CN101826494A

CN101826494A - 基于碳纳米管阵列和低温共烧陶瓷的散热装置及制备方法

Info

Publication number: CN101826494A
Application number: CN 201010145808
Authority: CN
Inventors: 白树林; 张杨飞
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2010-04-13
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2030-04-13
Also published as: CN101826494B

Abstract

本发明提供了一种基于碳纳米管阵列和低温共烧陶瓷的散热装置及制备方法，属于微电子器件的散热技术。该散热装置包括内嵌微流道的低温共烧陶瓷基板，在该低温共烧陶瓷基板表面制备有碳纳米管阵列，与低温共烧陶瓷基板电路相连的发热器件固定在上述碳纳米管阵列上。本发明充分利用低温共烧陶瓷基板易于加工三维结构的优势，在基板内制作出微流道，利用微流体对流换热将发热器件产生的绝大部分热量导走；同时利用碳纳米管阵列与低温共烧陶瓷和发热器件紧密结合，减小传统的焊接等方式在连接界面产生的微空隙，避免微空隙导致的热阻，使发热器件与低温共烧陶瓷基板间的热阻变得非常小，提高了散热装置的散热能力。

Description

基于碳纳米管阵列和低温共烧陶瓷的散热装置及制备方法

技术领域

本发明属于微电子器件的散热技术，尤其涉及一种基于碳纳米管阵列和低温共烧陶瓷的散热装置及制备方法。

背景技术

随着社会的信息科技化，微型化、多功能化产品逐渐成为电子技术发展的潮流与趋势，一方面器件尺寸愈小愈好，已从微米量级向纳米量级发展，另一方面器件的集成度自1959年来以每年40-50％高速度递增，每个芯片上有成百上万个元件。当前计算机CPU芯片在工作中产生的热流密度已达到60-100W/cm²，根据美国半导体业联合会SIA数据整理的大规模集成电路发展图，未来3年，高性能芯片的热流密度将达到150W/cm²的程度。事实上，不仅对于计算机芯片，而且对于航空航天及军事领域电子设备、功率电子设备、光电器件、微/纳机电系统、生物芯片、固体照明、太阳能电池等都存在类似的广泛而迫切需要散热冷却的问题。在高效率照明方面，发热问题已经成为被誉为第三次照明革命的LED等半导体发光技术的发展瓶颈，以汽车用LED器件为例，其前照灯用LED器件的热流密度已高达400W/cm²，当温度升高时器件的效率明显下降、寿命缩短、色彩发生变化，特别是当器件结温高于约130℃时，器件将被烧坏。据统计，太阳能电池组件温度每增加一度，输出电量减少0.2-0.5％，如果长期在高温下工作还会因迅速老化而缩短使用寿命。

目前传统的电子设备散热技术主要包括自然对流散热、强制风冷散热、热管散热、热电致冷等多种方式：

(1)自然对流散热利用设备中各个元器件的空隙以及机壳的热传导、对流和辐射来达到散热目的，优点是结构简单、成本低、安全可靠、没有噪声和震动，但是热阻大，传热性能差，适用于温度控制要求不高，热流密度小于0.08W/cm²的低功耗电子器件和部件。

(2)强制风冷散热依靠风扇(离心式、轴流式、螺旋桨式)迫使器件周围空气流动，将器件散发出的热量带走，其换热量比自然对流和辐射大10倍，但是成本增加，噪声变大，运行可靠性较低。目前基于强制风冷技术散热效果最好的是微喷冷却技术和射流冷却技术，前者可用于热流密度为10W/cm²的散热，后者可高达100W/cm²，但是技术要求高，推广应用较难。

(3)热管散热的机理是冷却液体在蒸发段被热流加热蒸发，其蒸气经过绝热段流向冷凝段，在冷凝段蒸气被管外冷流体冷却释放热量后凝结为液体，积聚在散热段吸液芯中的凝结液借助吸液芯毛细力的作用，返回到加热段再吸热蒸发。热管传热能力很大，可用于热流密度大于100W/cm²的器件散热，导热系数高，而且可以制造成体积很小、重量很轻的产品，但是在使用一段时间后传热性能会下降，还要承受热流密度、流动阻力、毛细压差等工作极限的限制。

(4)热电致冷是利用半导体材料(如Bi₂Te₃)的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端分别吸收热量和放出热量，从而实现致冷。它无噪声和震动，体积小，结构紧凑，操作维护方便，不需要制冷剂，可通过改变电流大小来调节制冷量和制冷速度，但是效率低，成本高。

要在毫米甚至纳米级的器件尺度上把极高的热量带走，传统的冷却技术已不再适用：对流、辐射、传导等自然冷却散热的热流密度不超过0.155W/cm²，金属热通孔和风冷散热的热流密度不超过10W/cm²，只有采用液体冷却和热管技术才能够使散热的热流密度达到100W/cm²，但热管散热在使用一段时间后传热性能会下降，还要承受流动阻力、毛细压差等工作极限的限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于碳纳米管阵列和低温共烧陶瓷的散热装置及制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于碳纳米管阵列和低温共烧陶瓷的散热装置，其特征在于，包括内嵌微流道的低温共烧陶瓷基板，在该低温共烧陶瓷基板表面制备有碳纳米管阵列，与低温共烧陶瓷基板电路相连的发热器件固定在上述碳纳米管阵列上。

所述碳纳米管阵列与树脂固化在一起，该树脂选自环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、酚醛树脂、聚氨酯、尼龙或其混合物。

所述发热器件与碳纳米管阵列通过导热胶固定，导热胶材料包括：硅胶、聚乙烯醇胶、环氧树脂、杂环聚合物、有机硅树脂、丙烯酸酯胶、导电银胶、含有金属Ag、Cu、Al、Fe、Ni、Au、Pt、Pd及其合金粒子的硅脂或上述材料的混合物。

所述内嵌微流道是由单层、双层或多层低温共烧陶瓷组成的二维平面或三维立体微流道，微流道形状包括多排直槽型、蜿蜒型或分形结构，微流道截面为任意多边形或圆形，在内嵌微流道内填充水、甲醇、乙醇、乙二醇、硅油、金属液体、铝合金切削液或其混合物。

一种制备如权利要求1所述散热装置的方法，其步骤包括：

1)设计发热器件的互连引出线结构、无源器件和微流道结构；

2)根据上述结构的设计，在多层生瓷片上制作出过孔和空腔；

3)印刷金属良导体作为互连引出线结构填料，在过孔和空腔中填充牺牲层材料；将上述多层生瓷片精确叠层对位，烧结成内嵌微流道的低温共烧陶瓷基板；

4)在上述低温共烧陶瓷基板表面制备碳纳米管阵列，注入树脂固化，再进行抛光和减薄；

5)在发热器件表面涂敷一层导热胶，将发热器件与碳纳米管阵列压紧固定；

6)实现发热器件与低温共烧陶瓷基板上的电路相连。

步骤3)中，所述牺牲层材料可选自石蜡、松香、聚二甲基矽酮、聚对二甲苯、明胶或其混合物。

步骤3)中，烧结具体工艺可为，在普通马福炉中400-500℃温度下进行排胶3-5小时，放入真空设备内升温至800-900℃，保温度5-20分钟。

在步骤3)中，还可对生瓷片先进行分层预压，再采用定位孔或图像识别定位的方法，使预压后的多层生瓷片精确叠层对位。

本发明创新之处为，一方面利用低温共烧陶瓷基板易于加工三维结构的优势，在基板内制作出微流道，利用微流体对流换热将发热器件产生的绝大部分热量导走；另一方面，利用碳纳米管阵列与低温共烧陶瓷和发热器件紧密结合，减小传统的焊接等方式在连接界面产生的微空隙，避免微空隙导致的热阻，同时碳纳米管的高导热系数，使发热器件与低温共烧陶瓷基板间的热阻变得非常小，两种散热方式的结合将极大地提高散热能力。

此外，本发明散热装置工艺条件实现简单，成本低，便于批量加工，结合了碳纳米管高热导率和微流道高散热性能的优势，保证了发热器件能在恶劣热环境下正常工作，特别适用于大功率、高密度集成和多功能微电子器件的散热，可以广泛地应用于航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及兵器等很多关系国家经济发展和国家安全保障的领域。

附图说明

图1连接了发热器件的低温共烧陶瓷基板示意图；

图2碳纳米管/低温共烧陶瓷散热装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合通过实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

低温共烧陶瓷基板(Low Temperature Co-fired Ceramic，简称LTCC)烧结温度低(低于950℃)，可选用导电率高的Au、Ag、Cu等金属良导体作为互连布线和通孔填料，提高电路系统的品质因子，减少信号损耗；丝网印刷、光刻等工艺可实现微细化布线，制作线宽小于50μm的精细结构电路；基板介电常数只有4-5，低于大多数常用基板材料，信号传输延迟小，高频、高Q性能优良，工作频率可高达几十GHz，适合高频/高速信号传输；热导性能比普通PCB电路基板好，适合大功率器件和耐高温特性要求；具有较好的温度特性，如较小的热膨胀系数、较小的温度系数等；可以制作层数很高的电路基板，实现高密度多层立体布线，方便多种电路间的互连和与外界的电互连。机械特性优良，可靠性高，能够在高温、高湿、冲击、振动等恶劣环境中工作；加工方法较为成熟，工艺兼容性好，原材料来源广泛，成本低廉，制作周期短，生产效率高。

参考图1，本发明LTCC基板1上设有电路传输线4和各种无源器件(如电容、电感、电阻、滤波器、平衡/非平衡器，双工器、天线开关、谐振腔等)；在LTCC基板1内还设有微流道3，在LTCC基板表面制备有碳纳米管阵列5，碳纳米管阵列与树脂固化在一起，发热器件2与低温共烧陶瓷基板1电路相连，且发热器件2通过导热胶6固定在上述碳纳米管阵列5上，如图2所示。

以下是本发明散热装置的制备工艺。

1)根据发热器件需要设计互连引出线结构和各种无源器件(如电容、电感、电阻、滤波器、平衡/非平衡器，双工器、天线开关、谐振腔等)的位置；

2)根据发热器的尺寸设计出微流道的形状、尺寸、分布；

3)采用机械钻孔、冲孔、激光打孔或刻蚀的方法，在低温共烧陶瓷每层生瓷片上制作出过孔和空腔；

4)在每层生瓷片上利用不锈钢做掩模，通过丝网印刷、掩模印刷、流延型印刷等掩模印刷的方法印刷上Cu、Ag、Au等金属作为互连布线和过孔填料，通过金属焊料焊接或钎焊将无源器件钎焊在指定位置；

5)利用不锈钢做掩膜，在预制微流道的过孔和空腔中填充石蜡作为牺牲层材料；

6)采用分层预压的方式，将多层预压好的生瓷片采用定位孔或图像识别定位的方法使多层生瓷材料精确叠层对位，在普通马福炉中400-500℃左右的温度下进行排胶3-5小时，放入真空设备内升温至800-900℃左右，保持该温度约10分钟烧结成一体化的基板；

7)利用化学气相沉积法(CVD)在含有内置微流道的低温共烧陶瓷基板表面制备碳纳米管竖直阵列，通过控制催化剂的尺寸和分布实现碳纳米管的直径(0.4nm-1000nm)和长度(1μm-10mm)以及碳纳米管阵列的形状、密度和位置的控制；

8)注入树脂固化，进行适当的抛光和减薄获得指定厚度和表面平整度合适的表面；

9)在发热体(元器件、仪器或热管)表面涂敷一层导热胶，然后翻转碳纳米管定向阵列/LTCC结构，在压力作用下使发热体无缝隙地与碳纳米管阵列结合在一起；

10)将待散热的发热器件与低温共烧陶瓷上的电路相连，基板的各层之间电路通过金属过孔相连，以带有发热器件的低温共烧陶瓷基板整体直接作为封装系统。

发热器件工作时，用水泵驱使水、乙二醇等冷却液/冷却油在微流道内流动散热，获得发热器件的散热。

虽然本说明书通过具体的实施例详细描述了本发明散热装置及其制备方法，但是本领域的技术人员应该理解，本发明的实现方式不限于实施例的描述范围，在不脱离本发明实质和精神范围内，可以对本发明进行各种修改和替换，例如牺牲层材料除石蜡外，还可以是松香、聚二甲基矽酮、聚对二甲苯、明胶及其混合物。且树脂可选自环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、酚醛树脂、聚氨酯、尼龙及其混合物中的任意一种。导热胶材料包括且不限于，硅胶、聚乙烯醇胶、环氧树脂、杂环聚合物、有机硅树脂、丙烯酸酯胶、导电银胶、含有金属Ag、Cu、Al、Fe、Ni、Au、Pt、Pd及其合金粒子的硅脂，以及上述材料的混合物。

以上通过详细实施例描述了本发明所提供的基于碳纳米管阵列和低温共烧陶瓷的散热装置及制备方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变换或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims

1.一种基于碳纳米管阵列和低温共烧陶瓷的散热装置，其特征在于，包括内嵌微流道的低温共烧陶瓷基板，在该低温共烧陶瓷基板表面制备有碳纳米管阵列，与低温共烧陶瓷基板电路相连的发热器件固定在上述碳纳米管阵列上。

2.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述碳纳米管阵列与树脂固化在一起。

3.如权利要求2所述的散热装置，其特征在于，所述树脂选自环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、酚醛树脂、聚氨酯、尼龙或其混合物。

4.如权利要求1或2所述的散热装置，其特征在于，所述发热器件与碳纳米管阵列通过导热胶固定。

5.如权利要求4所述的散热装置，其特征在于，所述导热胶材料包括：硅胶、聚乙烯醇胶、环氧树脂、杂环聚合物、有机硅树脂、丙烯酸酯胶、导电银胶、含有金属Ag、Cu、Al、Fe、Ni、Au、Pt、Pd及其合金粒子的硅脂或上述材料的混合物。

6.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述内嵌微流道是由单层、双层或多层低温共烧陶瓷组成的二维平面或三维立体微流道，微流道形状包括多排直槽型、蜿蜒型或分形结构，微流道截面为任意多边形或圆形，在内嵌微流道内填充水、甲醇、乙醇、乙二醇、硅油、金属液体、铝合金切削液或其混合物。

7.一种制备如权利要求1所述散热装置的方法，其步骤包括：

6)实现发热器件与低温共烧陶瓷基板上的电路相连。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述牺牲层材料选自石蜡、松香、聚二甲基矽酮、聚对二甲苯、明胶或其混合物。

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，步骤3)中，烧结具体工艺为，在普通马福炉中400-500℃温度下进行排胶3-5小时，放入真空设备内升温至800-900℃，保温5-20分钟。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤3)中，对生瓷片先进行分层预压，再采用定位孔或图像识别定位的方法，使预压后的多层生瓷片精确叠层对位。