CN104538312A - 利用氮化硼制备散热芯片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用氮化硼制备散热芯片的方法，属于散热技术领域。其通过沉积、刻蚀、旋涂、电化学转移和除PMMA制备得到利用氮化硼制备的散热芯片。本发明制备的散热芯片具有极高的比表面积、高热导率和热稳定性，是具备高弹性、清洁超薄的散热片材料。

Description

利用氮化硼制备散热芯片的方法
技术领域
本发明涉及一种利用氮化硼制备散热芯片的方法，得到具有极高的比表面积、高热导率和热稳定性、高弹性、清洁超薄的散热片材料，属于散热技术领域。
背景技术
典型的热学管理系统是由外部冷却装置，散热器和热力截面组成。而散热片的重要功能是创造出最大的有效表面积，在这个表面上热力被转移并由外界冷却媒介带走。六面型晶格结构的氮化硼散热片就是通过将热量均匀的分布在二维平面从而有效的将热量转移，保证电子器件或组件在所能承受的温度下工作。此材料应用于热流密度较高的集成电路芯片表面，形成高散热表面，达到功率器件的热点散热。
随着电子元件和系统不断的变小变快，热处理和可靠性变成了影响它们寿命的关键问题。局部高热流热点的热管理是大功率电子器件的关键，不一致的散热会造成芯片中特殊区域过热，影响电子系统性能和电子器件的可靠性。近年来，石墨烯、单原子层碳由于强sp2键带来超高的热导率5300W/mK，被提出可作为一种有前景的散热材料。Yan等报道了剥落的石墨烯絮在大功率晶体管热管理中的应用，热点温度下降20℃，将晶体管寿命延长了一个数量级。然而机械剥离石墨烯，其层数、尺寸和位置都很难控制，张勇等使用TCVD组装不同层数的石墨烯，这种方法可以控制制备石墨烯的层数，将石墨烯用在电子封装中做散热器，并使用铂热测试芯片评估石墨烯散热器的热性能，在热流密度430W/cm2下驱动的插入单层石墨烯的散热器，热点温度从121℃降到108℃。但该方法中需要在石墨烯和芯片之间制备一层二氧化硅绝缘层结构，实验中发现芯片表面的二氧化硅绝缘层厚度会影响石墨烯的散热效果，二氧化硅层太厚会阻碍热点热量向石墨烯层有效传导，太薄又容易使金属电路和石墨烯层接触而出现短路，而且二氧化硅材料导热率较低。因此，寻求一种既绝缘又高导热的材料来替代二氧化硅就成为芯片散热研究的关键问题。
六方晶格的氮化硼化学成分是由三族和五族元素结合而成的，它的结构和石墨烯非常相似，往往称它为“白石墨烯”，它的层与层之间是由微弱的范德华力结合的，所以很容易得到稳定二维结构的氮化硼薄膜。它具有很多优异的性能和非常有前景的应用。它具有高稳定的热性能、很高的机械强度、很好的热导性能，以及很重要的一点：很好的绝缘性，这是石墨烯材料所没有的，所以它在微电子应用中会更广。它的热导性能可达到1700~2000W/mK。因此，在电子、照明、通信、航空及国防军工等许多领域都有广泛的应用前景。氮化硼散热片通过在减轻器件重量的情况下提供更优异的导热散热性能，能有效的解决电子设备的热设计难题，广泛的应用场效应晶体管、集成电路、平板显示器、印刷电路板、发光二极管等电子产品。
发明内容
本发明的的目的是克服上述不足之处，提供一种利用氮化硼制备的具有极高的比表面积、高热导率和热稳定性、高弹性、清洁超薄的散热芯片的方法。
按照本发明提供的技术方案，一种利用氮化硼制备散热芯片的方法，步骤为：
（1）沉积：取厚度10~200μm的铜箔，采用化学气相沉积法在900~1200℃温度下进行沉积，沉积时间10~180min，得到正反表面生长有二维氮化硼薄膜的铜箔材料；
（2）刻蚀：刻蚀掉铜箔其中一面的氮化硼，保留铜箔另外一面的氮化硼；
（3）旋涂：将步骤（2）所得铜箔在生长有氮化硼的铜箔表面旋涂一层PMMA，其旋涂速率为1500-2000r/min，旋涂时间为30-50s；PMMA膜的主要作用是在后续氮化硼薄膜从铜箔分离以后形成支撑和保护；
用PET框架粘结在涂有PMMA一面的铜箔表面上，在150-160℃加热3-5min；该框架起到在电镀过程中对铜箔固定和支撑作用，以及后续PMMA和氮化硼膜一起与铜箔分离以后对PMMA和氮化硼膜起到支撑和便与拿持操作的作用；
（4）电化学转移：将步骤（3）所得铜箔放入0.1-0.15mol/L的NaOH溶液中，以铜箔作阴极，铂作阳极，将目标芯片固定在PET框架上，通0.7-1A的电流进行电分解反应；铜箔表面产生的氢气泡将氮化硼和聚甲基丙烯酸甲酯一起从铜箔上分离下来，然后通过PET框架将氮化硼和PMMA膜放在目标芯片上，其中氮化硼一面面向目标芯片表面；
（5）除PMMA：将步骤（4）所得目标芯片浸入丙酮溶液中，加热温度到50-60℃，浸渍20-25min，即得产品利用氮化硼制备的散热芯片；通过浸渍将残留的聚甲基丙烯酸甲酯去除干净，而二维的氮化硼将通过范德华力和目标芯片紧密结合。
步骤（1）中化学气相沉积法所用气体为BH3NH3、（HBNH）3或（HBNCL）3中的一种或几种的混合物。
步骤（1）中所述铜箔为表面平整的纯度不低于99.5%的无氧铜箔。
步骤（2）所述刻蚀方法为氧等离子体刻蚀法或者氩离子束溅射方法。
本发明的有益效果：通过本发明能制备具有极高的比表面积、高热导率和热稳定性、高弹性、清洁超薄的散热片材料。
附图说明
图1实施例1透射电子显微镜的成像图。
图2实施例1整体散热结构SEM图。
图3本发明散热结构示意图。1、硅；2、二氧化硅；3、氮化硼。
具体实施方式
实施例1
一种利用氮化硼制备散热芯片的方法，步骤为：
（1）沉积：取厚度10μm的铜箔，采用化学气相沉积法在1200℃温度下进行沉积，沉积时间10min，得到正反表面生长有二维氮化硼薄膜的铜箔材料；
（2）刻蚀：刻蚀掉铜箔其中一面的氮化硼，保留铜箔另外一面的氮化硼；
（3）旋涂：将步骤（2）所得铜箔在生长有氮化硼的铜箔表面旋涂一层PMMA，其旋涂速率为1500r/min，旋涂时间为50s；用PET框架粘结在涂有PMMA一面的铜箔表面上，在150℃加热5min；
（4）电化学转移：将步骤（3）所得铜箔放入0.1mol/L的NaOH溶液中，以铜箔作阴极，铂作阳极，将热测试芯片固定在PET框架上，然后通1A的电流进行电分解反应；
（5）除PMMA：将步骤（4）所得热测试芯片浸入丙酮溶液中，加热温度到50-60℃，浸渍20-25min，即得产品利用氮化硼制备的散热芯片；转移一次之后的透射电子显微镜的成像图如图1所示，整体散热结构SEM图如图2所示。
步骤（1）中化学气相沉积法所用气体为BH3NH3。
步骤（1）中所述铜箔为表面平整的纯度不低于99.5%的无氧铜箔。
步骤（2）所述刻蚀方法为氧等离子体刻蚀法或者氩离子束溅射方法。
本发明整个散热结构示意图如图3所示。1、硅；2、二氧化硅；3、氮化硼。
实施例2
一种利用氮化硼制备散热芯片的方法，步骤为：
（1）沉积：取厚度10~200μm的铜箔，采用化学气相沉积法在900~1200℃温度下进行沉积，沉积时间10~180min，得到正反表面生长有二维氮化硼薄膜的铜箔材料；
（2）刻蚀：刻蚀掉铜箔其中一面的氮化硼，保留铜箔另外一面的氮化硼；
（3）旋涂：将步骤（2）所得铜箔在生长有氮化硼的铜箔表面旋涂一层PMMA，其旋涂速率为1500-2000r/min，旋涂时间为30-50s；用PET框架粘结在涂有PMMA一面的铜箔表面上，在150-160℃加热3-5min；
（4）电化学转移：将步骤（3）所得铜箔放入0.1-0.15mol/L的NaOH溶液中，以铜箔作阴极，铂作阳极，将目标芯片固定在PET框架上，然后通0.7-1A的电流进行电分解反应；
（5）除PMMA：将步骤（4）所得铜箔浸入丙酮溶液中，加热温度到50-60℃，浸渍20-25min，即得产品利用氮化硼制备的散热芯片。
步骤（1）中化学气相沉积法所用气体为BH3NH3、（HBNH）3或（HBNCL）3中的一种或几种的混合物。
步骤（1）中所述铜箔为表面平整的纯度不低于99.5%的无氧铜箔。
步骤（2）所述刻蚀方法为氧等离子体刻蚀法或者氩离子束溅射方法。
实施例3
一种利用氮化硼制备散热芯片的方法，步骤为：
（1）沉积：取厚度10~200μm的铜箔，采用化学气相沉积法在900~1200℃温度下进行沉积，沉积时间10~180min，得到正反表面生长有二维氮化硼薄膜的铜箔材料；
（2）刻蚀：刻蚀掉铜箔其中一面的氮化硼，保留铜箔另外一面的氮化硼；
（3）旋涂：将步骤（2）所得铜箔在生长有氮化硼的铜箔表面旋涂一层PMMA，其旋涂速率为1500-2000r/min，旋涂时间为30-50s；用PET框架粘结在涂有PMMA一面的铜箔表面上，在150-160℃加热3-5min；
（4）电化学转移：将步骤（3）所得铜箔放入0.1-0.15mol/L的NaOH溶液中，以铜箔作阴极，铂作阳极，将目标芯片固定在PET框架上，然后通0.7-1A的电流进行电分解反应；
（5）除PMMA：将步骤（4）所得铜箔浸入丙酮溶液中，加热温度到50-60℃，浸渍20-25min，即得产品利用氮化硼制备的散热芯片。
步骤（1）中化学气相沉积法所用气体为BH3NH3、（HBNH）3或（HBNCL）3中的一种或几种的混合物。
步骤（1）中所述铜箔为表面平整的纯度不低于99.5%的无氧铜箔。
步骤（2）所述刻蚀方法为氧等离子体刻蚀法或者氩离子束溅射方法。

Claims (4)

1.一种利用氮化硼制备散热芯片的方法，其特征是步骤为：
（1）沉积：取厚度10~200μm的铜箔，采用化学气相沉积法在900~1200℃温度下进行沉积，沉积时间10~180min，得到正反表面生长有二维氮化硼薄膜的铜箔材料；
（2）刻蚀：刻蚀掉步骤（1）所得铜箔其中一面的氮化硼，保留铜箔另外一面的氮化硼；
（3）旋涂：将步骤（2）所得铜箔在生长有氮化硼的铜箔表面旋涂一层PMMA，其旋涂速率为1500-2000r/min，旋涂时间为30-50s；用PET框架粘结在涂有PMMA一面的铜箔表面上，在150-160℃加热3-5min；
（4）电化学转移：将步骤（3）所得铜箔放入0.1-0.15mol/L的NaOH溶液中，以铜箔作阴极，铂作阳极，将目标芯片固定在PET框架上，然后通0.7-1A的电流进行电分解反应；
（5）除PMMA：将步骤（4）所得目标芯片浸入丙酮溶液中，加热温度到50-60℃，浸渍20-25min，即得产品利用氮化硼制备的散热芯片。
2.如权利要求1所述利用氮化硼制备散热芯片的方法，其特征是：步骤（1）中化学气相沉积法所用气体为BH3NH3、（HBNH）3或（HBNCL）3中的一种或几种的混合物。
3.如权利要求1所述利用氮化硼制备散热芯片的方法，其特征是：步骤（1）中所述铜箔为表面平整的纯度不低于99.5%的无氧铜箔。
4.如权利要求1所述利用氮化硼制备散热芯片的方法，其特征是：步骤（2）所述刻蚀方法为氧等离子体刻蚀法或者氩离子束溅射方法。
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