TWI406368B - 熱介面結構及其製造方法 - Google Patents

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Description

熱介面結構及其製造方法
本發明大體上係有關於一種熱傳導結構。詳細地說，本發明係有關於一種得以用在熱傳導模組之熱介面結構，其中積體電路(IC)晶片係內嵌在該熱傳導模組中。
近年來，隨著更高密度IC之發展也持續地增加了半導體IC之功率消耗。電功率之增加導致所產生的熱的增加，並且進而形成為阻礙半導體IC之時脈頻率的改善其中一原因。鑑於此原因，半導體IC必須高效率地被冷卻，以進一步改善半導體IC之時脈頻率。一熱接觸材料(熱介面材料)係設置在半導體IC與熱輻射機構(熱槽(heat sink))之間，以作為用來冷卻半導體IC之結構，藉此緩和熱擴展的影響。在此介面的熱阻抗很高，並且佔據整個冷卻系統之熱阻抗的約一半。是以，所需要的是一種具有盡可能低熱阻抗之熱介面結構。
這樣的情況下，一種具有高熱傳導性與高機械可撓性之碳奈米管(carbon nanotube)，在此稱為“CNT”，係被期待用作為熱接觸材料。H.Ammita等人在“Utilization of carbon fibers in thermal management of Microelectronics,”2005 10th International Symposium on Advanced Packaging Materials：Processes,Properties and Interfaces,259(2005)係揭示藉由將CNT併入脂肪、油等等中以將CNT作為一熱接觸材料(油脂)之使用。美國專利US6,965,513係揭示了配向地成長的CNT係作為一熱接觸材料，其中CNT是藉由利用彈性體等等來鍵結在一起以形成在該熱接觸材料內。然而，任何該些文獻都沒有獲得降到實用程度之低熱阻抗值。這是因為CNT與基材之間存在有高熱阻抗，其中CNT與基材接觸。鑑於此理由，需要一種得以在CNT與基材之間達到低熱阻抗(高熱耦合)的方法。
本發明之一目的在於提供一種具有低熱阻抗之熱介面結構。
本發明之另一目的在於提供一種具有高熱傳導效率之熱傳導模組。
本發明係提供一種熱介面結構，其包括：一經配向之碳奈米管層；以及多個金屬層，其分別被提供在該碳奈米管層之兩表面上，該些表面係位在該些碳奈米管之邊緣被配向的方向(在此，表面將係指「邊緣表面」)。
本發明係提供一種熱傳導模組，其包括：一發熱體；一輻射體；以及介於該發熱體及該輻射體之間的一熱介面結構。該熱介面結構包括：一碳奈米管層，多個碳奈米管在該碳奈米管層中被配向成實質上平行於自該發熱體至該輻射體的方向；一第一金屬層，其連接至該碳奈米管層之邊緣表面之一且熱連接至該發熱體；以及一第二金屬層， 其連接至該碳奈米管層之另一邊緣表面且熱連接至該輻射體。
在本發明中，為了減少熱阻抗，多個金屬層被提供在CNT層與基材(或面對CNT層的層)之間。金屬層是藉由例如濺鍍方法以在被配向地成長之CNT層之表面上作為連續金屬層來形成。再者，金屬層之表面可以利用例如一低熔點金屬進一步地熱耦合至基材。
藉由這些元件，本發明達成了一種具有低熱阻抗之熱傳導結構。CNT的方位、高熱傳導性與機械可撓性係完全地被利用以達成上述目的。本發明將參照附圖被詳細地敘述。
第1圖顯示本發明之一熱介面結構10的截面圖。熱介面結構10包括一CNT層1與金屬層2、3。CNT層1之CNT係被配向成實質上平行於熱傳送之方向(第1圖中大約垂直的方向)。CNT為一維的熱傳導物質。雖然在CNT之管之縱向軸方向的熱傳導性係相當大，在平行於縱向軸之方向(即水平方向)的熱傳導性是小的。因此，在本發明中，被配向之CNT層之CNT的方向係較佳為沿著(平行於)CNT之管之縱向軸方向的方向。金屬層2及3分別地結合至CNT層1之上表面與下表面。較佳地，金屬層是由選自從金、鎳與鉑所構成群組之金屬所製成。其他金屬(例如銀)可以作為金屬層。為了增加CNT層之機械強度，一彈性材料(例如矽彈性體)可以散置在CNT層1之CNT之間。
第2圖顯示本發明之一熱傳導模組20的截面圖。第2圖顯示有使用第1圖之熱介面結構10。位在熱介面結構之上側的金屬層2連接至一熱槽(heat sink)6，一低熔點金屬材料(例如鎵、其合金等等)或焊接材料(例如鉛－錫合金)插置在金屬層2與熱槽6之間。在此，低熔點金屬材料或焊接材料係以標號4來表示。同樣地，位在熱介面結構之下側的金屬層3連接至一發熱體7，一低熔點金屬材料或焊接材料插置在金屬層3與發熱體7之間。在此情況，低熔點金屬材料或焊接材料係以標號5來表示。發熱體7係例如一半導體IC(IC晶片)。熱槽6是由具有高熱傳導性之材料(例如鋁)所製成。IC晶片之範例包括微處理單元(micro－processor unit,MPU)。
第3圖顯示製造本發明熱介面結構之方法的一實施例。在步驟(a)，在矽基材31上，一CNT層32之CNT係成長為被配向於垂直方向。CNT係成長於例如一用於熱CVD之容器中(其中乙炔氣體注入該容器)，同時基材溫度設定在750℃。CNT層32之厚度為約30奈米至150奈米。在步驟(b)，一金屬層33形成在CNT層32之表面上。例如，一金層藉由濺鍍設備形成為具有約1奈米之厚度。金屬層33之厚度約0.5奈米至5奈米。此相當厚的金屬層33改善了CNT層32之熱耦合以及金屬強度。因此，可以避免CNT之方位的擾亂。在步驟(c)，一液態金屬層34(例如鎵)塗覆在金屬層33之表面上。
在步驟(d)，基材31結合至一金屬塊35(例如銅塊)，因此液態金屬層34可以接觸金屬塊35之表面。之後，整個結構或對應於液態金屬層34之其中一部分係從外側冷卻，以將液態金屬層34固化。在鎵為主之液態金屬的情況中，冷卻溫度係例如不高於約4℃。由於此固化，基材31(CNT層32)與金屬塊35藉由液態金屬層34插置於其間來耦合。值得注意的是，取代從外側冷卻整個結構或對應於液態金屬層34之其中一部分的是，金屬塊35得以事先藉由冷卻至液態金屬層34固化的溫度或更低溫度而被製備。然後，液態金屬層34結合至金屬塊35的表面。
在步驟(e)，藉由將基材31從CNT層32移除，基材31與CNT層32分離。在步驟(f)，整個結構或對應於液態金屬層34之其中一部分從外側被加熱，以熔化經固化的液態金屬層34。接著，CNT層32從金屬塊35分離。在步驟(g)，經熔化的液態金屬層34從金屬層33之表面移除。在步驟(h)，在CNT層32之暴露的表面上，一金屬層36以類似於步驟(b)的方式被形成。經由前述一連串步驟之後，一種使用CNT層之熱介面結構即已被製造。值得注意的是，在步驟(g)之後，一可流動的彈性材料(例如矽彈性體)可以滲入介於CNT層32的CNT之間的每一間隙中。由於彈性材料之固化，可以增加CNT層32之機械強度。
第4圖顯示製造本發明熱介面結構之方法的另一實施例。步驟(a)與(b)係與第3圖之步驟(a)與(b)相同。在步驟(c)，在金屬層33之表面上，一紫外線(UV)可移除帶40係被貼附。UV可移除帶為一膠帶，其一黏著層可以從一欲被黏附的標靶被移除。詳細地說，黏著層藉由以UV光來照射而產生氣體(氣泡)而被裂解，並且接著黏著層被移除。在步驟(d)，藉由將基材31從CNT層32移除，基材31與CNT層32彼此地分離。在步驟(e)，藉由以UV來照射UV可移除帶40，黏著層被裂解。在步驟(f)，藉由將UV可移除帶40從金屬層33之表面移除，UV可移除帶40與金屬層33彼此地分離。在此時，在移除之後黏著劑的殘餘物保留在金屬層33表面上的情況中，殘餘物藉由臭氧清潔而被移除。在步驟(g)，在CNT層32之表面上，金屬層36係以如同第3圖之步驟(h)被形成。經由前述一連串步驟之後，一種使用CNT層之熱介面結構即已被製造。值得注意的是，在步驟(g)之後，在一真空容器內，一彈性材料(例如矽彈性體)可以滲入介於CNT層32的CNT之間的每一間隙中。由於彈性材料之固化，可以增加CNT層32之機械強度。
對於根據第3圖方法製造之熱介面結構的熱阻抗進行測量。在此測量中使用穩定狀態方法(steady state method)。穩定狀態方法為將恆定的焦耳熱提供至一樣品，以依據在提供熱時之熱通量Q及溫度梯度△T來獲得熱傳導性的方法。樣品之面積為10毫米×10毫米，樣品之厚度為數十微米至一百微米。樣品被夾置在兩個銅塊之間，而具有一熱電耦。銅塊之一端被加熱器加熱，並且另一端被熱槽冷卻。在兩端之間，產生了恆定的熱通量Q，以測量此時的溫度梯度△T。熱阻抗R是根據方程式R＝△T/Q來獲得。更詳細地說，對應於多個熱通量Q之△T值被繪製在一圖上，並且熱阻抗R係透過將該些數值進行線性回歸(約略化)來獲得。實際獲得的熱阻抗值為18 mm2 K/W(膜厚度：80微米)。前述文獻“Utilization of carbon fibers in thermal management of Microelectronics”之第8圖中使用塗覆矽的CNT情況下或第10圖中使用塗覆銅(矽)的CNT情況下的熱阻抗值分別為110 mm2 K/W或60 mm2 K/W。與此文獻比較，本發明之熱阻抗值不大於這些熱阻抗值的約三分之一。
本發明已經參照附圖被敘述。然而，本發明不被限制在上述之這些實施例中。熟習此技術領域之人士可以知悉的是，可以在不脫離本發明精神的範圍內進行任何變更。
1．．．CNT層
2．．．金屬層
3．．．金屬層
4．．．低熔點金屬材料
5．．．低熔點金屬材料
6．．．熱傳導模組
7．．．發熱體
10．．．熱介面結構
20．．．熱傳導模組
31．．．矽基材
32．．．CNT層
33．．．金屬層
34．．．液態金屬層
35．．．金屬塊
36．．．金屬層
40．．．UV可移除帶
為了更完整地瞭解本發明及其優點，請參閱前述說明並參照附圖。
第1圖為本發明之一熱介面結構的截面圖。
第2圖為本發明之一熱傳導模組的截面圖。
第3圖顯示製造本發明實施例之熱介面結構的一方法。
第4圖顯示製造本發明實施例之熱介面結構的另一方法。
1．．．CNT層
2．．．金屬層
3．．．金屬層

Claims (11)

  1. 一種熱傳導模組，至少包含：一發熱體；一輻射體；以及介於該發熱體及該輻射體之間的一熱介面結構，其中該熱介面結構包含：一碳奈米管層，該碳奈米管層之多個碳奈米管被對齊成實質上平行於自該發熱體至該輻射體的方向；一第一金屬層，該第一金屬層連接至該碳奈米管層之邊緣表面之一，該些邊緣表面係位在該些碳奈米管之邊緣被配向的方向，並且該第一金屬層熱連接至該發熱體；以及一第二金屬層，該第二金屬層連接至該碳奈米管層之另一邊緣表面，並且該第二金屬層熱連接至該輻射體，其中該發熱體與該第一金屬層係以插置在其間之一低熔點金屬材料來彼此地連接，以及該輻射體與該第二金屬層係以插置在其間之一低熔點金屬材料來彼此地連接。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之熱傳導模組，其中該低熔點金屬材料係由一焊接材料所製成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之熱傳導模組，其中該第一與第二金屬層係由選自從金、鎳與鉑所構成群組之金屬所製成。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之熱傳導模組，其中該碳奈米管層包括一彈性材料，該彈性材料插置在該些碳奈米管之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之熱傳導模組，其中該發熱體包括一IC晶片，並且該輻射體包括一熱槽(heat sink)。
  6. 一種製造一熱介面結構之方法，其至少包含下列步驟：提供一碳奈米管層於一基材上，該碳奈米管層之多個碳奈米管被對齊於實質上垂直於該基材的方向；提供一第一金屬層於該碳奈米管層上；將該基材與該碳奈米管層彼此地分離開；以及提供一第二金屬層於該碳奈米管層之經分離所暴露出的表面上。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中提供一第一金屬層與提供一第二金屬的步驟中至少一步驟係包括藉由濺鍍來形成金屬層的步驟。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中將該基材與該碳奈米管層彼此地分離開的步驟係包括下列步驟：塗覆一液態金屬至該第一金屬層之表面上； 結合一金屬塊至該基材，使得該液態金屬接觸該金屬塊之表面；冷卻經結合的該基材與該金屬塊；在冷卻之後，將該基材與該碳奈米管層彼此地分離開；以及在分離之後，從該碳奈米管層移除該液態金屬。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中將該基材與該碳奈米管層彼此地分離開的步驟係包括下列步驟：貼附一UV可移除帶至該第一金屬層之表面；將該基材從被貼附有該UV可移除帶之該碳奈米管層分離開；以及在分離之後，藉由以紫外線來照射該第一金屬層上之該UV可移除帶，以從該第一金屬層之表面移除該UV可移除帶。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之方法，更包含將一彈性材料滲入介於該碳奈米管層之該些碳奈米管之間每一間隙的步驟。
  11. 如申請專利範圍第6-10項中任一項所述之方法，其中該第一與第二金屬層係由選自從金、鎳與鉑所構成群組之金屬所製成。
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