā)設(shè)備在氧化鋁表面蒸鍍一層0.3=0厚的鐵催化劑薄膜，即得到可紡絲碳納米管陣列生長催化劑材料。
[0025]將上述制備好的催化劑放入管式”0生長設(shè)備生長腔室內(nèi)進(jìn)行升溫，待溫度升高到750度以后，向”0反應(yīng)腔內(nèi)通入乙烯氣、氬氣和氫氣，生長時(shí)間為10分鐘。反應(yīng)結(jié)束以后待樣品溫度冷卻至室溫取出樣品，即得到生長高度為100微米的超順排可紡絲碳納米管陣列材料?？杉徑z碳納米管陣列示意圖如圖2所示。
[0026](2)干法紡絲:對步驟(1)生長得到的超順排可紡絲碳納米管陣列進(jìn)行拉膜，制備超順排單層碳納米管薄膜；超順排可紡絲碳納米管陣列中碳納米管首尾相接，形成連續(xù)薄膜；拉膜速度為0.5111/8 ；
如圖％和此所示，碳納米管陣列中碳納米管首尾相接，形成連續(xù)薄膜。薄膜中碳納米管具有非常高的取向性。
[0027](3)芯片表面堆疊:在絕緣層的目標(biāo)芯片表面堆疊步驟(2)制備得到的超順排單層碳納米管薄膜，疊加層數(shù)為4層，在芯片基底表面得到超順排列碳納米管薄膜散熱片。示意圖如圖4所示，疊加過程中兩層碳納米管薄膜碳管取向相同。
[0028]向碳納米管薄膜散熱片滴加乙醇溶液，進(jìn)一步提高散熱片自身致密度以及散熱片和芯片表面接觸面積，提高散熱片散熱效果。
[0029]實(shí)施例2
所述高取向碳納米管薄膜散熱片的制備方法，具體步驟如下:
(1)可紡絲碳納米管陣列制備:超順排可紡絲碳納米管陣列前驅(qū)體，其特點(diǎn)是碳納米管陣列中碳納米管具有垂直于生長基底的超順排列結(jié)構(gòu)；生長基底選擇61！1也帶氧化硅硅片基底；催化劑采用3=0厚的催化劑薄膜；生長碳源氣體為乙炔氣體；
生長過程包括:首先在61%??！帶有氧化層的硅片基底表面通過電子束蒸發(fā)設(shè)備蒸鍍一層3=0厚的鐵催化劑薄膜，即得到可紡絲碳納米管陣列生長催化劑材料。將上述制備好的催化劑放入管式生長設(shè)備生長腔室內(nèi)進(jìn)行升溫，待溫度升高到680度以后，向反應(yīng)腔內(nèi)通入乙炔氣、氬氣和氫氣，生長時(shí)間為10分鐘。反應(yīng)結(jié)束以后待樣品溫度冷卻至室溫取出樣品，即得到生長高度為200微米的超順排可紡絲碳納米管陣列材料?？杉徑z碳納米管陣列示意圖如圖2所示，碳納米管垂直硅片基底生長，具有非常高的取向。
[0030](2)干法紡絲:對步驟(1)生長得到的超順排可紡絲碳納米管陣列進(jìn)行拉膜，制備超順排單層碳納米管薄膜；超順排可紡絲碳納米管陣列中碳納米管首尾相接，形成連續(xù)薄膜；拉膜速度為1111/8 ；
如圖％和36所示，碳納米管陣列中碳納米管首尾相接，形成連續(xù)薄膜。薄膜中碳納米管具有非常高的取向性。
[0031](3)芯片表面堆疊:在目標(biāo)芯片表面堆疊步驟(2)制備得到的超順排單層碳納米管薄膜，疊加層數(shù)為4層，得到產(chǎn)品高取向碳納米管薄膜散熱片。示意圖如圖4所示，疊加過程中兩層碳納米管薄膜碳管取向交替垂直。
[0032]向碳納米管薄膜散熱片滴加乙醇溶液，進(jìn)一步提高散熱片自身致密度以及散熱片和芯片表面接觸面積，提高散熱片散熱效果。
[0033]實(shí)施例3
所述高取向碳納米管薄膜散熱片的制備方法，具體步驟如下:
(1)可紡絲碳納米管陣列制備:超順排可紡絲碳納米管陣列前驅(qū)體，其特點(diǎn)是碳納米管陣列中碳納米管具有垂直于生長基底的超順排列結(jié)構(gòu)；生長基底選擇石英基底；催化劑采用2=0厚的催化劑薄膜；生長碳源氣體為乙烯氣體；
生長過程包括:首先在石英基底表面通過電子束蒸發(fā)設(shè)備蒸鍍一層50！^厚的氧化鋁薄膜，并繼續(xù)通過電子束蒸發(fā)設(shè)備在氧化鋁表面蒸鍍一層2?。。。。『竦蔫F催化劑薄膜，即得到可紡絲碳納米管陣列生長催化劑材料。將上述制備好的催化劑放入管式生長設(shè)備生長腔室內(nèi)進(jìn)行升溫，待溫度升高到735度以后，向反應(yīng)腔內(nèi)通入乙烯氣、氬氣和氫氣，生長時(shí)間為20分鐘。反應(yīng)結(jié)束以后待樣品溫度冷卻至室溫取出樣品，即得到生長高度為350微米的超順排可紡絲碳納米管陣列材料。
[0034](2)干法紡絲:對步驟(1)生長得到的超順排可紡絲碳納米管陣列進(jìn)行拉膜，制備超順排單層碳納米管薄膜；超順排可紡絲碳納米管陣列中碳納米管首尾相接，形成連續(xù)薄膜；拉膜速度為0.8111/ 8 ；
(3)芯片表面堆疊:在目標(biāo)芯片表面堆疊步驟(2)制備得到的超順排單層碳納米管薄膜，疊加層數(shù)為50層，得到產(chǎn)品高取向碳納米管薄膜散熱片。
【權(quán)利要求】
1.一種高取向碳納米管薄膜散熱片的制備方法，其特征是步驟為: (1)可紡絲碳納米管陣列制備:生長得到超順排可紡絲碳納米管陣列做為制備碳納米管薄膜的前驅(qū)體材料； (2)干法紡絲:通過直接拉膜的方法從超順排可紡絲碳納米管陣列制備超順排碳納米管薄膜材料，單層薄膜厚度為1-1OOnm ； (3)芯片表面堆疊制備超順排碳納米管薄膜散熱片:在帶有絕緣層芯片表面通過物理堆疊的方法制備超順排碳納米管薄膜散熱片。
2.如權(quán)利要求1所述高取向碳納米管薄膜散熱片的制備方法，其特征是具體步驟如下: (1)可紡絲碳納米管陣列制備:準(zhǔn)備物料超順排可紡絲碳納米管陣列前驅(qū)體，其特點(diǎn)是碳納米管陣列中碳納米管具有垂直于生長基底的超順排列結(jié)構(gòu)；生長基底選擇表面粗糙度小于2nm的硅或者石英基底；催化劑采用0.3-3nm厚的Fe催化劑薄膜；生長碳源氣體為乙烯或者乙炔氣體； 以準(zhǔn)備的物料進(jìn)行反應(yīng)生長，生長溫度650-760°C，生長得到超順排可紡絲碳納米管陣列，高度為100-400 μ m ； (2)干法紡絲:對步驟(I)生長得到的超順排可紡絲碳納米管陣列進(jìn)行拉膜，制備超順排單層碳納米管薄膜；超順排可紡絲碳納米管陣列中碳納米管首尾相接，形成連續(xù)薄膜；拉膜速度為0.5-lm/s ； (3)芯片表面堆疊:在目標(biāo)芯片表面堆疊步驟(2)制備得到的超順排單層碳納米管薄膜，疊加層數(shù)為1-50層，得到產(chǎn)品高取向碳納米管薄膜散熱片。
3.如權(quán)利要求2所述高取向碳納米管薄膜散熱片的制備方法，其特征是:步驟(3)中通過上下兩層薄膜中碳納米管薄膜取向夾角控制每層超順排單層碳納米管薄膜上下疊加方向，從而得到高取向碳納米管薄膜散熱片。
4.如權(quán)利要求2所述高取向碳納米管薄膜散熱片的制備方法，其特征是:在步驟(3)得到的高取向碳納米管薄膜散熱片上滴加乙醇、丙酮或乙二醇溶液的方法進(jìn)一步提高散熱片和芯片之間的接觸面積，提高散熱效果。
【文檔編號】H05K7/20GK104486934SQ201410788783
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月17日
【發(fā)明者】勇振中 申請人:華進(jìn)半導(dǎo)體封裝先導(dǎo)技術(shù)研發(fā)中心有限公司