CN103117356A - 一种基于碳纳米管阵列的芯片散热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于芯片散热领域，特别涉及一种基于碳纳米管阵列的芯片散热方法。本发明采用热沉作为衬底，采用CVD方法沉积高取向、稠密碳纳米管阵列，将该阵列按芯片尺寸及形状切割，然后采用简单的工艺技术使碳纳米管阵列与芯片紧密接触，并将该结构封装、固化。本发明充分发挥了碳纳米管阵列的轴向高导热率的特性，实现了芯片与热沉之间的高效热传导，获得了LED芯片等发热芯片的高度散热效果，保持了LED等器件的高稳定性工作，并可延长其寿命。
Description
技术领域
本发明属于芯片散热领域，特别涉及一种基于碳纳米管阵列的芯片散热方法。
背景技术
LED是一种可将电能转变为光能的半导体发光器件，与普通白炽灯相比，具有寿命长、耗能低、光效高的独特优点。随着技术的不断创新和发展，LED在照明领域得到大量的推广应用，使照明技术面临一场新的革命。但是LED面临的一个重要问题是，光电转换效率仅有20%~30%，即有70%~80%的电能转换为热能。另一方面，LED芯片传热的特点是在较小的体积内产生较高的热量，而LED芯片自身的热容量很低，因此必须以极快的速度将热量传导出去，否则会产生很高的结温。结温不但影响LED的寿命，还直接影响发光效率，因此必须设法强化LED芯片的传热。
研究表明，LED芯片约有90%的多余热量是以热传导的方式向外扩散，在热传导的整个过程中会经过多种固体材料，材料间的接触部分必然会存在微小凹凸及缝隙而导致热阻迅速增加。因此降低接触面的热阻成为了强化LED芯片散热的关键，需要在接触面采用高热导率的材料并且能具有一定的黏性可以减少接触面的凹凸和缝隙。碳纳米管是新型一维纳米材料，由于长径比极大，经理论计算表明它在轴向上的热传导率达到了5000 W/(m·K)，远远超过常见的导热金属材料如银、铜、铝等。但是它在径向上的热导率要急剧减少，因此应该充分发挥碳纳米管轴向上的高热导率，表现在制备热界面材料方面就是要尽量减少碳纳米管的不均匀取向性，使它们尽量以定向阵列的形式进行热量的传导。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种基于碳纳米管阵列的芯片散热方法。
一种基于碳纳米管阵列的芯片散热方法，采用热沉作为基底生长碳纳米管阵列，并将制备的碳纳米管阵列与发热芯片接触，充分发挥碳纳米管阵列轴向的高导热能力，对发热芯片进行及时散热，具体步骤如下：
a. 在清洁的热沉基底上镀一层Fe膜，放入已升温至300 ℃~500 ℃的石英管内，在Ar和H2混合气体的气氛内升温至700 ℃~800 ℃，其中H2的体积分数为10%~30%，得到具有催化活性的Fe纳米颗粒；
b. 在700 ℃~800 ℃温度下将乙烯通入石英管内，乙烯的体积分数为Ar、H2和乙烯混合气体的5%~15%，生长时间为5~35 min，得到碳纳米管阵列；
c. 将上述碳纳米管阵列根据所选用的芯片的尺寸和形状切割成相应大小和端面形状；
d. 将经过切割处理的碳纳米管阵列的周围均匀涂覆一层导热密封银胶；
e. 将上述得到的碳纳米管阵列对准放置于发热芯片上并压紧，保证碳纳米管阵列与发热芯片接触；
f. 将导热银胶冷却固化，使其与发热芯片相连，即获得了一种基于碳纳米管阵列的高效芯片散热结构，通过该结构对发热芯片进行及时散热。
所述热沉基底的材质为Si、Cu或Al。
所述Fe膜的厚度为0.5~1.5 nm。
所述发热芯片为LED发热芯片。
本发明的有益效果为：
本发明将碳纳米管阵列引入至LED的导热界面，采用高度取向性、稠密的碳纳米管阵列，其一端直接生长于热沉表面，实现与热沉良好的热接触。本发明方法通过简单的结构和工艺总体上实现了在碳纳米管阵列的轴向方向上进行高效的热传导；相对于掺杂取向杂乱的碳纳米管作为导热增强基的普通导热黏性热界面材料，本发明方法可以充分发挥碳纳米管轴向导热的能力。同时与传统的导热银胶由于油脂等基体的高温老化而带来的导热性能下降相比，碳纳米管阵列化学性质极其稳定，能够保持可靠的高效散热，进而提高光电子器件的寿命。
附图说明
图1为本发明碳纳米管阵列的扫描电镜图；
图2为本发明以圆形LED芯片为例，采用的碳纳米管阵列的剖面图；
图3为本发明采用的散热结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于碳纳米管阵列的芯片散热方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
1、在清洁的硅基底上镀一层1 nm厚的Fe薄膜，放入已升温至400 ℃的石英管内，在在Ar和H2混合气体的气氛内升温至750 ℃，其中H2的体积分数为30%，得到具有催化活性的Fe纳米颗粒；
2、在750 ℃温度下将乙烯通入石英管内，乙烯的体积分数为Ar、H2和乙烯混合气体的10%，生长时间为15 min，得到高度为0.3 mm的碳纳米管阵列；
3、将上述碳纳米管阵列切割成端面形状是圆形的形状，LED圆形芯片的直径为3 mm；
4、将经过切割处理后的碳纳米管阵列的周围均匀涂覆一层导热密封银胶；
5、将上述得到的碳纳米管阵列对准放置于LED芯片等发热芯片上，并以适当的压力压紧，并采用前后左右各个方向均匀往返均匀施加一定的剪切力的方式使二者紧密相连；
6、将导热银胶冷却固化，使其与发热芯片相连，即获得了一种基于碳纳米管阵列的高效芯片散热结构，通过该结构对发热芯片进行及时散热。
本发明方法实现了将LED芯片发出的热量沿碳纳米管阵列轴向方向迅速的热传导，采用相对简单的工艺方法保证了LED芯片等发热芯片的高效工作及其较长的寿命。
Claims (4)
1.一种基于碳纳米管阵列的芯片散热方法，其特征在于，采用热沉作为基底生长碳纳米管阵列，并将制备的碳纳米管阵列与发热芯片接触，充分发挥碳纳米管阵列轴向的高导热能力，对发热芯片进行及时散热，具体步骤如下：
a. 在清洁的热沉基底上镀一层Fe膜，放入已升温至300 ℃~500 ℃的石英管内，在Ar和H2混合气体的气氛内升温至700 ℃~800 ℃，其中H2的体积分数为10%~30%，得到具有催化活性的Fe纳米颗粒；
b. 在700 ℃~800 ℃温度下将乙烯通入石英管内，乙烯的体积分数为Ar、H2和乙烯混合气体的5%~15%，生长时间为5~35 min，得到碳纳米管阵列；
c. 将上述碳纳米管阵列根据所选用的芯片的尺寸和形状切割成相应大小和端面形状；
d. 将经过切割处理的碳纳米管阵列的周围均匀涂覆一层导热密封银胶；
e. 将上述得到的碳纳米管阵列对准放置于发热芯片上并压紧，保证碳纳米管阵列与发热芯片接触；
f. 将导热银胶冷却固化，使其与发热芯片相连，即获得了一种基于碳纳米管阵列的高效芯片散热结构，通过该结构对发热芯片进行及时散热。
2.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米管阵列的芯片散热方法，其特征在于：所述热沉基底的材质为Si、Cu或Al。
3.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米管阵列的芯片散热方法，其特征在于：所述Fe膜的厚度为0.5~1.5 nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米管阵列的芯片散热方法，其特征在于：所述发热芯片为LED发热芯片。
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