CN101764108A - 微型散热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微型散热器，包括碳纳米管阵列层、金属锚区层，与碳纳米管垂直的碳纳米管阵列端面与金属锚区相接触，在金属锚区与碳纳米管接触的表面设有与碳纳米管阵列端面润湿的金属浸润层。所述金属浸润层与碳纳米管阵列之间反应形成金属碳化物。本发明通过在金属浸润层与碳纳米管之间反应形成金属碳化物，从而使得金属浸润层与碳纳米管之间具有更好的过渡晶体结构，与润湿状态的金属浸润层与碳纳米管之间的界面相比，能够进而进一步降低声子和电子等热载流子的散射，从而进一步降低碳纳米管与热源之间的接触热阻。

Description

微型散热器

技术领域

本发明涉及一种散热器，尤其涉及一种微型散热器。

背景技术

由于集成电路芯片工作时在非常小的空间内进行运算处理，必将产生相当多的热量，因此所产生的热量必须通过适当的方式散出，以避免集成电路芯片因过热导致运算处理错误，甚至严重时造成硬件电路的损毁。因此，封装中的散热问题就越发关键。随着半导体集成电路不断改进、发展，其功能不断提高的同时，体积不断减小，密集程度不断增加，封装尺寸也不断变小。

采用金属热沉或者热管散去微处理器中的热量，取得了较好的效果。然而现有的散热器，如金属散热翅片、热管等，体积较大，容易导致整个封装体的体积增大，难以适应对于要求更小封装体积场合的需求。因此迫切需要一种封装体积更小，散热效率更高的散热器。

电流的传递通常通过量子隧道效应，对于传递介质之间的距离要求较低；而热量的传递在碳纳米管中通常主要通过声子传递。碳纳米管具有较高的热导率(缺陷较少的碳纳米管的热导率可望达到3000W/m.k以上)，现有技术在生长片上沉积金属催化剂(铁、钴、镍，同时作为碳纳米管生长的催化剂)生长出碳纳米管阵列，同时将生长出的碳纳米管用作热沉，然而由于碳纳米管阵列与金属催化剂之间结合的机械强度较低，因而实质上碳纳米管阵列难以作为散热器直接应用，另一方面，由于较弱的结合同时导致较高的接触热阻，使得热源的热量难以通过生长片传递到碳纳米管阵列上；现有技术还运用聚合物或者焊剂将碳纳米管固定在衬底上，然而聚合物的热导率较低，导致界面热阻较高；焊剂在加热过程中往往容易被碳化而形成一层无定型碳，大大增加了界面热阻，从而使得热源的热量无法传递到碳纳米管阵列上；碳纳米管在于流体换热时容易脱离生长片。

发明内容

本发明提供一种体积小、散热效率高、界面热阻小的碳纳米管阵列微型散热器。

本发明的采用如下技术方案：一种微型散热器，包括碳纳米管阵列层、金属锚区层，与碳纳米管垂直的碳纳米管阵列端面与金属锚区相接触，在金属锚区与碳纳米管接触的表面设有与碳纳米管阵列端面润湿的金属浸润层。

上述技术方案中，金属浸润层为钛、钨、铝或铬中的一种；为进一步降低金属浸润层与碳纳米管之间的界面热阻，所述金属浸润层与碳纳米管之间反应形成金属碳化物。所述金属浸润层为钨，所述金属碳化物对应为碳化钨。所述金属浸润层为钛，所述金属碳化物对应为碳化钛。所述金属浸润层的厚度为0.01-0.3微米。所述金属浸润层的厚度0.05-0.1微米。所述金属锚区包括镍层和金层，镍层的厚度为0.05微米-0.3微米，金层厚度为0.02微米-0.4微米，其中镍层与金属浸润层邻接。

本发明获得如下技术效果：

1.本发明因为碳纳米管具有较小的尺寸从而使得最后散热器整体的尺寸较小；

碳纳米管阵列具有较大的比表面积和高的热导率使其具有散热效率高的特点。由于声子或者电子为热载流子在界面处产生较大的散射，该散射随着界面失配度的增加而增大，从而导致接触热阻变大。本发明在金属锚区与碳纳米管阵列的一个端面的界面上采用金属浸润层由于与碳纳米管具有很好的润湿性，使得该界面具有较好的匹配性且接触面积较大，因而该散热器具有较低的界面接触热阻和良好的导热性能。金属锚区的另一面与热源接触。采用金属锚区与金属浸润层配合使得碳纳米管阵列与热源之间能够产生更好的热接触，使得接触热阻较小，因而热量更能快速传导到碳纳米管阵列上。然后利用微流体与碳纳米管的换热作用带走热量。

2.本发明通过在金属浸润层与碳纳米管之间反应形成金属碳化物，从而使得金属浸润层与碳纳米管之间具有更好的过渡晶体结构，与润湿状态的金属浸润层与碳纳米管之间的界面相比，能够进而进一步降低声子和电子等热载流子的散射，从而进一步降低碳纳米管与热源之间的接触热阻。

3.本发明选用的金属浸润层包括钛、钨、铝或铬，它们具有与碳纳米管较好的润湿性，同时具有与碳纳米管反应形成碳化物的能力。其中钨作为金属浸润层与碳纳米管阵列的润湿效果最好，能够有效降低热阻。此外，在反应形成碳化物的条件下，形成碳化钨的速度较慢，反应形成碳化物的厚度最容易控制，不至于因为碳化物的完全消耗而导致与金属锚区层脱离引起界面失配，进而导致更大的界面热阻。此外，碳化钨的导热系数最大，为121W/m.k，而碳化钛只有31.8W/m.k，因而相对于其它金属碳化物，由材料碳化钨本身造成的热阻也最小。

4.控制金属浸润层的厚度为0.01-0.3微米。厚度越大，材料本身造成的热阻越高。但是由于沉积金属时难以保证厚度均匀，一部分金属甚至沉积进入碳纳米管阵列内部，因此沉积厚度如果太小，金属难以将碳纳米管阵列的端部全部覆盖，不利于利用浸润金属降低碳纳米管阵列与热源的接触热阻。

5.本发明利用金属锚区对碳纳米管阵列进行机械固定，由于金属锚区本身是导热率较高的材料，因而造成的热阻较低。另外，金属锚区还与热源相接触，因此金属锚区的表面应该具有抗氧化的效果。金属锚区的金层具有最好的抗氧化的效果，从而避免了使用其他金属导致形成氧化物而增加额外的热阻。此外，在使用低熔点金属将本发明的微型散热器安装于热源表面时，金的使用可以使得安装时避免因使用助焊剂而形成污染。金属锚区与金属浸润层接触的含有镍层，在金层被低熔点金属如锡合金(譬如锡银铜合金，牌号为SAC305)消耗以后，能够与低熔点金属具有较慢的反应速度，从而避免因反应速度过快而导致低熔点金属从碳纳米管表面剥离。

6.本发明散热器所使用碳纳米管及金属锚区都是高导热材料，因而散热效果较好。

附图说明

图1本发明结构示意图

图2本发明具有反应形成的碳化物层的结构示意图

图3本发明碳纳米管阵列表面沉积金属后样品表面SEM图

图4本发明的反应形成碳化物后的XRD图(小角度衍射，慢扫描)

图5本发明所使用的碳纳米管阵列样品SEM图

具体实施方式

实施例1

一种微型散热器，包括碳纳米管阵列层、金属锚区层，与碳纳米管垂直的碳纳米管阵列端面与金属锚区相接触，在金属锚区与碳纳米管接触的表面设有与碳纳米管阵列端面润湿的金属浸润层。

上述技术方案中，金属浸润层为钛、钨或铬中的一种，这些金属与碳纳米管阵列端面的润湿性较好。为进一步降低金属浸润层与碳纳米管阵列端面之间的界面热阻，所述金属浸润层与碳纳米管之间反应形成金属碳化物。碳纳米管阵列中碳纳米管的纵向平均长度为1-200微米，例如可以选取为：1微米，10微米，25微米，40微米，50微米，75微米，90微米，100微米，115微米，120微米，150微米，165微米，170微米，180微米，190微米，195微米，可以为单壁或者两壁以上的多壁碳纳米管；所述金属浸润层为钨，所述金属碳化物对应为碳化钨。所述金属浸润层为钛，所述金属碳化物对应为碳化钛。所述金属浸润层的厚度为0.01-0.3微米，例如可以选取为0.02微米，0.04微米，0.05微米，0.08微米，0.1微米，0.15微米，0.2微米。所述金属浸润层的厚度0.05-0.1微米。所述金属锚区包括镍层和金层，镍层的厚度为0.05微米-0.3微米，镍层厚度可以选取为：0.08微米，0.10微米，0.15微米，0.2微米，0.25微米，金层厚度为0.02微米-0.4微米，例如可以选取为0.03微米，0.05微米，0.08微米，0.10微米，0.15微米，0.2微米，0.25微米，0.3微米，0.35微米，其中镍层与金属浸润层邻接。金属锚区还包括低熔点金属，低熔点金属与金层邻接。低熔点金属可以是锡合金，铋合金等，低熔点金属为锡银铜，例如牌号为SAC305的合金，可以是Bi58Sn42合金。在锚区的各层中，金属浸润层与金层之间还可以是铜、坦等金属，厚度为0.05微米-0.3微米。在使用时，首先，在生长片上生长碳纳米管阵列，然后在碳纳米管自由端面沉积金属锚区，首先沉积与碳纳米管阵列端面润湿的金属，如钛、铝、钨中的一种，然后再沉积其它金属层，例如镍层、金层，镍层用于与低熔点金属润湿(低熔点金属是在将碳纳米管安装于芯片时用于连接碳纳米管阵列的金属锚区与芯片时使用)，同时镍层与低熔点金属具有较慢的反应速度从而使得界面不至于因润湿层镍层的消耗尽而分层，而金层用于抗氧化作用，与低熔点金属互连时连接方便。例如首先在碳纳米管阵列表面沉积100纳米的钛，然后依次沉积200纳米的镍和200纳米的金，其中金作为与其它金属连接的抗氧化层。将上述碳纳米管散热器放置在真空或氮气或者氢气保护的炉中加热到900摄氏度，保温5小时。或者，将上述碳纳米管散热器放置在微波中加热，微波的功率为500W，频率为6GHz，处理时间为400秒，均可对上述碳纳米管散热器进行热处理形成所述的碳化物。微波处理处理碳纳米管可达到1000摄氏度以上左右的高温，在处理时可明显观察到炫目的亮色。处理后用X射线对其表面进行小角度衍射分析，结果表明生成了碳化物(碳化钛，碳化钨，碳化铝)。附图所示的样品的XRD衍射图谱，表明有碳化钛晶体结构的形成。碳化钛的形成使得碳纳米管阵列和金属锚区之间过渡区形成了过渡晶体结构(碳化钛晶体)，因而相对于空隙，界面导热的声子散射得到了极大的降低，从而界面热阻得到了大大的降低。

实施例2

一种微型散热器，包括碳纳米管阵列、金属浸润层和金属锚区，金属浸润层处于碳纳米管阵列的端面与金属锚区之间，金属浸润层与碳纳米管阵列浸润接触，金属浸润层与金属锚区之间通过化学键连接。上述技术方案中，碳纳米管阵列中碳纳米管的平均长度为150微米，金属浸润层为铬，厚度为100nm，金属锚区贴近钛的为镍层，厚度为200nm，然后为金层，厚度为200nm。在使用时，在生长片上生长碳纳米管阵列，然后在碳纳米管自由端沉积金属，首先沉积100纳米的钛，然后依次沉积200纳米的镍和200纳米的金，其中金作为与其它金属连接的抗氧化层。然后将上述碳纳米管散热器放置在真空、氮气或者氢气保护的炉中加热到1000摄氏度，保温5小时。或将上述碳纳米管散热器放置在微波中加热，微波的功率为500W，频率为6GHz，处理时间为200妙，可对上述碳纳米管散热器进行热处理形成所述的碳化物。微波处理处理碳纳米管可达1000摄氏度以上左右的高温，在处理时可明显观察到高亮色。如此完成热处理。

在应用上述碳纳米管散热器时，可将上述碳纳米管散热器通过低熔点金属，SnAgCu合金、BiSn合金，这里选用SAC305，将其焊接到硅芯片的表面，其中硅表面可以沉积钛、镍、金用以形成与硅芯片连接。

实施例2

一种微型散热器，包括碳纳米管阵列、金属浸润层和金属锚区，金属浸润层处于碳纳米管阵列的端面与金属锚区之间，金属浸润层与碳纳米管阵列浸润接触，金属浸润层与金属锚区之间通过化学键连接。

上述技术方案中，碳纳米管阵列中碳纳米管的平均长度为50微米，金属浸润层为钛，厚度为100nm，金属锚区贴近钛的为镍层，厚度为200nm，然后为金层，厚度为200nm。在使用时，首先，在生长片上生长碳纳米管阵列，然后在碳纳米管自由端沉积金属，首先沉积100纳米的钛，然后依次沉积200纳米的镍和200纳米的金，其中金作为与其它金属连接的抗氧化层。

然后将上述微型散热器放置在真空或氮气或者氢气保护的炉中加热到900摄氏度，保温5小时。或者，将上述碳纳米管散热器放置在微波中加热，微波的功率为500W，频率为6GHz，处理时间为200妙，均可对上述碳纳米管散热器进行热处理形成所述的碳化物。还可选用微波处理处理碳纳米管可达到1000摄氏度以上左右的高温，在处理时可明显观察到高亮色。如此完成热处理。

在应用上述碳纳米管散热器时，可将上述微型热器通过低熔点金属，SnAgCu合金、BiSn合金，这里选用SAC305，将其焊接到硅芯片的表面，其中硅表面可以沉积钛、镍、金用以形成与硅芯片连接。

实施例3

一种微型散热器，包括碳纳米管阵列、金属浸润层和金属锚区，金属浸润层处于碳纳米管阵列的端面与金属锚区之间，金属浸润层与碳纳米管阵列浸润接触，金属浸润层与金属锚区之间通过化学键连接。

上述技术方案中，碳纳米管阵列中碳纳米管的平均长度为20微米，金属浸润层为钨，厚度为100nm，金属锚区贴近钛的为镍层，厚度为200nm，然后为金层，厚度为200nm。在使用时，首先，在生长片上生长碳纳米管阵列，然后在碳纳米管自由端沉积金属，首先沉积100纳米的钛，然后依次沉积200纳米的镍和200纳米的金，其中金作为与其它金属连接的抗氧化层。

然后将上述碳纳米管散热器放置在真空或氮气或者氢气保护的炉中加热到900摄氏度，保温5小时。或者，将上述碳纳米管散热器放置在微波中加热，微波的功率为500W，频率为6GHz，处理时间为200妙，均可对上述碳纳米管散热器进行热处理形成所述的碳化物。还可选用微波处理处理碳纳米管可达到1000摄氏度以上左右的高温，在处理时可明显观察到高亮色。如此完成热处理。

在应用上述碳纳米管散热器时，可将上述碳纳米管散热器通过低熔点金属，SnAgCu合金、BiSn合金，这里选用SAC305，将其焊接到通的表面，其中铜表面需要用助焊剂，以清除氧化物。

实施例4

碳纳米管阵列样品制备：

本发明碳纳米管阵列为单壁、双壁或者多壁碳纳米管阵列中的一种或多种。所述碳纳米管阵列可用化学气相沉积法，具体包括以下步骤：首先提供一个平整的衬底，该衬底可选用P型或N型硅衬底，或选用形成有氧化层的硅衬底，本实施例选用1平方厘米硅衬底；然后，在衬底表面均匀形成一层催化剂层，催化剂材料可选用铁、钴、镍或其任意组合的合金之一；再将上述形成有催化剂层的衬底在700-900摄氏度的空气中退火30-90分钟；将处理过的衬底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500-740摄氏度，然后通入碳源气体反应约5-30分钟，生长得到碳纳米管阵列，其高度为1-200微米。其长度的大小可通过反应时间控制的长短来控制。该碳纳米管阵列中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形成阵列。实施例中，碳源气体可以选用乙炔、乙烯、甲烷等探亲化合物，优选乙炔，保护气体为氮气或惰性气体，本实施例优选的保护气体为氩气。

使用扫描电镜对所述碳纳米管阵列进行表征，多壁碳纳米管的长度约40微米，适合本发明使用的范围在1-200微米。该长度能够使得散热器具有较小的体积，同时具有较大的表面积。

PECVD制备碳纳米管方法具体如下：

PECVD系统：等离子源(DC、射频、DC辅助的热丝、微波和电感耦合的等离子反应器)，匹配的网络、其他能量耦合成分、质量流量控制器和一个或多个真空泵。

首先在硅基底上溅射7nm厚的镍层作为催化剂，将基片放入反应器，将系统抽真空至10^-5Torr或更低压力除去杂质和水蒸汽；将基片加热到预定温度(900℃)，通入碳源(碳氢化合物)，通过节流阀分别设置气体流速和反应室压力(1-20Torr)；施加能量使其耦合产生等离子体流(以DC等离子体反应器为例，DC等离子体反应器由接地腔中的一对电极构成，其中一个电极接地，另一个电极与电源相连。在阴极上施加负的直流偏压击穿进料气体，发生辉光放电并产生电子、正离子和负离子、原子及自由基。其中电子温度1～10eV范围内，离子温度约为0.5eV；电极间隙d由压强和给定的偏压决定)，并用氩气清洗，待反应器热却至300℃以下后取出基片。

碳纳米管生长机理：高反应活性的基团和碳氢化合物释放其中的氢，并断裂部分碳键，在催化剂粒子表面聚集从而形成碳纳米管结构。碳氢化合物在等离子体的作用下碳蒸气中存在有大量的碳原子簇(C2～C8)碎片和环状碳原子簇。在纳米管的生长过程中，这种环状的碳原子簇的起始构形决定了最终将形成的碳纳米管的结构。为了形成柱面，单环的碳原子数目必须是偶数。如果起始单环的碳原子数目为奇数，则形成的是圆锥面，其中部分形成多面体碳微粒或具有很大直径的碳纳米管。在随后的碳纳米管的形成过程中，首先是碳原子簇聚合到某一环状碳原子簇上，生成两端具有悬空(不饱和)键且键角近似为120°的短的单层管。最后，通过碳原子簇的聚集迅速生成多层碳纳米管，此时的碳纳米管的表面具有弱的共振效应。在碳纳米管的生长过程中，当具有层状结构的碳纳米管网络中的六元环发生变形而形成五元环时，就在碳纳米管的一端形成了帽形的封闭端。最后，在高温条件下，最终所形成的碳纳米管如果发生整体变形，将形成具有更稳定的类似于洋葱的晶体微粒。

在应用上述碳纳米管散热器时，可将上述微型热器通过低熔点金属，SnAgCu合金、BiSn合金，这里选用SAC305，将其焊接到硅芯片的表面，其中硅表面可以沉积钛、镍、金用于硅芯片连接。

Claims (10)

1.一种微型散热器，其特征在于，包括碳纳米管阵列层(4)、金属锚区层(1)，与碳纳米管垂直的碳纳米管阵列(4)端面与金属锚区(1)相接触，在金属锚区与碳纳米管接触的表面设有与碳纳米管阵列(4)端面润湿的金属浸润层(2)。

2.根据权利要求1所述的微型散热器，其特征在于金属锚区的另外一个表面为金层(5)。

3.根据权利要求1所述的微型散热器，其特征在于，碳纳米管阵列碳纳米管的长度为1-200微米，碳纳米管为多壁碳纳米管。

4.根据权利要求1或2或3所述的微型散热器，其特征在于，所述金属浸润层与碳纳米管阵列之间反应形成金属碳化物(3)。

5.根据权利要求1所述的微型散热器，其特征在于，所述金属浸润层为钛、钨、铝或铬中的一种。

6.根据权利要求4所述的微型散热器，其特征在于，所述金属浸润层为钨，所述金属碳化物对应为碳化钨。

7.根据权利要求4所述的微型散热器，其特征在于，所述金属浸润层为钛，所述金属碳化物对应为碳化钛。

8.根据权利要求4所述的微型散热器，其特征在于，所述金属浸润层的厚度为0.01-0.3微米。

9.根据权利要求4所述的微型散热器，其特征在于，所述金属浸润层的厚度0.05-0.1微米。

10.根据权利要求1或2所述的微型散热器，其特征在于，所述金属锚区还包括镍层和金层，镍层的厚度为0.05微米-0.3微米，金层厚度为0.02微米-0.4微米，其中镍层与金属浸润层邻接。

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