CN107429395A - 电设备中的导热ald涂层 - Google Patents

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Abstract

一种用于在衬底(20)的表面上提供导热涂层(60)的方法，以及一种导热涂层，包括通过ALD来沉积第一材料的至少一个薄的连续层；其中第一材料具有比衬底低的热导率。电子部件(50)产生热量，该热量通过声子被传递到导热涂层并耗散。

Description

电设备中的导热ALD涂层
技术领域
本发明一般地涉及原子层沉积(ALD)。更特别地，本发明涉及借助于ALD来提供导热涂层。
背景技术
本部分说明了有用的背景信息，但并不承认本文所描述的任何技术表示现有技术。
电子部件在使用时产生热量。现代电子设备的尺寸需要高效的热传递布置，以便从发热部件传递热量并降低过热的风险。此外，热量需要以受控的方式来传递和耗散，以便避免电子设备的表面温度例如在某些区域变得过高。在诸如微处理器的电子部件内，以及例如在使用例如发光二极管的照明设备中，也需要高效的热传递。
随着电子设备尺寸(例如，电子设备的厚度)的减小，热传递布置需要是有效的。诸如使用热传递带的已知布置已被证明对于受控的热传递和耗散而言是不太理想的。
发明内容
根据本发明的第一示例方面，提供了一种用于在衬底的表面上提供导热涂层的方法，包括：
通过ALD在衬底的表面上沉积第一材料的至少一个薄的连续层；其中
第一材料具有比衬底低的热导率。
该方法还可以包括：通过ALD在第一材料的至少一个层上沉积第二材料的至少一个薄的连续层。
该方法还可以包括：沉积第一材料和第二材料的交替层。
第一材料和/或第二材料的薄的连续层可以是非晶的。
衬底可以包括高热导率材料。
第一材料和/或第二材料可以包括非晶金属氧化物。
第一材料和/或第二材料可以包括从包括铝、镁、铪、钛、钽和锆的组中选择的材料。
第一材料和/或第二材料可以从包括氧化铝、氧化镁、氧化铪、氧化钛、氧化钽和氧化锆的组中选择。
涂层的厚度可以达到250nm。
根据本发明的第二示例方面，提供了一种导热涂层，包括：
第一材料的至少一个薄的连续层，其通过ALD而被沉积在衬底的表面上；其中
第一材料具有比衬底低的热导率。
该涂层还可以包括：第二材料的至少一个薄的连续层，其通过ALD而被沉积在第一材料的至少一个薄的连续层上。
该涂层还可以包括：第一材料和第二材料的交替层，其通过ALD而被沉积。
第一材料和/或第二材料的薄的连续层可以是非晶的。
第一材料和/或第二材料可以包括非晶金属氧化物。
第一材料和/或第二材料可以包括从包括铝、镁、铪、钛、钽和锆的组中选择的材料。
第一材料和/或第二材料可以来自包括氧化铝、氧化镁、氧化铪、氧化钛、氧化钽和氧化锆的组。
该涂层的厚度可以达到250nm。
根据本发明的第三示例方面，提供了一种热传递装置，包括：
衬底；以及
本发明的第二示例方面的导热涂层。
衬底可以包括高热导率材料。
根据本发明的第四示例方面，提供了一种装置，包括：
热源；以及
本发明的第二示例方面的导热涂层；或者
本发明的第三示例方面的热传递装置。
该装置可以是电子设备、照明设备或微处理器。
根据本发明的第五示例方面，提供了一种方法，包括：
将来自电设备的热源的热量接收到ALD层中，该ALD层具有第一材料的至少一个薄的连续层；以及
在ALD层中，通过声子、将所接收的热量远离该热源而传递。
ALD层可以包括本发明的第二示例方面的导热涂层。
ALD层可以利用本发明的第一示例方面的方法来提供。
根据本发明的第六示例方面，提供了一种电子装置，包括：
热源；以及
ALD层，具有第一材料的至少一个薄的连续层，该装置被配置为：在ALD层中，通过声子、将从热源接收到ALD层中的热量远离热源而传递。
ALD层可以包括本发明的第二示例方面的导热涂层。
ALD层可以利用本发明的第一示例方面的方法而被提供。
根据本发明的第七示例方面，提供了一种热传递涂层，该热传递涂层用于本发明的第六示例方面的电子装置，该热传递涂层包括衬底和沉积在衬底上的ALD层，该ALD层提供本发明的第二示例方面的ALD层。
根据本发明的第八示例方面，提供了一种提供本发明的第七示例方面的热传递涂层的方法，该方法包括在衬底上沉积ALD层。
前文已说明了本发明的不同的非约束性的示例方面和实施例。上述实施例仅仅用于解释可以用在本发明的实现方式中的所选择的方面或步骤。一些实施例可以仅参考本发明的某些示例方面来呈现。应当理解，对应的实施例也可以应用于其他示例方面。可以形成实施例的任何合适的组合。
附图说明
现在将参考附图仅通过示例的方式来描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明的一个示例实施例的设备和导热涂层的示意图；
图2示出了根据本发明的一个示例实施例的设备和导热涂层的放大示意图；
图3示出了根据本发明的一个示例实施例的设备和导热涂层及其操作原理的放大示意图；
图4示出了根据本发明的一个示例实施例的导热涂层的示意图；以及
图5示出了根据本发明的一个示例实施例的方法。
具体实施方式
在以下描述中，使用原子层沉积(ALD)技术作为示例。ALD生长机制的基础知识是技术人员已知的。ALD是基于向至少一个衬底依次引入至少两种反应性前驱体物质的特殊的化学沉积方法。通过ALD生长的薄膜是致密、无孔的，并且具有均一的厚度。
至少一个衬底通常在反应容器中暴露于时间上隔开的前驱体脉冲，以通过依次的自饱和表面反应将材料沉积在衬底表面上。在本申请的上下文中，术语ALD包括所有适用的基于ALD的技术以及任何等价或密切相关的技术，诸如，例如MLD(分子层沉积)技术。
基本的ALD沉积循环由四个依次的步骤组成：脉冲A、清洗A、脉冲B以及清洗B。脉冲A由第一前驱体蒸气组成，而脉冲B由另一前驱体蒸气组成。惰性气体和真空泵通常用于在清洗A和清洗B期间从反应空间清洗气态反应副产物和残余反应物分子。沉积序列包括至少一个沉积循环。重复沉积循环，直到沉积序列已产生所期望厚度的薄膜或涂层。沉积循环也可以更复杂。例如，循环可以包括通过清洗步骤而隔开的三个或更多个反应物蒸气脉冲。所有这些沉积循环形成由逻辑单元或微处理器控制的定时的沉积序列。
本发明寻求通过使用应用ALD的纳米层以提供表面上的导热涂层，来改进现有的热传递解决方案。
图1示出了根据本发明的一个示例实施例的设备和导热涂层的示意图。在一个示例实施例中，电子设备包括例如移动电话、智能电话、平板计算机、或电子书阅读器。图1示出了电路板40(即印刷线路板)，电路板40上安装或设置有电子部件50。电子部件50在使用中产生热量，该热量需要从由电子部件50产生的热点传递出去。在一个示例实施例中，电子部件例如是微处理器。图1还示出了电子设备的后盖30(诸如聚合物盖)，以及电子设备的前盖10。在一个示例实施例中，前盖10包括窗口组件，例如用玻璃覆盖的触摸屏。
图1还示出了包括高热容量衬底材料(诸如镁)的衬底20。衬底20涂覆有导热涂层60。导热涂层60是使用ALD而被沉积在衬底上的。在一个示例实施例中，衬底20在其两侧或所有侧面上均被涂覆，并且图1相应地示出了使用ALD而被沉积在衬底上的另一导热涂层70。在一个实施例中，具有导热涂层的衬底20被用在诸如照明设备的不同类型的设备中，以便高效地传递来自例如由用作光源的发光二极管形成的热点的热量。在又一示例实施例中，不需要单独的衬底，而是将设备中需要热传递的部分用作衬底20，即，导热涂层60通过ALD直接沉积在设备中需要热传递的部分上，例如直接沉积在与微处理器的部件相同的电路板上。在一个示例实施例中，热量远离热点而被传递至散热器。
图2示出了根据本发明的一个示例实施例的设备和导热涂层的放大示意图。示出了在使用中会产生热量的电子部件50，以及具有高热容量的衬底20和使用ALD而被沉积在衬底的表面上的导热涂层60。
图3示出了根据本发明的一个示例实施例的设备和导热涂层及其操作原理的放大示意图。由电子部件50产生的热量被传递到导热涂层60。导热涂层60快速传递来自电子部件50所产生的热点的热量，同时该热量被传递到具有高热容量的衬底20。由此，所产生的热量以受控的方式均匀地扩散并耗散。在导热涂层的纵向方向上，即在与涂层的层和衬底的表面平行的方向上，热传递尤其高效。在一个示例实施例中，导热涂层60的一个或多个层是共形的(conformal)。
在诸如导热涂层60的纳米层中，热传递至少部分地通过晶体点阵中的振动(被称为声子)来实施。诸如导热涂层60的薄膜的热传递性质取决于一种或多种材料(即，涂层的成分或不同的层)，并且还取决于层的形态和界面特性。已从理论阐明，对于高热导率，即对于纳米层中快速且高效的热传递，导热涂层中声子的传播应当是不受阻碍的，并且声子彼此的干扰应当是最小化的。这取决于导热涂层60的结构。材料(例如，导热涂层)的热传递及由此的热导率可以被近似成取决于材料中声子的平均自由程。平均自由程受到材料中的缺陷(例如点阵结构中的晶体或晶界)的影响，这定义了材料热导率的上限。
发明人已经确定，利用ALD施加的导热涂层60提供优异的导热性，以及因此的从需要传递和耗散热量的热点的高效热传递。发明人已经确定，特别是在涂层的平面中的热传递，即平行于涂层的层的热传递是高效的。发明人已经确定，通过ALD沉积的薄的连续层(即，基本上没有缺陷和界面的层)提供了高效的面内热传递，并且发明人进一步确定了所谓的纳米叠层进一步提供高效的面内热传递，该所谓的纳米叠层包括通过ALD沉积的不同材料的相继层。
在一个示例实施例中，导热涂层60包括单一材料或第一材料的利用ALD沉积的至少一个薄的连续层(在一个示例实施例中，甚至是单层)。在另一示例实施例中，导热涂层包括例如Al2O3的单一材料的利用ALD沉积的多个单层，使得涂层的厚度例如达到约250nm，或甚至达到约500nm。在一个示例实施例中，第一材料具有比第一材料被沉积在其上的衬底或表面低的热导率，但是作为薄的连续涂层提供比未涂覆的衬底高效的热传递。在一个示例实施例中，薄的连续涂层是非晶的。
然而，利用ALD沉积的单一材料的涂层虽然是导热的，但并不总是最高效的。在又一示例实施例中，导热涂层60包括利用ALD沉积的纳米叠层，使得纳米叠层状涂层的厚度例如达到约250nm，甚至达到约500nm，所述纳米层状物即两种或更多种不同材料的相继的薄的连续层。在一个示例实施例中，第一和/或第二材料的薄的连续涂层是非晶的。
通过ALD而沉积的涂层的性质可以被精确地控制。所沉积的涂层具有提供薄的连续层的高均一性和共形性。材料的结构可以被控制为是非晶的，即没有晶体特性。通过ALD而沉积的连续薄膜(在一个示例实施例中，也是非晶的)的性质提供了良好的导热性。
在一个优选实施例中，导热涂层至少包括第一材料的第一层和第二材料的第二层。在一个示例实施例中，第一材料和第二材料两者均具有比涂层被沉积在其上的衬底或表面低的热导率，但是由于声子热传递，仍然提供比未涂覆的表面高效的热传递。在又一示例实施例中，导热涂层包括纳米叠层结构，即至少包括夹在第二材料的层之间的第一材料的第一层。利用这种纳米叠层，实现了增加的热传递。纳米叠层的层提供了高效的面内声子热传递，同时层边界减少了可能导致热传递能力降低的横跨平面的传递。在一个示例实施例中，通过ALD沉积如下的纳米叠层：该纳米叠层具有例如2nm和13nm层厚度并且具有例如每种材料8层，产生125nm的涂层厚度。在一个示例实施例中，导热涂层60包括非晶金属氧化物材料。用于导热涂层的适当材料包括例如氧化铝、氧化锌、氧化镁、氧化铪、氧化钽、氧化锆、氧化钛及其组合。
图4示出了根据本发明的一个示例实施例的导热涂层60的示意图。图4示出了包括第一材料的层80a-80h和第二材料的层90a-90h的纳米叠层结构。在一个示例实施例中，第一材料和第二材料的层数相同，但是容易设想每种材料的层数不同。下表中示出了第一材料和第二材料以及层80a-80h和层90a-90h的厚度的一个示例。
材料 涂层厚度约 层厚度约
Al2O3:ZnO 125nm 8*(2nm Al2O3+13nm ZnO)
Al2O3:ZnO 125nm 8*(13nm Al2O3+2nm ZnO)
下表示出了用根据本发明的示例实施例的导热涂层进行的测试的结果。该表示出了所使用的涂层材料和厚度的一些示例，以及在热量要被传递出去的热点处(即，在热源处)测量的所产生的温度。应当注意，利用ALD沉积的第一材料以及在一个示例实施例中的第二材料的涂层增加了离开热点的热传递，从而降低了热点处的温度。
图5示出了根据本发明的一个示例实施例的方法。在步骤500，在ALD工艺中，将第一材料的层沉积在例如衬底的表面上。ALD工艺是技术人员已知的。在步骤510，在ALD工艺中，将第二材料的层沉积在第一材料的层上。在步骤520，如果使用单独的衬底，则将涂覆的衬底组装到使用该衬底的设备上。如果期望纳米叠层结构，则根据纳米叠层结构的需要来重复步骤500和510。
在不限制专利权利要求的范围和解释的情况下，以下列举了本文所公开的示例实施例中的一个或多个示例实施例的某些技术效果：本发明的技术效果是提供具有增加的热传导的导热涂层。另一技术效果是提供从电子设备的受控的热分布和耗散。
应当注意，前文所讨论的功能或方法步骤中的一些功能或方法步骤可以以不同的顺序和/或彼此同时执行。此外，上述功能或方法步骤中的一种或多种功能或方法步骤可以是可选的或者可以是组合的。
以上描述已经通过本发明的具体实现方式和实施例的非限制示例的方式，提供了为实施本发明由发明人目前设想的最佳模式的完整和翔实的描述。然而，本领域技术人员清楚的是，本发明不限于上文所呈现的实施例的细节，而是可以在不脱离本发明的特征的情况下使用等效手段在其他实施例中实现本发明。
此外，可以有利地使用本发明的上文所公开的实施例的特征中的一些特征，而不对应地使用其他特征。如此，前文的描述应当被认为仅仅是对本发明的原理的说明，而不是对其的限制。因此，本发明的范围仅由所附专利权利要求限制。

Claims (29)

1.一种用于在衬底的表面上提供导热涂层的方法，包括：
通过ALD在所述衬底的所述表面上沉积第一材料的至少一个薄的连续层；其中
所述第一材料具有比所述衬底低的热导率。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：通过ALD在第一材料的至少一个所述层上沉积第二材料的至少一个薄的连续层。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括：沉积所述第一材料和所述第二材料的交替层。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述第一材料和/或所述第二材料的所述薄的连续层是非晶的。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述衬底包括高热导率材料。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述第一材料和/或所述第二材料包括非晶金属氧化物。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述第一材料和/或所述第二材料包括从包括铝、镁、铪、钛、钽和锆的组中选择的材料。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述第一材料和/或所述第二材料从包括氧化铝、氧化镁、氧化铪、氧化钛、氧化钽和氧化锆的组中选择。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述涂层的厚度达到250nm。
10.一种导热涂层，包括：
第一材料的至少一个薄的连续层，其通过ALD而被沉积在衬底的表面上；其中
所述第一材料具有比所述衬底低的热导率。
11.根据权利要求10所述的涂层，还包括：第二材料的至少一个薄的连续层，其通过ALD而被沉积在第一材料的至少一个所述层上。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的涂层，还包括：所述第一材料和所述第二材料的交替层，其通过ALD而被沉积。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的涂层，其中所述第一材料和/或所述第二材料的所述薄的连续层是非晶的。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的涂层，其中所述第一材料和/或所述第二材料包括非晶金属氧化物。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的涂层，其中所述第一材料和/或所述第二材料包括从包括铝、镁、铪、钛、钽和锆的组中选择的材料。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的涂层，其中所述第一材料和/或所述第二材料来自包括氧化铝、氧化镁、氧化铪、氧化钛、氧化钽和氧化锆的组。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的涂层，其中所述涂层的厚度达到250nm。
18.一种热传递装置，包括：
衬底；以及
根据权利要求10至17中的任一项所述的导热涂层。
19.根据权利要求18所述的热传递装置，其中所述衬底包括高热导率材料。
20.一种装置，包括：
热源；以及
根据权利要求10至17中的任一项所述的导热涂层；或者
根据权利要求18至19中的任一项所述的热传递装置。
21.根据权利要求20所述的装置，其中所述装置是电子设备、照明设备或微处理器。
22.一种方法，包括：
将来自电设备的热源的热量接收到ALD层中，所述ALD层具有第一材料的至少一个薄的连续层；以及
在所述ALD层中，通过声子、将所接收的热量远离所述热源而传递。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述ALD层包括根据权利要求10至17中的任一项所述的导热涂层。
24.根据权利要求23或24所述的方法，其中所述ALD层利用根据权利要求1至9中的任一项所述的方法来提供。
25.一种电子装置，包括：
热源；以及
ALD层，具有第一材料的至少一个薄的连续层，所述装置被配置为：在所述ALD层中，通过声子、将从热源接收到所述ALD层中的热量远离所述热源而传递。
26.根据权利要求25所述的电子装置，其中所述ALD层包括根据权利要求10至17中的任一项所述的导热涂层。
27.根据权利要求25或26所述的电子装置，其中所述ALD层利用根据权利要求1至9中的任一项所述的方法而被提供。
28.一种热传递涂层，用于根据权利要求25所述的电子装置，所述热传递涂层包括衬底和沉积在所述衬底上的ALD层，所述ALD层提供根据权利要求10至17中的任一项所述的ALD层。
29.一种提供热传递涂层的方法，所述热传递涂层是根据权利要求28所述的热传递涂层，所述方法包括：在所述衬底上沉积所述ALD层。
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