CN107768331A - 使用石墨烯量子点的散热结构以及制造该散热结构的方法 - Google Patents

使用石墨烯量子点的散热结构以及制造该散热结构的方法 Download PDF

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Abstract

公开了使用诸如石墨烯量子点(GQD)的纳米尺寸的石墨烯碎片的散热结构和/或制造该散热结构的方法。一种散热结构包括发热元件以及在发热元件上以将产生自发热元件的热消散至外部的散热膜。散热膜可以包括GQD。

Description

使用石墨烯量子点的散热结构以及制造该散热结构的方法
技术领域
本公开涉及使用石墨烯量子点(GQD)的散热结构和/或制造该散热结构的方法。
背景技术
半导体芯片包括由于其操作而产生热的多个半导体器件。为了将产生自半导体器件的热消散至外部，散热膜可以被接合到半导体芯片的顶表面。通常，粘合层可以被用在半导体芯片与散热膜之间以将散热膜接合到半导体芯片。然而，粘合层会降低散热效率。
发明内容
提供了使用石墨烯量子点(GQD)的散热结构和/或制造该散热结构的方法。
另外的方面将在以下描述中被部分地阐述，且在一定程度上，将从该描述是明显的，或者可以通过本实施方式的实践而了解。
根据一些示例实施方式，一种散热结构包括发热元件(heating element)以及在发热元件上用于将产生自发热元件的热消散至外部的散热膜。散热膜包括石墨烯量子点(GQD)。
在一些示例实施方式中，散热膜还可以包括石墨烯、碳纳米管(CNT)和石墨烯氧化物中的至少一种。
在一些示例实施方式中，发热元件可以包括半导体芯片。半导体芯片可以包括由于其操作能够产生热的一个或更多个半导体器件。在这种情况下，散热膜可以在半导体芯片上以将产生自所述一个或更多个半导体器件的热消散至外部。
在一些示例实施方式中，半导体芯片还可以包括在所述一个或更多个半导体器件上的半导体衬底。半导体衬底的第一表面可以在所述一个或更多个半导体器件上，散热膜可以设置在半导体衬底的与第一表面相反的第二表面上。在这种情况下，散热膜可以直接接触半导体衬底的第二表面。
在一些示例实施方式中，散热结构还可以包括接合到半导体芯片的封装基板。
在一些示例实施方式中，散热膜可以具有50nm至35μm的厚度。GQD的每个可以具有拥有1nm至2nm的厚度和3nm至4nm的直径的盘形。
根据一些示例实施方式，一种制造散热结构的方法包括在发热元件的表面上涂覆包括石墨烯量子点(GQD)的溶液，以及通过使包括GQD的溶液干燥而在发热元件的表面上形成散热膜。
在一些示例实施方式中，该溶液还可以包括石墨烯、碳纳米管(CNT)和石墨烯氧化物中的至少一种。
在一些示例实施方式中，该溶液可以使用旋涂、丝网印刷和刮片法(doctor blademethod)中的一种被涂覆。
在一些示例实施方式中，发热元件可以包括包含由于其操作能够产生热的一个或更多个半导体器件的半导体芯片。半导体芯片还可以包括在所述一个或更多个半导体器件上的半导体衬底。
在一些示例实施方式中，半导体衬底的第一表面可以在所述一个或更多个半导体器件上，散热膜可以在半导体衬底的与第一表面相反的第二表面上。散热膜可以直接接触半导体衬底的第二表面。半导体芯片可以接合到封装基板。
根据一些示例实施方式，散热结构包括发热元件以及在发热元件上以将产生自发热元件的热消散至外部的散热膜。散热膜包括纳米尺寸的石墨烯碎片。
在一些示例实施方式中，纳米尺寸的石墨烯碎片可以为石墨烯量子点(GQD)，散热膜还可以包括碳纳米管(CNT)和石墨烯氧化物中的至少一种。
在一些示例实施方式中，发热元件可以包括半导体芯片，半导体芯片可以包括由于其操作能够产生热的一个或更多个半导体器件。
在一些示例实施方式中，半导体芯片还可以包括半导体衬底，散热膜可以直接接触半导体衬底。
在一些示例实施方式中，散热结构还可以包括接合到半导体芯片的封装基板。
附图说明
这些和/或另外的方面将由结合附图的本实施方式的以下描述变得明显且更容易理解，附图中：
图1是根据一些示例实施方式的散热结构的剖视图；
图2A和2B是石墨烯量子点(GQD)的扫描电子显微镜(SEM)图像；
图3是根据一些示例实施方式的散热结构的剖视图；
图4是根据一些示例实施方式的散热结构的剖视图；
图5A至5C是用于描述根据一些示例实施方式的制造散热结构的方法的剖视图；
图6A至6C是用于描述根据一些示例实施方式的制造散热结构的方法的剖视图；
图7和8是包括根据一些示例实施方式的散热膜的能量转换装置的剖视图；以及
图9A和9B是包括根据一些示例实施方式的散热膜的热电装置的剖视图。
具体实施方式
现在将参照其中一些示例实施方式被示出的附图更充分地描述示例实施方式。然而，示例实施方式可以以许多不同的形式被实现，并且不应被解释为限于在此陈述的实施方式；更确切地，这些示例实施方式被提供使得本公开将是彻底的和完整的，并将向本领域普通技术人员充分地传达发明构思的示例实施方式的范围。诸如“……的至少一个”的表述当在一列元素之后时修饰整列元素，而不修饰列中的个别元素。
图1是根据一些示例实施方式的散热结构100的剖视图。
参照图1，散热结构100包括发热元件110和设置在发热元件110上的散热膜120。这里，发热元件110可以包括由于其操作而产生热的一个或更多个器件。发热元件110可以是将在下面描述的包括一个或更多个半导体器件的半导体芯片，但不限于此。
散热膜120将产生自发热元件110的热消散至外部，并且可以包括纳米尺寸的石墨烯碎片，例如石墨烯量子点(GQD)。由于其化学性质和物理性质，例如高电导率、高比表面积、优良的耐腐蚀性和高化学稳定性，GQD被用在例如生物成像、药物递送、光电探测器、太阳能电池和生物传感器的各种技术领域中。在下文中，其中发热元件110包括GQD的非限制性示例被描述，但发明构思不限于此。
GQD的每个可以具有多层结构。例如，每个GQD可以具有约十层或更少层(例如约两层至约十层和/或约五层至约十层)的多层结构，但不限于此。GQD可以使用例如电子束光刻、化学合成或水热法(hydrothermal method)来制备。
GQD的每个可以具有纳米尺寸的盘形。例如，GQD可以具有约10nm至60nm的直径。例如，GQD的每个可以具有约3nm至4nm的直径和约1nm至2nm的厚度。然而，上述直径和厚度仅是示例，并且GQD可以具有各种直径和厚度。
图2A是包括GQD的散热膜的扫描电子显微镜(SEM)图像。图2B是图2A的放大SEM图像。
图2A和2B中所示的散热膜可以通过在发热元件的表面上涂覆包括GQD的溶液，然后使该溶液干燥来制备，这将在下面被描述。参照图2A和2B，多个GQD被随机地分布。
因为包括GQD的散热膜120被使用，所以可以实现优良的散热性能。GQD可以具有约1000W/m·K的热导率。与诸如铜(Cu)的金属相比，GQD可以具有优良的散热性能。包括GQD的散热膜120可以具有例如约50nm至35μm的厚度，但不限于此。如果散热膜120的厚度过小，则散热性能可能劣化。另外，如果散热膜120的厚度过大，则散热结构100不会具有小的厚度。
包括GQD的散热膜120可以设置在发热元件110的至少一个表面上。图1示出了其中散热膜120设置在发热元件110的顶表面上的情况。散热膜120可以设置为直接接触发热元件110的表面。就是说，散热膜120可以直接设置在发热元件110的表面上，而没有粘合层插置其间。
在一些示例实施方式中，由于包括GQD的散热膜120被使用，所以产生自发热元件110的热可以被有效率地消散至外部。此外，由于包括GQD的散热膜120直接设置在发热元件110的表面上而没有粘合层插置其间，所以散热性能可以被提高，并且散热结构100可以具有小的厚度。
图3是根据一些示例实施方式的散热结构200的剖视图。
参照图3，散热结构200包括发热元件210和设置在发热元件210上的散热膜220。散热膜220可以包括纳米尺寸的石墨烯碎片(例如GQD)、石墨烯、碳纳米管(CNT)和石墨烯氧化物中的至少一种。GQD的每个可以具有纳米尺寸的盘形。例如，GQD的每个可以具有约3nm至4nm的直径和约1nm至2nm的厚度。然而，GQD不限于此。
在一些示例实施方式中，除了纳米尺寸的石墨烯碎片(例如GQD)之外，散热膜220还可以包括石墨烯、CNT和石墨烯氧化物中的至少一种。这里，与GQD相比，石墨烯、CNT或石墨烯氧化物可以具有优良的散热性能。散热膜220可以具有例如约50nm至35μm的厚度，但不限于此。
散热膜220可以设置在发热元件210的至少一个表面上。图3示出了其中散热膜220设置在发热元件210的顶表面上的情况。散热膜220可以设置为直接接触发热元件210的表面。
在根据一些示例实施方式的散热结构200中，因为除石墨烯纳米尺寸的碎片(例如GQD)之外还包括石墨烯、CNT和石墨烯氧化物中的至少一种的散热膜220被使用，所以可以实现更优良的散热性能。此外，因为散热膜220直接设置在发热元件210的表面上，而没有粘合层插置其间，所以可以提高散热性能，并且散热结构200可以具有小的厚度。
图4是根据一些示例实施方式的散热结构300的剖视图。
参照图4，散热结构300包括半导体芯片340和设置在半导体芯片340上的散热膜320。这里，散热结构300可以是半导体封装。
半导体芯片340可以包括半导体衬底310和设置在半导体衬底310上的一个或更多个半导体器件315。半导体衬底310可以是例如硅衬底。然而，硅衬底仅是示例，并且半导体衬底310可以是各种半导体材料中的任意半导体材料的衬底。半导体器件315可以设置在半导体衬底310的第一表面310a(例如图4中的半导体衬底310的底表面)上。半导体器件315可以由于其操作而产生热。
散热膜320将产生自半导体器件315的热消散至外部，并且可以包括石墨烯纳米尺寸的碎片(例如GQD)。这里，包括GQD的散热膜320可以设置为直接接触半导体衬底310的与第一表面310a相反的第二表面310b(例如图4中的半导体衬底310的顶表面)。
包括GQD的散热膜320可以具有例如约50nm至35μm的厚度，但不限于此。散热膜320中包括的GQD的每个可以具有纳米尺寸的盘形。例如，GQD可以具有约10nm至60nm的直径。具体地，GQD的每个可以具有约3nm至4nm的直径和约1nm至2nm的厚度。然而，GQD不限于此。
散热结构300还可以包括接合到半导体芯片340的封装基板330。这里，封装基板330可以被接合到半导体芯片340的其上设置半导体器件315的底表面。
在散热结构300中，由于GQD具有优良的散热性能，并且包括GQD的散热膜320设置在半导体芯片340的顶表面上，所以产生自半导体芯片340的半导体器件315的热可以通过半导体衬底310和散热膜320被有效率地消散。此外，由于散热膜320可以直接设置在半导体芯片340的顶表面上，而没有粘合层插置其间，所以散热性能可以被提高，并且用作半导体封装的散热结构300可以具有小的厚度。
除纳米尺寸的石墨烯碎片(例如GQD)之外，散热膜320还可以包括石墨烯、CNT和石墨烯氧化物中的至少一种。在这种情况下，散热膜320的散热性能可以被进一步提高。
图5A至5C是用于描述根据一些示例实施方式的制造散热结构400的方法的剖视图。
参照图5A，发热元件410被准备。这里，发热元件410可以包括由于其操作而产生热的一个或更多个器件。发热元件410可以是包括一个或更多个半导体器件的半导体芯片，但不限于此。
参照图5B，包括纳米尺寸的石墨烯碎片(例如GQD)的溶液420'被涂覆在发热元件410上。为此，首先，包括纳米尺寸的石墨烯碎片(例如GQD)的溶液420'被制备。其中溶液420'包括GQD的非限制性示例被描述。溶液420'可以通过在溶剂中混合GQD来制备。这里使用的溶剂可以是例如N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、NH4OH或二甲基甲酰胺(DMF)，但不限于此。溶液420'中的GQD的浓度可以是例如约20重量百分比(wt％)。然而，GQD的浓度不限于此，并且可以被各种各样地改变。
然后，包括GQD的溶液420'被涂覆在发热元件410上。溶液420'可以被涂覆在发热元件410的至少一个表面上。这里，包括GQD的溶液420'可以使用例如旋涂、丝网印刷或刮片法被涂覆。
参照图5C，散热结构400通过在发热元件410上形成包括GQD的散热膜420来制备。散热膜420可以通过使包括GQD并涂覆在发热元件410上的溶液420'干燥以去除溶剂而形成。照此，包括GQD的散热膜420可以形成为直接接触发热元件410的表面。
在以上描述中，散热膜420可以通过在发热元件410的表面上涂覆包括GQD的溶液420'并使溶液420'干燥来制备。或者，除纳米尺寸的石墨烯碎片(例如GQD)之外还包括石墨烯、CNT和石墨烯氧化物中的至少一种的溶液可以被涂覆在发热元件410的表面上，然后被干燥。在这种情况下，包括GQD以及石墨烯、CNT和石墨烯氧化物中的至少一种的散热膜可以形成在发热元件410的表面上。
图6A至6C是用于描述根据一些示例实施方式的制造散热结构500的方法的剖视图。
参照图6A，半导体芯片540被准备。这里，半导体芯片540可以包括半导体衬底510和设置在半导体衬底510上的一个或更多个半导体器件515。半导体芯片540可以通过切割其上已经安装有半导体器件515的半导体晶片来制备。
半导体衬底510可以是例如硅衬底。然而，硅衬底仅是示例，并且半导体衬底510可以是各种半导体材料中的任意半导体材料的衬底。半导体器件515可以设置在半导体衬底510的第一表面510a(例如图6A中的半导体衬底510的底表面)上。半导体器件515可以由于其操作而产生热。半导体芯片540可以被接合到封装基板530。封装基板530可以被接合到半导体芯片540的其上设置半导体器件515的底表面。
参照图6B，包括纳米尺寸的石墨烯碎片(例如GQD)的溶液520'可以被涂覆在半导体芯片540的表面上。为了描述的容易，其中纳米尺寸的石墨烯碎片为GQD的示例被描述。为此，首先，包括GQD的溶液520'被制备。溶液520'可以通过在溶剂中混合GQD来制备。这里使用的溶剂可以是例如N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、NH4OH或二甲基甲酰胺(DMF)，但不限于此。溶液520'中的GQD的浓度可以是例如约20重量百分比(wt％)，但不限于此。
然后，包括GQD的溶液520'被涂覆在半导体芯片540上。这里，包括GQD的溶液520'可以被涂覆在半导体衬底510的与第一表面510a相反的第二表面510b(例如图6B中的半导体衬底510的顶表面)上。包括GQD的溶液520'可以使用例如旋涂、丝网印刷或刮片法被涂覆。
参照图6C，包括GQD的散热膜520形成在半导体芯片540的顶表面上。散热膜520可以通过使包括GQD并涂覆在半导体芯片540上的溶液520'干燥以去除溶剂而形成。照此，包括GQD的散热膜520可以形成为直接接触半导体衬底510的顶表面。
在以上描述中，散热膜520通过在半导体芯片540的顶表面上涂覆包括GQD的溶液520'并使溶液520'干燥来制备。或者，除GQD之外还包括石墨烯、CNT和石墨烯氧化物中的至少一种的溶液可以被涂覆在半导体芯片540的顶表面上，然后被干燥。在这种情况下，包括GQD以及石墨烯、CNT和石墨烯氧化物中的至少一种的散热膜可以形成在半导体芯片540的顶表面上。
图7和8是包括根据一些示例实施方式的散热膜的能量转换装置的剖视图。
参照图7，能量转换装置700可以包括在能量产生元件710的表面上的散热膜720。在图7中，散热膜720可以在能量产生元件710的上表面上，但是散热膜720能替代地在能量产生元件710的下表面或侧表面上。能量产生元件710可以是太阳能电池或电池，但不限于此。散热膜720可以与以上讨论的散热膜(例如散热膜120、220、320、420、520)中的任何一个相同。
参照图8，除能量转换装置800可以在能量产生元件710的至少两个表面上包括散热膜720之外，能量转换装置800可以与图7中的能量转换装置700相同。例如，散热膜720可以在能量产生元件710的上表面和下表面上(和/或覆盖能量产生元件710的上表面和下表面)。
图9A和9B是包括根据一些示例实施方式的散热膜的热电装置的剖视图。
参照图9A，热电装置1000可以包括在热电元件TM与紧邻热温度区域H1和冷温度区域L1的电极EL1和EL2之间的散热膜920。热温度区域H1可以是比冷温度区域L1更高的温度区域。热电装置1000可以用于对电池ED2充电。散热膜920可以与以上讨论的散热膜(例如散热膜120、220、320、420、520、720)中的任何一个相同。
参照图9B，除电极EL1和/或EL2可以被省略之外，热电装置2000可以与图9A中的热电装置1000相同。
在一些示例实施方式中，多个半导体芯片通过切割其上已经安装有半导体器件的半导体晶片来制备，并且散热膜520形成在半导体芯片540的顶表面上。然而，或者，散热结构可以通过在半导体晶片的其上已经安装有半导体器件的表面上形成散热膜，然后切割该半导体晶片来制备。
根据上述实施方式，由于包括纳米尺寸的石墨烯碎片(例如GQD)的散热膜被使用，所以产生自诸如半导体芯片的发热元件的热可以被有效率地消散至外部。此外，由于包括纳米尺寸的石墨烯碎片(例如GQD)的散热膜直接设置在发热元件的表面上而没有粘合层插置其间，所以散热性能可以被提高，并且诸如半导体封装的散热结构可以具有小的厚度。
应理解，这里描述的示例实施方式应仅在描述性的意义上被考虑，并且不是为了限制的目的。每个实施方式内的特征或方面的描述通常应被认为可用于其它实施方式中的其它相似的特征或方面。
虽然已经参照附图描述了一个或更多个实施方式，但本领域普通技术人员将理解，可以在此进行在形式和细节上的各种改变而不背离如由所附权利要求限定的精神和范围。
本申请要求2016年8月23日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0106980号的优先权，其公开通过引用全文合并于此。

Claims (23)

1.一种散热结构，包括：
发热元件；以及
散热膜，其在所述发热元件上以将产生自所述发热元件的热消散至外部，所述散热膜包括石墨烯量子点。
2.根据权利要求1所述的散热结构，其中所述散热膜还包括石墨烯、碳纳米管和石墨烯氧化物中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的散热结构，其中
所述发热元件包括半导体芯片，以及
所述半导体芯片包括由于其操作能够产生热的一个或更多个半导体器件。
4.根据权利要求3所述的散热结构，其中
所述散热膜在所述半导体芯片上以将产生自所述一个或更多个半导体器件的热消散至外部。
5.根据权利要求4所述的散热结构，其中
所述半导体芯片还包括半导体衬底，以及
所述半导体衬底在所述一个或更多个半导体器件上。
6.根据权利要求5所述的散热结构，其中
所述半导体衬底的第一表面在所述一个或更多个半导体器件上，以及
所述散热膜在所述半导体衬底的与所述第一表面相反的第二表面上。
7.根据权利要求6所述的散热结构，其中所述散热膜直接接触所述半导体衬底的所述第二表面。
8.根据权利要求5所述的散热结构，还包括：
接合到所述半导体芯片的封装基板。
9.根据权利要求1所述的散热结构，其中所述散热膜具有50nm至35μm的厚度。
10.根据权利要求1所述的散热结构，其中
所述石墨烯量子点的每个具有盘形，
所述石墨烯量子点的每个具有1nm至2nm的厚度，以及
所述石墨烯量子点的每个具有3nm至4nm的直径。
11.一种制造散热结构的方法，所述方法包括：
在发热元件的表面上涂覆包括石墨烯量子点的溶液；以及
通过使所述包括石墨烯量子点的溶液干燥在所述发热元件的所述表面上形成散热膜。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述溶液还包括石墨烯、碳纳米管和石墨烯氧化物中的至少一种。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述涂覆所述溶液包括旋涂、丝网印刷和刮片法中的一种。
14.根据权利要求11所述的方法，其中
所述发热元件包括半导体芯片，以及
所述半导体芯片包括由于其操作能够产生热的一个或更多个半导体器件。
15.根据权利要求14所述的方法，其中
所述半导体芯片还包括半导体衬底，以及
所述半导体衬底在所述一个或更多个半导体器件上。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述半导体衬底的第一表面在所述一个或更多个半导体器件上；以及
所述散热膜在所述半导体衬底的与所述第一表面相反的第二表面上。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述散热膜直接接触所述半导体衬底的所述第二表面。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述半导体芯片被接合到封装基板。
19.一种散热结构，包括：
发热元件；以及
散热膜，其在所述发热元件上以将产生自所述发热元件的热消散至外部，所述散热膜包括纳米尺寸的石墨烯碎片。
20.根据权利要求19所述的散热结构，其中
所述纳米尺寸的石墨烯碎片为石墨烯量子点，以及
所述散热膜还包括碳纳米管和石墨烯氧化物中的至少一种。
21.根据权利要求19所述的散热结构，其中
所述发热元件包括半导体芯片，以及
所述半导体芯片包括由于其操作能够产生热的一个或更多个半导体器件。
22.根据权利要求21所述的散热结构，其中
所述半导体芯片还包括半导体衬底，以及
所述散热膜直接接触所述半导体衬底。
23.根据权利要求21所述的散热结构，还包括：
接合到所述半导体芯片的封装基板。
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