CN101609802B

CN101609802B - 一种低热阻热界面制备方法

Info

Publication number: CN101609802B
Application number: CN 200910062842
Authority: CN
Inventors: 陈明祥; 刘胜
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2009-06-23
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2029-06-23
Also published as: CN101609802A

Abstract

本发明提出了一种低热阻热界面制备方法，首先在衬底上制备定向生长碳纳米管(VACNT)，然后对VACNT进行改性和磁化，接着通过磁对准提高VACNT与目标衬底间的接触几率，最后利用键合技术实现VACNT与目标衬底间的键合。由于磁力和压力的共同作用，VACNT与目标衬底间形成了保形接触，从而有效降低了界面接触热阻。本发明解决了VACNT直接作为热界面材料的难题，为纳米封装与互连、低热阻封装技术研发开辟了新思路，对促进光电集成技术发展和功率器件的研发具有推动作用。

Description

一种低热阻热界面制备方法

技术领域

本发明涉及低热阻封装技术领域，尤其涉及一种应用定向生长碳纳米管直接作为热界面材料的低热阻热界面制备方法。

背景技术

半导体技术一直沿着微型化、集成化的方向发展。以电脑CPU芯片为例，目前单个芯片内的晶体管数已超过10亿，而其互连线尺寸却只有几十纳米。电子元件的超微型化和高集成化，对其系统散热性能提出了新的挑战：一方面，微型化使器件总体尺寸越来越小，加工特征尺寸也不断减小。微纳器件与系统在运动时产生的高热流密度，极易导致散热不良，成为制约其发展的首要问题；另一方面，随着封装集成度的不断提高，特别是采用系统封装(SiP)和芯片堆叠等三维集成技术，使器件单位体积内的发热量大大增加，系统温度也随之升高，直接影响到器件性能，甚至导致器件损坏；此外，高温还导致系统中由于材料热膨胀系数不匹配而产生热应力，影响系统的可靠性。由于电子器件通常工作在高热流密度和小温差的环境下，系统散热已成为直接影响元器件工作性能、使用寿命，以及阻碍芯片微型化和系统集成化的关键问题。

同时，功率型器件(如热控开关、固态激光器，大功率发光二极管等)的散热问题也日益突出。研究表明，发光二极管(LED)的寿命随着芯片结温的增加成指数下降。由于输入电功率的80％-90％转化为热量，且LED芯片面积小(一般为1mm²)，功率密度高(超过100W/cm²)，由于散热不良导致的pn结温度升高，将严重影响到LED的发光波长、光强、光效和使用寿命。因此，芯片散热成为大功率LED封装必须解决的首要问题。

热界面材料(Thermal Interface Material，TIM)作为一种广泛用于IC封装和电子散热的材料，主要用于填充材料界面接触时产生的微小间隙，增强界面热传导，降低界面热阻，如图1所示，其中11，12为上下衬底，13为界面热流，14为空气，15为热界面材料。随着芯片发热量和封装集成度的提高，热流量不断增加，热界面材料在电子封装散热方面所扮演的角色也越来越突出。常用的热界面材料包括导热胶、导热硅脂、相变材料和焊膏等。近年来，由于微纳米技术的发展，掺加微米或纳米填充粒子的导热胶技术发展很快，填充材料主要包括石墨(C)、AlN、SiC、BN、Al₂O₃、Ag颗粒等。研究表明，导热胶的性能主要取决于填充材料的热导率、填充率、填充粒子大小、形状与级配等。一般填充率越高，导热胶的体热导率越大(目前最高热导率可达60W/mK以上)。但由于导热胶呈膏状，使用时容易污染粘合面，且耐高温性能差，在微纳器件封装中受到很大限制。

由于碳纳米管(CNT)具有热导率高(单壁CNT轴向热导可达3000-6000W/mK)、高温稳定性好(可长期耐受300℃以上高温)、易于填充微小间隙等特性，使其成为一种非在常理想的热界面材料(TIM)。大体而言，目前应用CNT制备TIM主要有三种技术途径。首先，由于CNT具有热导率高，长径比大(可达1000以上)，特别适合作为填充材料提高复合材料的热导率，如图2(a)所示，其中11、12为上，下衬底，16为碳纳米管(CNT)，17为聚合物材料。研究表明，低掺量时，复合材料热导率与CNT掺量成非线性关系。原因在于具有高长径比的CNT间相互作用强，很容易在聚合物内形成渗流网络，加强了热传导。但对于高CNT掺加量，复合材料热导率大大低于根据CNT热导率和填充率的计算值。原因在于：1)由于CNT随机分布，只有极少部分CNT参与了热传导；2)CNT与基体材料间存在声失配效应以及界面粘结力低，界面接触热阻较大。因此，即使采用定向生长CNT再填充聚合物材料的方式(如图2(b)所示，18为定向生长的碳纳米管，12为下衬底即碳纳米管生长衬底，11为上衬底即目标衬底)，由于同样存在大的界面接触热阻，复合材料的总体热导率值仍然较低。

有鉴于此，研究人员将目光转向垂直定向生长CNT(Vertical AlignedCNT，VACNT)直接作为TIM方向上，如图2(c)。目前，采用化学气相沉积(CVD)技术已经实现了CNT在硅或铜衬底上的可控、定向和高密度生长。基于VACNT的散热技术正成为碳纳米管技术和低热阻封装的研究热点。但大量研究表明，采用定向生长CNT直接作为TIM，其导热效果也并不明显，原因主要有两点：1)由于生长缺陷和管间相互作用强，定向生长CNT束的有效热导率低；2)定向生长CNT与上下衬底间的界面接触热阻大。因此，虽然早在2003年即有定向生长CNT作为TIM的研究报道，但由于生长高度不同以及存在端部缠绕(如图3)，作为TIM的VACNT中只有极少部分通过桥连上下界面参与了热传输(如图4，18为VACNT，12为VACNT生长衬底，11为目标衬底)。有研究表明，只有不到1％的CNT实现了上下互连，其余大量CNT根本没有接触到目标衬底，导致界面接触热阻很高。近年来虽然提出了一些改进措施，包括采用金属中间层技术(如图5，12为VACNT生长衬底，18为VACNT，19为VACNT上部沉积的金属薄膜)、低温焊料技术、相变材料辅助技术、电场辅助键合技术、化学表面改性技术等，虽然一定程度上降低了CNT与目标衬底间的界面热阻，但效果并不十分明显。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于定向生长CNT的低热阻界面制造方法，有效降低CNT与目标衬底间的界面热阻。

一种低热阻热界面制备方法，首先在生长衬底上制备出定向生长碳纳米管，然后对碳纳米管磁化，接着通过磁对准提高碳纳米管与目标衬底间的接触几率，最后完成碳纳米管与目标衬底间的键合。

作为改进，在对定向生长碳纳米管磁化前采用水蒸汽对定向生长碳纳米管顶部进行刻蚀。

作为进一步改进，按照如下方式对碳纳米管磁化：在定向生长碳纳米管顶部沉积磁性材料层，再对其作高温热处理直到碳纳米管顶端形成磁性颗粒。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：通过磁对准提高CNT与目标衬底间的接触几率(便于形成保形接触，使大多数CNT都参与热传导)，同时在键合压力和温度作用下，提高界面粘结强度，从而大大降低了界面接触热阻，满足了电子器件散热要求。本发明工艺简单，可实施性强，易于推广。

附图说明

图1为热界面材料填充示意图，图1(a)为两衬底间无热界面材料填充示意图，图1(b)为两衬底间填充热界面材料示意图；

图2为应用CNT制备热界面材料的三种方式示意图，

图3为定向生长CNT端部缠绕示意图；

图4为现有技术中CNT与目标衬底接触示意图；

图5为现有技术中采用铜中间层降低界面热阻技术示意图；

图6为本发明整体流程示意图，图6(a)为流程效果示意图，图6(b)为流程详细步骤示意图；

图7为本发明实施例一中磁铁对准示意图；

图8为本发明实施例一中热压键合示意图；

图9为本发明实施例二中电磁对准示意图；

图10为本发明实施例二中电磁对准与焊料键合示意图。

具体实施方式

图6给出了本发明流程以及效果示意图。下面结合实施例和附图具体描述本发明。

实施例一

1.催化剂沉积：采用原子层沉积(ALD)技术在铜衬底21上沉积10纳米厚Ni或Fe层，作为CNT生长的催化剂层22；

2.催化剂裂化：采用高温退火工艺，温度为650℃，使催化剂层22裂化为催化剂颗粒23；

3.碳纳米管生长：采用化学气相沉积(CVD)技术，在铜衬底21上制备出定向生长碳纳米管(VACNT)18，其直径为20纳米左右，厚度为20微米左右；

4.VACNT改性：采用水蒸汽刻蚀技术，去除VACNT 18顶端残留的催化剂颗粒23，同时降低VACNT的顶端缠绕；

5.沉积磁性材料层：沉积技术包括蒸发、溅射、原子层沉积(ALD)等薄膜沉积技术，磁性材料层为Ni或Fe或Co或上述任意一种金属的合金或其组合，沉积时衬底需倾斜放置，倾斜角度为45°～80°，磁性材料层沉积厚度为10～45纳米。本实施例采用热蒸发技术，具体为：将生长有VACNT的铜衬底21倾斜75°，采用热蒸发技术在VACNT顶端依次沉积Ti膜(3纳米厚)和Ni膜25(15纳米厚)，然后将铜衬底21旋转，再次沉积15纳米厚的Ni膜(Ni膜总厚度为30纳米)，从而在VACNT顶端形成均匀厚度的磁性材料层25。

6.热处理：将VACNT 18上沉积磁性材料层后的铜衬底21置于高温真空退火炉中，升温速度为15℃/分钟，最高温度为600℃，保温3分钟，然后自然冷却，从而在VACNT 18顶部形成磁性材料颗粒26。

7.磁铁对准：如图7，将铜衬底21置于磁铁块27正下方，在磁场28作用下，VACNT 24顶端的磁性颗粒26受到磁力作用，使VACNT 18相互平行；

8.热压键合：如图8，在目标硅衬底29下表面沉积镍和金层30(其中镍层厚度为20纳米，金层厚度为2微米)后，将其置于铜衬底21上方，然后一起置于磁铁块27正下方。在加热板31和压力P的共同作用下，VACNT 18与目标硅衬底29下表面的金层30实现热压键合。其中，加热板温度为300℃(保温30分钟)，键合压强为0.3MPa。

9.停止加热，冷却至室温后，卸载压力P，取出键合后的衬底片，完成操作。

热性能测试表明，采用该技术后，由于定向生长CNT与上部硅衬底间的接触几率增加了一个量级，其界面总热阻低于5Kmm²/W。

实施例二

1.生长碳纳米管的铜衬底21换成硅衬底33，其他VACNT磁化过程与实施例一相同，包括催化剂沉积与裂化、碳纳米管生长和改性、磁性材料层沉积与热处理；

2.电磁对准：参见图9，将生长有VACNT18的硅衬底33置于感应线圈34正中间，开启高频电源35，在电磁场36作用下，VACNT 18顶端的磁性颗粒26受到磁力作用，使VACNT 18相互平行；

3.焊料键合：在氮化镓(GaN)衬底37下表面沉积金属钛和锡层38(其中钛层厚度为20纳米，锡层厚度为5微米)后，将其置于生长有VACNT24的硅衬底33上方，然后一起置于感应线圈34正中间，参见图10。开启高频电源35，在锡层38感应加热和压力P的共同作用下，VACNT18与氮化镓衬底37下表面的锡层38实现焊料键合。其中，焊料层温度为200℃左右，加热时间为3分钟，键合压强为0.1MPa。

4.关闭高频电源35，冷却至室温后，卸载压力P，取出键合后的衬底片，完成操作。

热性能测试表明，采用该技术后，定向生长CNT与上部氮化镓衬底间的接触几率增加了一个量级，其界面总热阻低于5Kmm²/W。

Claims

1.一种低热阻热界面制备方法，首先在生长衬底上制备出定向生长碳纳米管，然后在定向生长碳纳米管顶部沉积磁性材料层，再对其作高温热处理直到碳纳米管顶端形成磁性颗粒，接着通过磁对准提高碳纳米管与目标衬底间的接触几率，最后完成碳纳米管与目标衬底间的键合。

2.根据权利要求1所述的低热阻热界面制备方法，其特征在于，在对定向生长碳纳米管磁化前采用水蒸汽对定向生长碳纳米管顶部进行刻蚀。

3.根据权利要求1所述的低热阻热界面制备方法，其特征在于，沉积时生长衬底需倾斜放置，倾斜角度为45^o~80^o，磁性材料层沉积厚度为10~40纳米。

4.根据权利要求1或2或3所述的低热阻热界面制备方法，其特征在于，所述磁对准为电磁对准或磁铁对准。

5.根据权利要求1或2或3所述的低热阻热界面制备方法，其特征在于，所述磁性材料层为Ni或Fe或Co或上述任意一种金属的合金或其组合。