CN101346054B - 热界面材料、其制备方法及具有该热界面材料的封装体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热界面材料，其包括碳纳米管阵列及分散于碳纳米管阵列空隙中的散热基体，所述碳纳米管阵列中的每根碳纳米管表面与散热基体之间具有一浸润膜，该浸润膜的材料选自镍、钯、铬、钛、上述两种或两种以上金属所形成的合金。另外，本发明还涉及热界面材料的制备方法，以及一种具有该热界面材料的封装体。

Description

热界面材料、其制备方法及具有该热界面材料的封装体
技术领域
本发明涉及一种散热介质，特别涉及一种热界面材料及其制备方法，以及一种具有该热界面材料的封装体。
背景技术
随着微电子产业的蓬勃发展，电子芯片的主频越来越高，线宽越来越窄，导致芯片产生的热量越来越大，因此，散热问题逐渐成为束缚芯片性能的一大障碍。研究发现，散热元件与芯片之间以及散热元件之间的界面热阻是制约散热模组散热效率的重要因素。目前，通常采用热界面材料来减小界面热阻，以提高散热元件的散热效率。
热界面材料通常是导热率相对较高，而且比较柔软的材料，用来填充芯片与散热元件之间的界面。通常的热界面材料包括导热膏和相变片，其组成通常是在有机基体中混合了高导热的金属或者陶瓷材料，从而得到较好的填隙效果和传热效果。然而，自从日本科学家Iijima于1991年发现碳纳米管，请参见“Helical microtubulesof graphitic carbon”，S Iijima，Nature，vol.354，p56(1991)，由于具备良好机械、导热及导电特性等，碳纳米管成为制备热界面复合材料的优选。以碳纳米管为填充物得到的热界面复合材料，可以显著增强热界面复合材料的机械强度及韧性，提高导热率和导电率。目前，由于金属基体较以前常用的有机基体材料具有更好的导热性能，因此碳纳米管和金属基体材料复合用于热界面材料成为主流。
然而，由于碳纳米管表面大多数的碳原子键处于饱和状态，化学性质不活泼，因此碳纳米管和大多数金属之间存在互不浸润的现象，这种现象会导致碳纳米管和金属的结合比较脆弱，从而会影响碳纳米管复合材料的导热效果。
有鉴于此，有必要提供一种碳纳米管和基体材料具有良好浸润性的热界面材料。
发明内容
以下，将以实施例说明一种热界面材料、其制备方法及具有该热界面材料的封装体。
一种热界面材料，其包括碳纳米管阵列及分散于碳纳米管阵列空隙中的散热基体，所述碳纳米管阵列中的每根碳纳米管表面与散热基体之间具有一浸润膜，该浸润膜的材料选自镍、钯、铬、钛、上述两种或两种以上金属所形成的合金。
一种封装体，其包括：芯片、集成热扩散器、热界面材料，所述热界面材料设置于芯片与集成热扩散器之间，所述热界面材料包括碳纳米管阵列及分散于碳纳米管阵列空隙中的散热基体，所述每根碳纳米管表面与散热基体之间具有一浸润膜，该浸润膜的材料选自镍、钯、铬、钛、上述两种或两种以上金属所形成的合金。
一种封装体，其包括芯片、集成热扩散器、碳纳米管阵列、浸润膜以及基体材料。所述碳纳米管阵列形成在集成热扩散器的至少一表面。所述浸润膜形成在碳纳米管阵列中的每根碳纳米管的表面，该浸润膜的材料选自镍、钯、铬、钛、上述两种或两种以上金属所形成的合金。所述基体材料形成于浸润膜的表面，并将碳纳米管阵列中的空隙填充。
一种热界面材料的制备方法，其包括步骤：在一基底上形成碳纳米管阵列；在碳纳米管表面形成至少一层浸润膜，该浸润膜的材料选自镍、钯、铬、钛、上述两种或两种以上金属所形成的合金；将一散热基体材料填充入碳纳米管表面形成有浸润膜的碳纳米管阵列的空隙中，从而得到一种热界面材料。
本技术方案所述的热界面材料相对于现有技术具有以下优点：浸润膜形成在碳纳米管的表面，一方面，浸润膜和碳纳米管的表面之间具有较好的浸润性，另一方面，浸润膜和散热基体材料之间具有较好的结合性，因此浸润膜的存在可以使得碳纳米管和散热基体之间可形成良好的结合，从而有效的提高热界面材料的导热性能。
附图说明
图1为本技术方案第一实施例的热界面材料的剖面示意图。
图2为本技术方案第二实施例的热界面材料的剖面示意图。
图3为本技术方案第三实施例的热界面材料的剖面示意图。
图4为本技术方案第四实施例的封装体的剖面示意图。
图5为本技术方案第五实施例的封装体的剖面示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例对本技术方案的热界面材料、其制备方法及具有该热界面材料的封装体进行具体说明。
如图1所示，本技术方案第一实施例提供一种热界面材料100，其包括碳纳米管阵列110，散热基体120以及浸润膜130。所述碳纳米管阵列110是由多个以阵列形成排布的碳纳米管111所形成。在碳纳米管阵列110中，相邻碳纳米管111之间存在有空隙，所述散热基体120填充在碳纳米管阵列110的空隙中。所述浸润膜130形成在每根碳纳米管111的表面和散热基体120之间。
所述浸润膜130可以为一单层浸润膜，所述单层浸润膜的材料可选自镍、钯、铬、钛、上述两种或两种以上金属所形成的合金。所述浸润膜130也可以为多层浸润膜，该多层浸润膜中每一层浸润膜的材料可选自镍、钯、铬、钛、上述两种或两种以上金属所形成的合金。
散热基体120可以为低熔点金属材料，如铟、汞、或者此类金属所形成的合金。也可以为高熔点金属材料，如铜、钛、或者此类金属所形成的合金。当然散热基体120也可以为高导热有机物如散热膏。
如图2所示，本技术方案第二实施例提供一种热界面材料200，其与第一实施例的热界面材料100结构基本相同，不同之处在于：热界面材料200中的碳纳米管阵列210的至少一端伸出于散热基体220，且浸润膜230仅形成在碳纳米管211的表面与散热基体220相接触的界面处，即，碳纳米管阵列210所伸出的碳纳米管211的表面没有形成浸润膜230。本实施例中，碳纳米管阵列210的两端均未被散热基体220所覆盖。
如图3所示，本技术方案第三实施例提供一种热界面材料300，其包括散热基体320及分散于所述散热基体320中的多个表面包裹有浸润膜330的碳纳米管311。
优选地，所述多个表面包裹有浸润膜330的碳纳米管311以阵列形式排布，从而形成碳纳米管阵列310。在该碳纳米管阵列310中，相邻的包裹有浸润膜330的碳纳米管311之间存在空隙，散热基体320填充在碳纳米管阵列310的空隙中后便得到热界面材料300。
优选地，碳纳米管阵列310的至少一端伸出于散热基体320，由于每根碳纳米管311的表面形成有浸润膜330，因此，伸出散热基体320的碳纳米管311的表面仍存在有浸润膜330。本实施例中，碳纳米管阵列310的两端均伸出于散热基体320。
对于上述三个实施例中的热界面材料来说，浸润膜和碳纳米管的表面之间具有较好的浸润性，同时浸润膜和散热基体材料之间具有较好的结合性，因此浸润膜的存在可以使得碳纳米管和散热基体之间可形成良好的结合，从而有效的提高热界面材料的导热性能。
如图4所示，本技术方案第四实施例提供一种封装体400，其包括芯片410，集成热扩散器420以及热界面材料430。所述热界面材料430可采用第一实施例中的热界面材料100，或者第二实施例中的热界面材料200，或者第三实施例中的热界面材料300作为热界面材料430。本实施例的封装体400中，热界面材料430包括碳纳米管阵列431，浸润膜433以及散热基体432。所述碳纳米管阵列431形成在集成热扩散器420的至少一表面上，例如，碳纳米管阵列431直接生长在集成热扩散器420靠近芯片410的表面上。所述浸润膜433形成在碳纳米管阵列431中的每根碳纳米管的表面，本实施例中，浸润膜433为一层钯金属膜。所述散热基体432形成在浸润膜433的表面，并将包覆有浸润膜433的碳纳米管阵列431中的空隙填充，本实施例中，散热基体432为铟。由于浸润膜433和碳纳米管的表面具有较好的浸润性，同时和散热基体材料432具有较好的结合性，因此浸润膜433的存在可以使得碳纳米管和散热基体材料432之间可形成良好的结合，从而有效的提高热界面材料430的导热性能。
本技术方案第五实施例提供另一种封装体500，其与第四实施例的封装体400的结构基本相同，不同之处在于：封装体500的热界面材料530包括碳纳米管阵列531，散热基体532，第一浸润膜533以及第二浸润膜534。所述第一浸润膜533形成在碳纳米管阵列531的碳纳米管表面，第二浸润膜534形成在第一浸润膜533的表面。碳纳米管阵列531中，形成第一浸润膜533及第二浸润膜534的相邻碳纳米管之间仍然存在空隙，所述散热基体532填充在该空隙中。本实施例中，所述第一浸润膜533的材料为钯，第二浸润膜534的材料为镍。
本技术方案第六实施例提供一种热界面材料的制备方法，其包括步骤：在一基底上形成碳纳米管阵列；在碳纳米管表面形成至少一层浸润层；将一散热基体材料填充入碳纳米管表面形成有浸润膜的碳纳米管阵列的空隙中，从而得到一种热界面材料。
下面以制作第五实施例中的封装体400为例，具体说明封装体的制备方法，同时对热界面材料的制备方法进行说明。
结合图4，第一步，提供芯片410，集成热扩散器420。
第二步，以集成热扩散器420作为基底，在集成热扩散器420的一个表面上利用化学气相沉积法生长碳纳米管阵列431。
第三步，在碳纳米管阵列431中的碳纳米管表面形成至少一层浸润膜433。具体形成方法可以为化学沉积法、物理沉积法、电镀法或化学镀法，浸润膜433的厚度可根据制程进行控制。
第四步，在包覆浸润膜433的碳纳米管之间的空隙中填充散热基体432，从而得到由碳纳米管阵列431、浸润层433以及散热基体432组成的热界面材料430。散热基体432的填充方法可以为化学沉积法、物理沉积法、电镀法、化学镀法或熔铸法。
第五步，将上述第一步至第四步所得到的形成在集成热扩散器420上的热界面材料430与芯片410进行组装便可得到封装体400。具体组装方法可以通过导热胶将热界面材料430的表面和芯片410连接在一起；也可以利用焊料将热界面材料430的表面和芯片410结合在一起。
上述第一步至第四步为热界面材料430的制备方法，为了使得热界面材料430与芯片410能够较好的结合，可以处理热界面材料430，使其中的碳纳米管阵列431的至少一端可以从散热基体432中伸出。使得碳纳米管阵列431露出的方法包括机械抛光法、化学-机械抛光法、湿化学蚀刻法、电化学蚀刻法、电浆蚀刻法。
另外，当集成热扩散器420为一个单纯的用于制备热界面材料430的基底时，可以将热界面材料430从集成热扩散器420上移去，然后处理热界面材料430的两个相对表面，使得碳纳米管阵列431的两端均从散热基体432中伸出。
可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思做出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (11)

1.一种热界面材料，其包括碳纳米管阵列及分散于碳纳米管阵列空隙中的散热基体，其特征在于，所述碳纳米管阵列中的每根碳纳米管表面与散热基体之间具有一浸润膜，该浸润膜的材料选自镍、钯、铬、钛、上述两种或两种以上金属所形成的合金。
2.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述浸润膜为一单层浸润层。
3.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述浸润膜为一多层浸润层。
4.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述碳纳米管阵列的至少一端伸出于散热基体。
5.一种封装体，其包括：芯片、集成热扩散器、热界面材料，所述热界面材料设置于芯片与集成热扩散器之间，其特征在于，所述热界面材料为权利要求1至4中任一项所述的热界面材料。
6.一种封装体，其包括：
一芯片；
一集成热扩散器；
一碳纳米管阵列，其形成在集成热扩散器的至少一表面；
一浸润膜，其形成在碳纳米管阵列中的每根碳纳米管的表面，该浸润膜的材料选自镍、钯、铬、钛、上述两种或两种以上金属所形成的合金；以及
一散热基体，其形成于浸润膜的表面，并将碳纳米管阵列中的空隙填充。
7.一种热界面材料的制备方法，其包括步骤：
在一基底上形成碳纳米管阵列；
在碳纳米管表面形成至少一层浸润膜，该浸润膜的材料选自镍、钯、铬、钛、上述两种或两种以上金属所形成的合金；
将一散热基体材料填充入碳纳米管表面形成有浸润膜的碳纳米管阵列的空隙中，从而得到一种热界面材料。
8.如权利要求7所述的热界面材料的制备方法，其特征在于，采用化学沉积法、物理沉积法、电镀法或化学镀法在碳纳米管表面形成至少一层浸润层。
9.如权利要求7所述的热界面材料的制备方法，其特征在于，采用化学沉积法、物理沉积法、电镀法、化学镀法或熔铸法将散热基体材料填充入表面形成有浸润膜的碳纳米管阵列的空隙中。
10.如权利要求7所述的热界面材料的制备方法，其特征在于，进一步对所得到的热界面材料的表面进行处理，使得表面形成有浸润膜的碳纳米管阵列至少一端伸出散热基体。
11.如权利要求10所述的热界面材料的制备方法，其特征在于，采用机械抛光法、化学-机械抛光法、湿化学蚀刻法、电化学蚀刻法或电浆蚀刻法对所得到的热界面材料的表面进行处理，使得表面形成有浸润膜的碳纳米管阵列至少一端伸出散热基体。
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