CN102169838B - 碳纳米管微通道冷却器系统的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种于超大规模集成电路芯片散热的碳纳米管微通道冷却器系统的制备方法，该方法是：首先通过光刻和剥离工艺，制成要求的细微尺度的图案，其间通过蒸镀方法得到的催化剂薄膜就附着在图案的表面。其次将带有催化剂薄膜的硅片置于碳纳米管生长机器的加热炉中，在高温化学气相沉淀模式下生长得到所要求的碳纳米管簇。最后通过喷涂在碳纳米管表面的金属涂层，使用转移工艺将碳纳米管簇转移到发热芯片表面，加装密封盖，碳纳米管微通道冷却器的制备工艺就完成了。之后通过导口流入的冷却液实现散热，至此碳纳米管微通道冷却系统制备完成。本发明显著地提高了散热性能，为集成电路芯片的散热提供了一种更高效的散热方法。

Description

碳纳米管微通道冷却器系统的制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于超大规模集成电路芯片散热的碳纳米管微通道冷却器系统，属于微通道散热技术领域。
背景技术
高密度集成电路（IC）技术的发展，在提高IC功能的同时，也带来了高热流密度的挑战。目前高密度IC的功率已达到100-400 W/cm2。因此，研究高功率IC的散热变得十分重要。
微通道冷却器是用于微电子系统的一项新兴的高效散热技术。采用该技术，微通道直接制作在芯片背面，电路产生的热量由微通道中流过的冷却介质带走。
本发明就是针对目前常规微通道冷却器散热性能不高，不能满足高密度集成电路对散热的要求而发明的。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于集成电路芯片散热的碳纳米管微通道冷却器系统。
本发明的另一目的是提供一种用于碳纳米管微通道冷却器的制备方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种用于超大规模集成电路芯片散热的碳纳米管微通道冷却器系统，通过定向生长碳纳米管簇技术和低温转移技术集成在硅表面，由气冷、液冷实现散热。
一种用于碳纳米管微通道冷却器系统的制备方法，为了得到排布性好的碳纳米管簇，经过反复试验，本发明采用以下工艺步骤生长、转移碳纳米管簇，得到散热性优良的碳纳米管微通道冷却器系统。
1．在硅片上旋涂上一层剥离胶，加热这层剥离胶以后，在其上再旋涂一层标准的正光刻胶，经过紫外线曝光30秒，MF319显影45秒之后，剥离胶形成底切结构，采用蒸镀工艺在整个表面覆盖一层催化剂薄膜，然后硅片将置于光刻胶去除剂中，剥离掉剥离胶、光刻胶和附着在光刻胶上的催化剂薄膜，最终在硅片上形成和光刻掩模同样图案的催化剂图案，催化剂薄膜由10纳米厚的三氧化二铝和1纳米厚的铁构成；
2．将载有催化粒子薄膜图案的芯片放置在石英管中，将石英管抽真空后再在常压下通以900 cm3/min的氩气和100 cm3/min的氢气。加热整个化学气相沉积系统至725 ℃，稳定15分钟后，将氩气和氢气气流都调整至500 cm3/min，再加以30 cm3/min的乙炔作为合成碳纳米管的原料气体。15分钟后，切断乙炔供应，并停止加热。再将氩气和氢气流分别调整为900 cm3/min和100 cm3/min，保持这样的气流供应直至系统冷却至200 ℃左右，然后自然冷却至室温，从而得到按照设计图案定向生长的碳纳米管阵列样品；
3．在得到的碳纳米管簇的表面喷涂一层20纳米厚的钛和100纳米厚的金涂层，待转移的芯片表面喷涂一层钛/金/铟涂层，使用芯片倒装键合仪将碳纳米管倒置安放在待转移的芯片表面，在170 ℃温度下，接触表面的铟熔化，按压压强为6.4×106 Pa，持续2分钟，自然空气冷却，分离掉碳纳米管生长的衬底，低温冷却转移工艺完成；
4．给表面集成有碳纳米管的芯片加装密封盖，碳纳米管微通道冷却器制备完成；
5．将碳纳米管微通道冷却器加装在热测试平台上，在微通道的前后两端安装一段金属管，作为冷却液的导入导出口，最后使用聚二甲基硅氧烷将系统密封。
制备时使用的剥离胶为LOL2000和LOR1A，光刻胶为S1813，光刻胶去除剂为Shipley remover 1165。
所述的碳纳米管微通道冷却器系统用于集成电路芯片的散热。
本发明优点在于采用了高导热性的碳纳米管制成微通道冷却器，集成在硅表面实现散热。为了测试所制备碳纳米管微通道冷却器系统的散热性能，我们采用气冷和液冷两种不同的冷却介质，对相同尺寸的硅基微通道冷却器的散热进行了测试对比，测试结果证明碳纳米管微通道冷却器优于现有的硅基微通道冷却器，散热性能可提到25%。
附图说明
图1 本发明生长出的定向碳纳米管阵列的SEM图片。
图2 本发明转移完成后的碳纳米管簇阵列的SEM照片。
图3 碳纳米管微通道冷却器外观照片。
实施例1
本实施例中，采用上述制备碳纳米管微通道冷却器方法，具体步骤如下：
1        在硅片上旋涂上一层剥离胶，加热这层剥离胶以后，在其上再旋涂一层标准的正光刻胶，经过紫外线曝光30秒，MF319显影45秒之后，剥离胶形成底切结构，采用蒸镀工艺在整个表面覆盖一层催化剂薄膜，然后将硅片置于光刻胶去除剂中，剥离掉剥离胶、光刻胶和附着在光刻胶上的催化剂薄膜，最终在硅片上形成和光刻掩模同样图案的催化剂图案，催化剂薄膜由10纳米厚的三氧化二铝和1纳米厚的铁构成；
2        将载有催化剂图案的硅片放置在石英管中，将石英管抽真空后再在常压下通以900 cm3/min的氩气和100 cm3/min的氢气。加热整个化学气相沉积系统至725 ℃，稳定15分钟后，将氩气和氢气气流都调整至500 cm3/min，再加以30 cm3/min的乙炔作为合成碳纳米管的原料气体。15分钟后，切断乙炔供应，并停止加热。再将氩气和氢气流分别调整为900 cm3/min和100 cm3/min，保持这样的气流供应直至系统冷却至200 ℃，然后自然冷却至室温，从而得到按照设计图案定向生长的碳纳米管阵列样品，如图1所示；
3        在得到的碳纳米管阵列的表面喷涂一层20纳米厚的钛和100纳米厚的金涂层，待转移的芯片表面喷涂一层钛/金/铟涂层，使用芯片倒装键合仪将碳纳米管倒置安放在待转移的芯片表面，在170 ℃温度下，接触表面的铟熔化，按压压强为6.4×106 Pa，持续2分钟，自然空气冷却，分离掉碳纳米管生长的衬底，低温冷却转移工艺完成，如图2所示；
4        给表面集成有碳纳米管的芯片加装密封盖，碳纳米管微通道冷却器制备完成，如图3所示；
5        将碳纳米管微通道冷却器加装在热测试平台上，在微通道的前后两端安装一段金属管，作为冷却液的导入导出口，最后使用聚二甲基硅氧烷将系统密封。
制备成功的碳纳米管簇阵列宽为50微米，高为250微米。通过自行设计的集成式热测试平台，应用硅通孔技术将温度感应器的信号从热界面传输到芯片背面进行读取，对硅基微通道冷却器和碳纳米管微通道冷却器的散热性能进行了测试。
首先将流体流动回路与硅基微通道冷却器连接完毕。为保证芯片在安全温度范围内运行，将抽气泵转速调至最高，即200 rpm，对应于空气流速约为170 ml/min。开启电源，并运行编写完毕的LabView程序。程序自动控制并逐渐加大芯片上的加载功率，直到2.2 W。与此同时，程序自动实时读取温度传感器所测得的芯片温度，并实时绘制出芯片上的散热曲线，即温度-功率（T-P）曲线。然后关闭电源，待抽气泵运行约1分钟后将其关闭。卸载硅通道冷却器并连接装有碳纳米管冷却器的芯片，用相同的方法重复以上实验步骤，得到碳纳米管冷却器芯片上的散热曲线，同时与保存的装有硅通道冷却器芯片的散热曲线做比较，比较实测相同芯片温度下的碳纳米管微冷却器的加载功率(PCNT)和硅基微冷却器的加载功率(PSi)，计算(PCNT-PSi)/PSi%，比较散热效率。从测试结果表1可见，在风冷条件下碳纳米管冷却器相比硅基样品可提高25%以上。
在水强迫对流冷却实验中，首先接入装有碳纳米管微通道冷却器系统的芯片，将入口和出口橡皮管插入水泵标准乳胶管中。由于比空气高得多的热容，使得水具有非常高的散热效率，将泵的转速调至3 rpm，即此时水流速度为2.55 ml/min。开启水泵，待观察到水流进入碳纳米管冷却器并从出口流出后，开启加热电源，运行控制程序，并记录芯片上的温度-功率曲线，并将此次测量的结果与相同功率加载下空气冷却的实验结果进行对比。
从测试结果表2可见，在水冷条件下，对于碳纳米管冷却器，在芯片发热功率约为2.22 W时，即使空气流量为水流量的75.6倍，水冷却液仍然可以保持芯片温度比空气冷却时低7.5 ℃。当水的流量逐渐增加时，碳纳米管冷却器可以将发热功率为6.66 W的芯片表面温度从134.6℃降低至87.7℃。
表1 风冷条件下的碳纳米管微通道冷却器系统散热的测试结果
Figure 458096DEST_PATH_IMAGE002
表2碳纳米管微通道冷却器系统风冷与水冷条件下散热测试结果对比
Figure 375236DEST_PATH_IMAGE004

Claims (2)

1.一种碳纳米管微通道冷却器系统的制备方法，其特征在于该方法具有以下的工艺步骤：
a. 在硅片上旋涂上一层剥离胶，加热这层剥离胶以后，在其上再旋涂一层标准的正光刻胶，经过紫外线曝光30秒，MF319显影45秒之后，剥离胶形成底切结构，采用蒸镀工艺在整个表面覆盖一层催化剂薄膜，然后将硅片置于光刻胶去除剂中，剥离掉剥离胶、光刻胶和附着在光刻胶上的催化剂薄膜，在硅片上形成和光刻掩模同样图案的催化剂图案，催化剂薄膜由10纳米厚的三氧化二铝和1纳米厚的铁构成；
b. 将载有催化剂图案的硅片放置在石英管中，将石英管抽真空后再在常压下通以900 cm3/min的氩气和100 cm3/min的氢气；加热整个化学气相沉积系统至725℃，稳定15分钟后，将氩气和氢气气流都调整至500 cm3/min，再加以30 cm3/min的乙炔作为合成碳纳米管的原料气体；15分钟后，切断乙炔供应，并停止加热；再将氩气和氢气流分别调整为900 cm3/min和100 cm3/min，保持这样的气流供应直至系统冷却至200 oC，然后自然冷却至室温，从而得到按照设计图案定向生长的碳纳米管阵列样品；
c. 在得到的碳纳米管阵列的表面喷涂一层20纳米厚的钛和100纳米厚的金涂层，待转移的芯片表面喷涂一层钛/金/铟涂层，使用芯片倒装键合仪将碳纳米管倒置安放在待转移的芯片表面，在170℃温度下，接触表面的铟熔化，按压压强为6.4×106 Pa，持续2分钟，自然空气冷却，分离掉碳纳米管生长的衬底，低温冷却转移工艺完成；
d. 给表面集成有碳纳米管的芯片加装密封盖，碳纳米管微通道冷却器制备完成；
e. 将碳纳米管微通道冷却器加装在热测试平台上，在微通道的前后两端安装一段金属管，作为冷却液的导入导出口，最后使用聚二甲基硅氧烷将系统密封。
2.一种如权利要求1所述的碳纳米管微通道冷却器系统的制备方法，其特征是：制备时使用的剥离胶为LOL2000和LOR1A，光刻胶为S1813，光刻胶去除剂为Shipley remover 1165。
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