TWI417404B - 熱介面材料及其製備方法 - Google Patents

Description

熱介面材料及其製備方法

本發明涉及一種熱介面材料及其製造方法，尤其涉及一種利用奈米碳管導熱的熱介面材料及其製造方法。

在半導體積體電路的封裝領域，隨著半導體積體電路不斷在改進、發展，其在功能上不斷提高的同時體積不斷減小，密集程度不斷增加，封裝尺寸亦在不斷變小。由於積體電路晶片工作時係在如此小的空間內進行運算處理，必將產生相當大的熱量。所產生的熱量必須通過適當的方式散出，以避免積體電路晶片因過熱導致運算處理錯誤，嚴重時造成的硬體電路的損毀。因此，封裝中的散熱問題就越發關鍵。

通常，在半導體器件封裝中的集成散熱片(Integrated Heat Spreader,IHS)與積體電路晶片(DIE)之間一般設置一熱介面材料用於散熱。然而，這種應用熱介面材料的半導體積體電路封裝受到熱介面材料本身熱傳導能力的制約。

隨著目前積體電路規模越來越大，很多導熱材料已經達不到產品需求。為改善熱介面材料的性能，提高其熱傳導係數，各種材料被廣泛試驗。

先前技術中設置於集成散熱片和積體電路晶片之間的熱介面材料通常採用高熱傳導的金屬材料或基於奈米碳管的複合材料。當採用高熱傳導的金屬材料時，由於熱脹冷縮的效應，長期使用往往會導致封裝面拱曲，甚至破 裂。

基於奈米碳管的熱介面材料通常將奈米碳管與非金屬基體材料複合形成熱介面材料，該奈米碳管於基體材料中均勻分佈有序排列，能夠避免由於奈米碳管的無序排列而影響熱介面材料的導熱性，同時，奈米碳管陣列基本垂直於並延伸出熱介面材料的接觸表面，確保奈米碳管能直接與積體電路晶片或散熱器件相接觸。惟，由於非金屬基體材料的導熱性能不佳，因此，將奈米碳管與非金屬基體混合形成的熱介面材料不能充分發揮奈米碳管的導熱性能，且該熱介面材料於應用時會由於晶片的不均勻發熱導致熱傳導的不均勻性，進而影響整個熱介面材料的熱傳導效率以及熱傳導的穩定性。

有鑒於此，提供一種由高導熱材料和奈米碳管複合的熱介面材料實為必要。

一種熱介面材料，包括奈米碳管陣列，其中該熱介面材料進一步包括低熔點金屬材料，該低熔點金屬材料的熔點小於200攝氏度，該低熔點金屬材料填充於奈米碳管陣列中相鄰的奈米碳管之間的間隙內。

該低熔點金屬材料為銦、鎵、銻-鉍合金或鉛-錫合金。

該熱介面材料的厚度為10微米~1毫米。

一種熱介面材料的製備方法，其包括以下步驟：提供一奈米碳管陣列；使用化學氣相沈積或物理氣相沈積法在所述奈米碳管陣列中沈積一低熔點金屬層，該低熔點金 屬層中的低熔點金屬材料的熔點小於200攝氏度，並使所述低熔點金屬材料填充於所述奈米碳管陣列中相鄰的奈米碳管之間的間隙中。

所述沈積低熔點金屬層的方法為真空蒸鍍法。

所述真空蒸鍍法中真空度為1帕以上。

所述奈米碳管陣列的製備包括以下步驟：提供一平整基底；在基底表面均勻形成一催化劑層；將上述形成有催化劑層的基底在700~900℃的空氣中退火約30分鐘~90分鐘；以及將處理過的基底置於反應爐中，在保護氣體環境下加熱到500~740℃，然後通入碳源氣反應約5~30分鐘，生長得到高度為10微米~1毫米的奈米碳管陣列。

相較於先前技術，所述的熱介面材料及其製備方法具有以下優點：其一、採用奈米碳管陣列和低熔點合金進行複合，能夠有效消減金屬內部的應力，避免由於熱脹冷縮效應造成產品損壞；其二、由於金屬的熱導率很高，本發明得到的低熔點合金/奈米碳管陣列複合熱介面材料具有更高的熱導率；其三、相對於奈米碳管和普通金屬材料的複合，例如複合銅、金等，本發明採用的低熔點金屬係在相變條件下使用，能夠和介面很好的接觸，有效降低介面熱阻；其四、本發明熱介面材料工藝簡單有效，成本低，具有實際應用上的優勢。

以下將結合附圖對本發明作進一步之詳細說明。

請參閱圖1，本發明熱介面材料的製備方法主要包括以下 幾個步驟：

步驟一：提供一奈米碳管陣列，該奈米碳管陣列垂直地從一基底表面向外延伸，優選地，該陣列為超順排奈米碳管陣列。

本實施例中，超順排奈米碳管陣列的製備方法採用化學氣相沈積法，其具體步驟包括：(a)提供一平整基底，該基底可選用P型或N型矽基底，或選用形成有氧化層的矽基底，本實施例優選為採用4英寸的矽基底；(b)在基底表面均勻形成一催化劑層，該催化劑層材料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合的合金之一；(c)將上述形成有催化劑層的基底在700~900℃的空氣中退火約30分鐘~90分鐘；(d)將處理過的基底置於反應爐中，在保護氣體環境下加熱到500~740℃，然後通入碳源氣體反應約5~30分鐘，生長得到超順排奈米碳管陣列，其高度為10微米~1毫米。該超順排奈米碳管陣列為多個彼此平行且垂直於基底生長的奈米碳管形成的純奈米碳管陣列。通過上述控制生長條件，該超順排奈米碳管陣列中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。該奈米碳管陣列中的奈米碳管彼此通過凡德瓦尓力緊密接觸形成陣列。

本實施例中碳源氣可選用乙炔等化學性質較活潑的碳氫化合物，保護氣體可選用氮氣、氨氣或惰性氣體。

可以理解，該奈米碳管陣列還可通過其他先前的方法製備得到。

步驟二：沈積金屬層於上述奈米碳管陣列，以使得金屬材料滲透到奈米碳管陣列中的間隙內，得到奈米碳管陣列-低熔點金屬複合熱介面材料。

該金屬層材料優選為低熔點金屬或合金。具體地，該金屬材料可以為銦(In)、鎵(Ga)等金屬，也可以為銻-鉍(Sb-Bi)合金、鉛-錫(Pb-Sn)合金等，其熔點通常在200攝氏度以下。

常用的沈積方法有物理氣相沈積(PVD)或化學氣相沈積(CVD)等。本實施例優選採用真空蒸鍍法，其製備裝置請參閱圖2。該方法包括以下具體步驟：首先，提供一真空容器20，該真空容器20底部放置一蒸發源22，該蒸發源22可通過一加熱裝置24加熱。上述奈米碳管陣列26連同基底28固定設置於蒸發源22上方並間隔一定距離，其中奈米碳管陣列26正對蒸發源22設置。該真空容器20可通過外接一真空泵(圖未示)抽氣達到預定的真空度。該蒸發源22材料為待沈積的低熔點金屬材料。

其次，通過加熱裝置24加熱蒸發源22使其熔融後蒸發或昇華形成金屬蒸汽。

最後，金屬蒸汽遇到冷的奈米碳管陣列26後，在奈米碳管陣列26表面凝聚，其中，部分金屬填充到奈米碳管陣列26中的間隙內。

為提高金屬蒸汽密度並且防止金屬被氧化，真空容器20內真空度應達到1帕(Pa)以上。

另外，進一步地，在奈米碳管陣列一面蒸鍍低熔點金屬 後，由於奈米碳管陣列已經實現自支撐，可將奈米碳管陣列從基底表面剝離。並在奈米碳管陣列連接基底的一面重複上述蒸鍍步驟，使低熔點金屬材料更好地填充到奈米碳管陣列中的間隙內，從而形成奈米碳管陣列-低熔點金屬複合熱介面材料。

請參閱圖3，本發明實施例依照上述方法製備得到的熱介面材料30中，低熔點金屬材料34均勻地填充於上述奈米碳管陣列32的間隙內。本實施例中，該熱介面材料30的厚度為10微米~1毫米。

本發明熱介面材料30在使用過程中，當溫度加熱到低熔點金屬34熔點以上時，低熔點金屬34就會發生相變。此時，液態的低熔點金屬34能夠和介面有更好的浸潤效果，降低介面接觸熱阻，同時，原來覆蓋在奈米碳管陣列32表面的低熔點金屬34能夠進一步滲透、填充到奈米碳管陣列32的空隙中。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

20‧‧‧真空容器

22‧‧‧蒸發源

24‧‧‧加熱裝置

26,32‧‧‧奈米碳管陣列

30‧‧‧熱介面材料

34‧‧‧低熔點金屬

圖1係本發明實施例熱介面材料的製備方法的流程示意圖。

圖2係本發明實施例熱介面材料的製備裝置示意圖。

圖3係本發明實施例熱介面材料的結構示意圖。

Claims (7)

1. 一種熱介面材料，其包括奈米碳管陣列，其改良在於：該熱介面材料進一步包括低熔點金屬材料，該低熔點金屬材料的熔點小於200攝氏度，該低熔點金屬材料填充於奈米碳管陣列中相鄰的奈米碳管之間的間隙內。
2. 如申請專利範圍第1項所述的熱介面材料，其中，該低熔點金屬材料為銦、鎵、銻-鉍合金或鉛-錫合金。
3. 如申請專利範圍第1項所述的熱介面材料，其中，該熱介面材料的厚度為10微米~1毫米。
4. 一種熱介面材料的製備方法，其包括以下步驟：提供一奈米碳管陣列；使用化學氣相沈積或物理氣相沈積法在所述奈米碳管陣列中沈積一低熔點金屬層，該低熔點金屬層中的低熔點金屬材料的熔點小於200攝氏度，並使所述低熔點金屬材料填充於所述奈米碳管陣列中相鄰的奈米碳管之間的間隙中。
5. 如申請專利範圍第4項所述的熱介面材料的製備方法，其中，所述沈積低熔點金屬層的方法為真空蒸鍍法。
6. 如申請專利範圍第5項所述的熱介面材料的製備方法，其中，所述真空蒸鍍法中真空度為1帕以上。
7. 如申請專利範圍第4項所述的熱介面材料的製備方法，其中，所述奈米碳管陣列的製備包括以下步驟：提供一平整基底；在基底表面均勻形成一催化劑層；將上述形成有催化劑層的基底在700~900℃的空氣中退火約30分鐘~90分鐘；以及 將處理過的基底置於反應爐中，在保護氣體環境下加熱到500~740℃，然後通入碳源氣反應約5~10分鐘，生長得到高度為10微米~1毫米的奈米碳管陣列。