CN101512760B - 热界面结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热界面结构(10)，具有：在热传导方向上取向的碳纳米管层(1)；分别设置在该碳纳米管层(1)的取向方向的2个端面上的金属层(2)、(3)，该热界面结构与发热体或散热体的接合部的热阻小。

Description

热界面结构及其制造方法
技术领域
本发明一般而论涉及一种热传导结构。更详细而言，本发明涉及一种能够适用于内置IC芯片的热传导模块的热界面结构。
背景技术
近年来，向高密度化发展的半导体集成电路的功率消耗量持续增大。发热量随功率的增大而增大，成为阻碍提高半导体集成电路的工作频率的一个原因。因此，为了进一步提高工作频率等，需要以更高效率冷却半导体集成电路。在用于冷却半导体集成电路的结构中，为了缓和热膨胀的影响，在半导体集成电路与散热结构(散热器)之间设置热接触材料(热界面结构)。该热界面的热阻大，占整个冷却系统的热阻的一半左右。因此，期待一种热阻尽量小的热界面结构。
鉴于这种状况，由于碳纳米管(以下称为CNT)具有高的热传导率、并且具有高的机械柔软性，所以被期待作为热接触材料来应用。在H.Ammita et.al.，“Utilization of carbon fibers in thermalmanagement of Microelectronics”，2005 10th InternationalSymposium on Advanced Packaging Materials：Processes，Propertiesand Interfaces，259(2005)中，公开了将CNT混合到油脂等中作为热接触材料(润滑油)来使用的技术。在美国专利6,965,513中，公开了利用弹性体(Elastomers)等来将取向生长的CNT固定并作为热接触材料加以利用的技术。但是，在这些公开中并没有得到实用的低热阻值。其理由是因为在与CNT接触的基板之间存在大的接触电阻。因此，需要实现CNT与基板之间的小的热阻(高的热耦合性)的方法。
非专利文献1：H.Ammita et.al.，”Utilization of carbon fibers inthermal management of Microelectronics”，2005 10th InternationalSymposium on Advanced Packaging Materials：Processes，Propertiesand Interfaces，259(2005)
专利文献1：美国专利6,965,513
发明内容
(发明所要解决的技术问题)
本发明的目的在于提供一种热阻小的热界面结构。
本发明的目的在于提供一种热传导效率高的热传导模块。
(解决技术问题所采取的技术方案)
根据本发明，提供一种热界面结构，具有：取向了的碳纳米管层；分别设置在碳纳米管层的取向方向的2个端面的金属层。
根据本发明，提供一种具有发热体、散热体、和设置在发热体与散热体之间的热界面结构的热传导模块，其中热界面结构具有：碳纳米管层，被取向为实质上平行于从发热体到散热体的方向；第一金属层，与碳纳米管层的一个端面相连接，并且与发热体热连接；第二金属层，与碳纳米管层的另一个端面相连接，并且与散热体热连接。
附图说明
图1是表示本发明的热界面结构的剖面的图。
图2是表示本发明的热传导模块的剖面的图。
图3是表示本发明的热界面结构的制造方法的一个实施例的图。
图4是表示本发明的热界面结构的制造方法的另一个实施例的图。
(附图标记说明)
1、32：CNT层；2、3、33、36：金属层；4、5：低熔点金属材料、焊接材料；6：散热器；10：热界面结构；20：热传导模块；31：Si基板；34：液体金属层；40：紫外线剥离带
具体实施方式
在本发明中，为了减小接触电阻，在CNT层表面与对置的基板等之间设置金属层。金属层是在取向生长的CNT层的表面上，例如利用溅射法等制作连续的金属层。还可以进一步使用低熔点的金属等将该金属面与其他的基板等热耦合。在本发明中，根据这些内容，来实现充分利用了CNT层的取向性、高热传导性以及机械柔软性的低热阻的热传导结构。以下，参照附图对本发明进行详细说明。
图1所示为本发明的热界面结构10的剖面。热界面结构10由CNT层1和金属层2、3构成。CNT层1被取向为实质上平行于热传导方向(在图1中为大致垂直方向)。CNT为1维性的热传导物质。CNT的管的长轴方向上的热传导率非常大，而与该长轴垂直的方向(横方向)的热传导率小。因此，在本发明中，CNT层的取向方向优选沿着CNT的管的长轴方向(平行)的方向。金属层2、3分别与CNT层1的上表面、下表面接合。金属层优选为Au、Ni或者Pt。但也可以使用Ag等其他金属。为了提高CNT层的机械强度，也可以使CNT层1的各个CNT之间包含Si弹性体等的弹性材料。
图2所示为本发明的热传导模块20的剖面。在图2中，使用了图1的热界面结构10。热界面结构的上侧的金属层2通过以附图标记4表示的低熔点金属材料(例如Ga及其合金等)或者焊接材料(例如Pb-Sn)连接到散热器6。同样，下侧的金属层3通过以附图标记5表示的低熔点金属材料或者焊接材料连接到作为发热体7的半导体集成电路(IC芯片)等。散热器6由铝等热传导性高的物质构成。IC芯片中包括微处理器单元(MPU)等。
图3所示为本发明的热界面结构的制造方法的一个实施例。在(a)中，使CNT层32在Si基板31上在垂直方向上取向生长。例如，在导入了乙炔气的热CVD容器中，将基板温度设定为750度，使CNT层生长。CNT层32的厚度为30至150μm左右。在(b)中，在CNT层32的表面形成金属层33。例如，使用溅射装置形成具有1μm左右的厚度的Au层。金属层33的厚度可以是0.5至5μm左右。该比较厚的金属层33提高热耦合性，并通过进一步提高CNT层32的机械强度来防止CNT的取向混乱。在(c)中，在金属层33的表面涂敷液体金属层34(例如Ga)。在(d)中，以液体金属层34与金属(例如铜)块35的表面接触的方式将基板31与金属块35接合。之后，将整个或者部分液体金属层34从外部冷却，使液体金属层34固化。例如，在Ga系液体金属的情况下，冷却温度小于等于约4℃。通过该固化，基板31(CNT层32)和金属块35通过液体金属层34结合起来。另外，也可以不从外部冷却，而预先准备冷却到小于等于能够将液体金属层34固化的温度的金属块35，并使液体金属层34与该金属块35的表面相接合。
在(e)中，将基板31从CNT层32剥离将两者分离开。在(f)中，从外部加热整个或者部分液体金属层34，使固化的液体金属层34熔融。然后，将CNT层32从金属块35分离。在(g)中，从金属层33的表面去除熔融了的液体金属层34。在(h)中，与(b)的情况相同地，在露出的CNT层32的表面上形成金属层36。通过以上一系列的工序，制作使用了CNT层的热界面结构。另外，也可以在(g)工序之后，在真空容器中在CNT层32的各个CNT之间浸渗Si弹性体等流动性的弹性材料。通过该弹性材料的固化可以提高CNT层32的机械强度。
图4所述为本发明的热界面结构的制造方法的另一个实施例。工序(a)和(b)与图3的情况相同。在(c)中，在金属层33的表面附着紫外线(UV)剥离带40。紫外线剥离带是一种在受到紫外线照射时，其粘接层分解并产生气体(气泡)，而能够从粘接对象剥离的粘接带。在(d)中，将基板31从CNT层32剥离以将两者分离开。在(e)中，对紫外线剥离带40照射紫外线(UV)，使其粘接层分解。在(f)中，将紫外线剥离带40从金属层33的表面剥离，以将两者分离开。此时，在剥离后的金属层的表面上存在粘接剂残渣的情况下，通过臭氧清洗等将其去除。在(g)中，与图3的工序(h)情况相同地，在CNT层32的表面上形成金属层36。通过以上一系列的工序，制作使用了CNT层的热界面结构。另外，也可以在工序(g)之后，在真空容器中使CNT层1的CNT之间浸渗Si弹性体等的弹性材料。通过该弹性材料的固化可以提高CNT层32的机械强度。
(技术效果)
对利用图3制法制作的热界面结构的热阻进行了测量。测量使用定常法。所谓定常法，一般而言是指对样本施加固定的焦耳热，根据此时的热流量Q与温度梯度ΔT来求得热传导率的方法。将面积为10×10mm、厚度为几十至一百微米的样本夹在具有热电偶的2个铜块之间。利用加热器对铜块的一端加热，而利用散热器来冷却另一端。使两端之间发生定常热流Q，测量此时的温度差ΔT。利用R＝ΔT/Q的公式求得热阻R。更详细而言，在曲线图上画出针对多个Q的ΔT，利用直线进行拟合(近似)求得热阻R。实际求得的热阻值为18mm2K/W(膜厚：80μm)。与上述文献“Utilization of carbon fibersin thermal management of Microelectronics”中使用图8的涂覆了CNT的Si时的热阻值110mm2K/W、或者使用图10的涂覆了CNT的Cu(Si)时的热阻值60mm2K/W相比，本发明的热阻值为上述值的约三分之一以下。
参照附图对本发明进行了说明。但是，本发明并不限于这些实施例。在不脱离本发明的主旨的范围内可以进行各种变形，这一点对本领域技术人员来说是不言而喻的。

Claims (6)

1.一种热界面结构的制造方法，包括：
在基板上以垂直取向的方式设置碳纳米管层的步骤；
在碳纳米管层上设置第一金属层的步骤；
将基板与碳纳米管层分离的步骤；以及
在被分离并露出的碳纳米管层的表面上设置第二金属层的步骤。
2.如权利要求1所述的制造方法，其中，
设置所述第一金属层的步骤和设置所述第二金属层的步骤中的至少一个包括利用溅射法形成金属层的步骤。
3.如权利要求1所述的制造方法，其中，
将所述基板与所述碳纳米管层分离的步骤包括：
在所述第一金属层的表面涂敷液体金属的步骤；
以所述液体金属接触所述金属块的表面的方式将金属块与所述基板接合的步骤；
将接合起来的所述基板和所述金属块冷却的步骤；
将冷却后的所述基板和所述碳纳米管层分离的步骤；以及
从分离后的所述碳纳米管层去除所述液体金属的步骤。
4.如权利要求1所述的制造方法，其中，
将所述基板与所述碳纳米管层分离的步骤包括：
在所述第一金属层的表面上附着紫外线剥离带的步骤；
将附着有所述紫外线剥离带的所述碳纳米管层与所述基板分离的步骤；以及
对分离后的所述第一金属层上的所述紫外线剥离带照射紫外线，从所述第一金属层的表面去除所述紫外线剥离带的步骤。
5.如权利要求1所述的制造方法，其中，
还包括在所述碳纳米管层的碳纳米管之间浸渗弹性材料的步骤。
6.如权利要求1至5中的任意一项所述的制造方法，其中，
所述第一和第二金属层由从Au、Ni和Pt中选择的金属构成。
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