CN105514059B - 一种石墨烯复合材料/氮化硅/硅芯片高效散热系统 - Google Patents

一种石墨烯复合材料/氮化硅/硅芯片高效散热系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于石墨烯复合材料/氮化硅/硅芯片多层结构的散热系统及构建方法，属于微电子器件的散热技术。该散热架构包括硅基发热器件，Si3N4绝缘层，石墨烯复合材料热沉和基板。其中通过化学气相沉积法在硅片背面沉积一层致密的Si3N4绝缘层，通过化学键将石墨烯复合材料与Si3N4绝缘层互连，最后将上述带有散热架构的硅片与基板相连并封装成器件。本发明利用了化学键将硅基发热器件，热界面材料，热沉互连，极大减少各器件层间距，避免层间微空隙所引起的热阻，促进声子传热，进而提高了整体散热系统的散热能力，使得芯片能够在恶劣的高温环境下工作。且封装后，整体系统更轻更薄，符合当代半导体器件的发展趋势。

Description

一种石墨烯复合材料/氮化硅/硅芯片高效散热系统
技术领域
本发明属于微电子器件的散热技术，尤其涉及一种基于石墨烯复合材料/氮化硅/硅芯片多层结构的散热系统及构建方法。
背景技术
近年来，随着电子器件的微型化，多功能化，高密度集成化的发展趋势，热管理成了各种大功率电子器件正常运行的一个重要保障。当前计算机CPU芯片在工作中产生的热流密度已达到100 W/cm2 （Kaby Lake produced by Intel），最热区域可达300W/cm2。随着CPU芯片上的晶体管尺寸下降到纳米级别(14nm)，集成密度迅速上升，据Mudawar I预测未来的电子器件中的热流密度很有可能突破1000W/cm2。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，散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400 W/cm2。据统计，每当器件工作温度升高10°C,其可靠性下降50%。因此，对大功率的器件进行更高效的热管理及传热方式的优化是非常有必要的。
目前，对于倒装芯片的工艺来说，常用的架构为芯片/聚合物型热界面材料/热沉，在该架构中，由于硅芯片与聚合物热界面材料间的连接为范德华力，两者间的距离较宽，不利于硅芯片中声子传导到热界面材料以及外界环境上，而且常见的热界面材料的本征热导率不高（2~3 W/cm2）。因此，受限于材料的热导率及较大的界面热阻，导致该热管理问题成了高功率器件的发展瓶颈。
发明内容
本发明中，提供了一种石墨烯复合材料/Si3N4/Si散热系统及构建方法。
本发明的技术方案如下：
一种石墨烯复合材料/氮化硅/硅芯片散热系统，其特征在于包括硅晶圆背面沉积一层致密的Si3N4绝缘层，在Si3N4绝缘层上利用化学键修饰或者导热胶与石墨烯复合材料热沉连接，形成一个整体的散热系统，再于基板相互连。
所述背面沉积Si3N4绝缘层方法为通过低压化学气相沉积或者等离子增强化学气相沉积手段，将硅片置于工作腔体中，并在腔体内通入一定比例的硅烷类气体和氨气。其中，硅烷类气体包括硅烷，二氯硅烷，三氯硅烷等，其中硅烷类气体与氨气比例大于或等于2。其中氨气的流量为10~100sccm,硅烷类气体的流量为1~30sccm。氨气的纯度为95~99.999%，硅烷类气体的纯度为95~99.999%。其中，Si3N4绝缘层的厚度为10~1000nm。
所述的化学键修饰是通过在Si3N4绝缘表面及取向石墨烯复合材料表面进行氧化处理，使其带上羟基，氨基或者羧基，进行低压加热处理，将两部分连接起来。所诉的氧化处理方法涉及O2，O3等离子体处理或者使用强氧化剂浸泡。其中强氧化剂包括双氧水(H2O2),高锰酸钾（KMnO4），重铬酸钾（K2Cr2O7），次氯酸钠(NaClO)等。其中强氧化剂的浓度为0.01mol/L~10mol/L,浸泡时间为10分钟至3天，浸泡温度为0度至100度。所述的低温加热处理工艺为将带有在Si3N4绝缘表面的硅发热器件与石墨烯复合材料夹紧后，置于烘箱中低压加热。所述的压力为10~760mm/Hg，加热温度为60度~120度。
所述的导电胶材料包括硅胶、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含有氧化铝，氮化铝，氮化硼，氮化硅，碳化硅，石墨烯，石墨，碳纳米管，富勒烯及高导热无机颗粒的硅脂以及上述材料的混合物。
所述的石墨烯复合材料的特征在于包括石墨烯以及固化树脂。其中高导热石墨烯复合材料热沉的制备方法为将石墨烯分散在树脂当中形成高导热的石墨烯复合材料。固化树脂包括硅胶、聚乙烯醇胶、环氧树脂、杂环聚合物、有机硅树脂、丙烯酸酯胶。其中，石墨烯复合材料中的石墨烯的质量分数为0.1~99%。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）设计散热系统的各层结构，散热热沉材料与结构；
2）根据上述结构的设计，在硅基发热器件中沉积一层Si3N4绝缘层；
3）在Si3N4绝缘层上做官能团化处理；
4）将石墨烯薄分散到树脂中，将树脂固化得到高导热的石墨烯复合材料，再对两个底面进行抛光，除去底面的树脂，露出石墨烯；
5）将石墨烯复合材料与带有Si3N4绝缘层的硅基发热器夹紧，并在低压下加热处理；
6）将上述散热体系与基板互连，实现发热器件，热界面绝缘层，热层器件的完整系统构建。
本发明创新之处为，一方面利用了硅发热器件的致密Si3N4层具有高导热，绝缘的性质，而且通过化学沉积的手段可以形成Si/ Si3N4的类拓扑结构，形成一个整体的结构，从而有利于将硅发热器件中的热，通过晶格震动的形式传到Si3N4层中，从根本上避免了微空隙及声子不匹配所带来的界面热阻。同时，使用的石墨烯复合材料具有超高的热导率和一定的力学性能，满足散热器件中对热沉的要求。更重要的是，可利用石墨烯复合材料表面官能团与Si3N4层相连，进一步减少连接界面中产生微空隙，从而降低界面热阻。正是由于这高度集成的散热系统，使得热从硅发热器件到外部的热沉传导非常顺畅，极大地提高系统散热能力。并且取代了传统工艺中用到的高导热胶体。
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Si3N4层导热绝缘及声子匹配和石墨烯复合材料热沉的高散热性能的优势，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，而且制备出散热架构更为轻薄，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取向石墨烯复合材料/Si3N4/Si多层结构的散热系统示意图；
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供了一种基于倒装芯片模式（Flip chip）的封装设计方式，倒装芯片是指在I/O pad上沉积锡铅球，然后将芯片翻转加热利用熔融的锡铅球与陶瓷基板相结合，此技术替换常规打线接合的方式，该方法具有优良的电性能和热特性，其封装尺寸较传统封装模式小很多，而且I/O密度大大提升。其中，倒装芯片封装模式具有杰出的散热性能，这是由于其低热阻的散热盘及结构决定的。芯片产生的热量通过散热球脚，内部及外部的热沉实现热量耗散。散热盘与芯片面的紧密接触得到低的结温。为减少散热盘与芯片间的热阻，在两者之间使用高导热胶体。使得封装内热量更容易耗散。为更进一步改进散热性能，外部热沉可直接安装在散热盘上，以获得低的封装结温。在本发明中，通过提供一种新型的散热结构及材料的设计，取代了传统倒装芯片中的使用的高导热胶体，使得芯片和热沉直接化学键合互连，大大地减少系统间的热阻，使得芯片中热更有效地传递到外部，提高系统的散热能力。
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。
如图1所示，本发明提供了一种芯片散热的新型结构，它包括芯片3，Si3N4绝缘层2，以及石墨烯复合材料散热块1。所述Si3N4绝缘层2通过化学气相沉积的方法（CVD）生长在芯片1的背面，石墨烯复合材料散热块3通过化学键合或者贴片技术与带有Si3N4绝缘层2的芯片3相贴。最后将上述的整体芯片系统和基板4相互连。本方案在满足倒装芯片电器性能要求的同时，有效的节约了生产成本；同时又增加了倒装芯片的使用寿命时间，也大大的节约了成本。在实际中，采用本发明技术方案的倒装芯片在实验中成功通过制板贴装，并且在运行过程中散热效果明显。
综上所述，本发明的一种倒装芯片的封装设计方法，属于倒装芯片的封装方式处理，不额外增加成本。由于本方法取代了传统倒装芯片所需要的高导热胶层，所以封装后体系更轻更薄，成本更低。同时本技术方案可以使用在任何尺寸的倒装芯片封装中，设计简单，操作方便，散热效果明显。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种石墨烯复合材料/Si3N4/Si散热装置，其特征在于，由以下步骤制成：包括硅晶圆背面沉积一层致密的Si3N4绝缘层，在Si3N4绝缘层上利用化学键修饰与石墨烯复合材料热沉相连接，形成一个整体的散热系统，再与基板相互连；所述石墨烯复合材料包括石墨烯和固化树脂。
2.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述Si3N4绝缘层通过化学气相沉积在硅晶圆背面生长出来。
3.如权利要求2所述的散热装置，其特征在于，所述的化学气相沉积包括低压气相沉积以及等离子体增强化学气相沉积法。
4.如权利要求2或3所述的散热装置，其特征在于，所述的化学气相沉积采用硅烷类气体与氨气为气氛，其中硅烷类气体包括硅烷，二氯硅烷，三氯硅烷及其混合物。
5.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，将高导热石墨烯复合材料热沉与带有Si3N4绝缘层的硅片互连。
6.如权利要求5所述的散热装置，其特征在于，所述的互连通过化学键合。
7.如权利要求5或6所述的散热装置，其特征在于，所述的互连利用羟基脱水结合，即通过表面修饰使得Si3N4绝缘层与石墨烯复合材料热沉表面带上羟基。
8.如权利要求7所述的散热装置，其特征在于，所述的表面修饰使用强氧化剂或者氧等离子体技术处理。
9.如权利要求8所述的散热装置，其特征在于，所述的强氧化剂包括双氧水，高锰酸钾，重铬酸钾，次氯酸钠及其混合物，其浓度为1摩尔/升及以上，所述的氧等离子体技术处理，为氧等离子体或者臭氧等离子体处理。
10.一种制备如权利要求1所述散热装置的方法，其步骤包括：
1)在硅基发热器件中沉积一层Si3N4绝缘层；
2)在Si3N4绝缘层上做官能团化处理；
3)将石墨烯分散到树脂中，将树脂固化得到高导热的石墨烯复合材料，再对两个底面进行抛光，除去底面的树脂，露出石墨烯；
4)将石墨烯复合材料与带有Si3N4绝缘层的硅基发热器夹紧，并在低压下加热处理；
5)将上述散热体系与基板互连，实现发热器件、热界面绝缘层、热层器件的完整系统构建。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤4)中，低压加热具体工艺为，在真空烘箱中的60～120℃温度下加热进行3～5小时。
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