專利名稱：熱界面材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱界面材料及其制造方法，尤其涉及一種利用碳納米管 導(dǎo)熱的熱界面材料及其制造方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體集成電路的封裝領(lǐng)域，隨著半導(dǎo)體集成電路不斷在改進(jìn)、發(fā)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。由于集成電路芯片工作時是在如此小的空間內(nèi)進(jìn)行運算處理， 必將產(chǎn)生相當(dāng)大的熱量。所產(chǎn)生的熱量必須通過適當(dāng)?shù)姆绞缴⒊?，以避免?成電路芯片因過熱導(dǎo)致運算處理錯誤，嚴(yán)重時造成的硬件電路的損毀。因此， 封裝中的散熱問題就越發(fā)關(guān)鍵。通常，在半導(dǎo)體器件封裝中的集成散熱片(Integrated Heat Spreader, IHS) 與集成電路芯片(DIE)之間一般設(shè)置一熱界面材料用于散熱。然而，這種應(yīng) 用熱界面材料的半導(dǎo)體集成電路封裝受到熱界面材料本身熱傳導(dǎo)能力的制 約。隨著目前集成電路規(guī)模越來越大，很多導(dǎo)熱材料已經(jīng)達(dá)不到產(chǎn)品需求。 為改善熱界面材料的性能，提高其熱傳導(dǎo)系數(shù)，各種材料被廣泛試驗。現(xiàn)有技術(shù)中設(shè)置于集成散熱片和集成電路芯片之間的熱界面材料通常 采用高熱傳導(dǎo)的金屬材料或基于碳納米管的復(fù)合材料。當(dāng)采用高熱傳導(dǎo)的金 屬材料時，由于熱脹冷縮的效應(yīng)，長期使用往往會導(dǎo)致封裝面拱曲，甚至破 裂?；谔技{米管的熱界面材料通常將碳納米管與非金屬基體材料復(fù)合形 成熱界面材料，該碳納米管于基體材料中均勻分布有序排列，能夠避免由于 碳納米管的無序排列而影響熱界面材料的導(dǎo)熱性，同時，碳納米管陣列基本 垂直于并延伸出熱界面材料的接觸表面，確保碳納米管能直接與集成電路芯 片或散熱器件相接觸。但是，由于聚合物基體材料的導(dǎo)熱性能不佳，因此， 將碳納米管與聚合物基體混合形成的熱界面材料不能充分發(fā)揮碳納米管的不均勻性，進(jìn)而影響整個熱界面材料的熱傳導(dǎo)效率以及熱傳導(dǎo)的穩(wěn)定性。因此，提供一種由高導(dǎo)熱材料和碳納米管復(fù)合的熱界面材料十分必要。發(fā)明內(nèi)容以下，將以實施例說明 一種熱界面材料及其制備方法。一種熱界面材料，其包括碳納米管陣列，其中該熱界面材料進(jìn)一步包括 低熔點金屬材料，該低熔點金屬材料填充于碳納米管陣列的間隙內(nèi)。該低熔點金屬材料的熔點小于200攝氏度。 該低熔點金屬材料為銦、鎵、銻-鉍合金或鉛-錫合金。 該熱界面材料的厚度為10樣i米 1毫米。一種熱界面材料的制備方法，其包括以下步驟提供一碳納米管陣列； 沉積一低熔點金屬層于上述碳納米管陣列，將低熔點金屬材料填充入碳納米 管陣列的間隙內(nèi)所述沉積低熔點金屬層的方法包括化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積。所述沉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。所述碳納米管陣列的制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 卯0。C的空氣中 退火約30分鐘 90分鐘；以及將處理過的基底置于反應(yīng)爐中，在保護氣體環(huán) 境下加熱到500~740°C,然后通入碳源氣反應(yīng)約5 30分鐘，生長得到高度 為10微米~1毫米的碳納米管陣列。相對于現(xiàn)有技術(shù)，所述的熱界面材料及其制備方法具有以下優(yōu)點其一、 采用碳納米管陣列和低熔點合金進(jìn)行復(fù)合，能夠有效消減金屬內(nèi)部的應(yīng)力， 避免由于熱脹冷縮效應(yīng)造成產(chǎn)品損壞；其二、由于金屬的熱導(dǎo)率很高，本發(fā) 明得到的低熔點合金/碳納米管陣列復(fù)合熱界面材料具有更高的熱導(dǎo)率；其 三、相對于碳納米管和普通金屬材料的復(fù)合，例如復(fù)合銅、金等，本發(fā)明采 用的低熔點金屬是在相變條件下使用，能夠和界面很好的接觸，有效降低界 面熱阻；其四、本發(fā)明熱界面材料工藝簡單有效，成本低，具有實際應(yīng)用上 的優(yōu)勢。


圖1為本發(fā)明實施例熱界面材料的制備方法的流程示意圖。 圖2為本發(fā)明實施例熱界面材料的制備裝置示意圖。圖3為本發(fā)明實施例熱界面材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。步驟一提供一碳納米管陣列，該碳納米管陣列垂直地從一基底表面向 外延伸，優(yōu)選地，該陣列為超順排碳納米管陣列。本實施例中，超順排碳納米管陣列的制備方法采用化學(xué)氣相沉積法，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型硅基底，或 選用形成有氧化層的硅基底，本實施例優(yōu)選為釆用4英寸的硅基底；(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。C的空氣中退火約30分鐘 90分鐘；(d)將處理過的基底置于反應(yīng) 爐中，在保護氣體環(huán)境下加熱到500 740°C，然后通入^^友源氣體反應(yīng)約5 30 分鐘，生長得到超順排碳納米管陣列，其高度為10微米 1毫米。該超順排 碳納米管陣列為多個彼此平行且垂直于基底生長的碳納米管形成的純碳納 米管陣列。通過上述控制生長條件，該超順排碳納米管陣列中基本不含有雜 質(zhì)，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。該碳納米管陣列中的碳納米管 彼此通過范德華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(xué)性質(zhì)較活潑的碳?xì)寤衔?，保護氣 體可選用氮氣、氨氣或惰性氣體?？梢岳斫猓撎技{米管陣列還可通過其他現(xiàn)有的方法制備得到。步驟二沉積金屬層于上述碳納米管陣列，以使得金屬材料滲透到碳納 米管陣列中的間隙內(nèi)，得到碳納米管陣列-低熔點金屬復(fù)合熱界面材料。該金屬層材料優(yōu)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。常用的沉積方法有物理氣相沉積(PVD)或化學(xué)氣相沉積(CVD)等。 本實施例優(yōu)選采用真空蒸鍍法，其制備裝置請參閱圖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(fā)源22， 該蒸發(fā)源22可通過一加熱裝置24加熱。上述碳納米管陣列26連同基底28 固定設(shè)置于蒸發(fā)源22上方并間隔一定距離，其中碳納米管陣列26正對蒸發(fā) 源22設(shè)置。該真空容器20可通過外接一真空泵(圖未示)抽氣達(dá)到預(yù)定的 真空度。該蒸發(fā)源22材料為待沉積的低熔點金屬材料。其次，通過加熱裝置24加熱蒸發(fā)源22使其熔融后蒸發(fā)或升華形成金屬 蒸汽。最后，金屬蒸汽遇到冷的碳納米管陣列26后，在碳納米管陣列26表面 凝聚，其中，部分金屬填充到碳納米管陣列26中的間隙內(nèi)。為提高金屬蒸汽密度并且防止金屬被氧化，真空容器20內(nèi)真空度應(yīng)達(dá) 到1巾白(Pa)以上。另外，進(jìn)一步地，在碳納米管陣列一面蒸鍍低熔點金屬后，由于碳納米 管陣列已經(jīng)實現(xiàn)自支撐，可將碳納米管陣列從基底表面剝離。并在碳納米管 陣列連接基底的一面重復(fù)上述蒸鍍步驟，使低熔點金屬材料更好地填充到碳 納米管陣列中的間隙內(nèi)，從而形成碳納米管陣列-低熔點金屬復(fù)合熱界面材 料。請參閱圖3,本發(fā)明實施例依照上述方法制備得到的熱界面材料30中， 低熔點金屬材料34均勻地填充于上述碳納米管陣列32的間隙內(nèi)。本實施例 中，該熱界面材料30的厚度為10微米~1毫米。本發(fā)明熱界面材料30在使用過程中，當(dāng)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(fā)生相變。此時，液態(tài)的低熔點金屬34能夠和 界面有更好的浸潤效果，降低界面接觸熱阻，同時，原來覆蓋在碳納米管陣 列32表面的低熔點金屬34能夠進(jìn)一步滲透、填充到碳納米管陣列32的空 隙中。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點其一、采用碳納米管陣列和低 熔點合金進(jìn)行復(fù)合，能夠有效消減金屬內(nèi)部的應(yīng)力，避免由于熱脹冷縮效應(yīng) 造成產(chǎn)品損壞；其二、由于金屬的熱導(dǎo)率很高，本發(fā)明得到的低熔點合金/ 碳納米管陣列復(fù)合熱界面材料具有更高的熱導(dǎo)率；其三、相對于碳納米管和普通金屬材料的復(fù)合，例如復(fù)合銅、金等，本發(fā)明釆用的低熔點金屬是在相變條件下使用，能夠和界面很好的接觸，有效降低界面熱阻；其四、本發(fā)明 熱界面材料工藝簡單有效，成本低，具有實際應(yīng)用上的優(yōu)勢。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化，當(dāng)然，這些依 據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種熱界面材料，其包括碳納米管陣列，其特征在于該熱界面材料進(jìn)一步包括低熔點金屬材料，該低熔點金屬材料填充于碳納米管陣列的間隙內(nèi)。
2. 如權(quán)利要求l所述的熱界面材料，其特征在于，該低熔點金屬材料的熔點 小于200攝氏度。
3. 如權(quán)利要求2所述的熱界面材料，其特征在于，該低熔點金屬材料為銦、 鎵、銻-鉍合金或鉛-錫合金。
4. 如權(quán)利要求l所述的熱界面材料，其特征在于，該熱界面材料的厚度為 1(M敫米 l毫米。
5. —種熱界面材料的制備方法，其包括以下步驟提供一碳納米管陣列；沉積一低熔點金屬層于上述碳納米管陣列，將低熔點金屬材料填充入 碳納米管陣列的間隙內(nèi)。
6. 如權(quán)利要求5所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述沉積低熔 點金屬層的方法包括化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積。
7. 如權(quán)利要求6所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述沉積低熔 點金屬層的方法為真空蒸鍍法。
8. 如權(quán)利要求7所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述真空蒸鍍 法中真空度為l帕以上。
9. 如權(quán)利要求5所述的熱界面材料的制備方法，其特征在于，所述碳納米管 陣列的制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。C的空氣中退火約30分鐘 ~90分鐘；以及將處理過的基底置于反應(yīng)爐中，在保護氣體環(huán)境下加熱到500 740。C ， 然后通入碳源氣反應(yīng)約5~1 O分鐘，生長得到高度為10微米~1毫米的碳納 米管陣列。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱界面材料，其包括碳納米管陣列，其中該熱界面材料進(jìn)一步包括低熔點金屬材料，該低熔點金屬材料填充于碳納米管陣列的間隙內(nèi)。本發(fā)明還涉及上述熱界面材料的制備方法，其包括以下步驟提供一碳納米管陣列；沉積一低熔點金屬層于上述碳納米管陣列，將低熔點金屬材料填充入碳納米管陣列的間隙內(nèi)。
文檔編號H01L23/373GK101275209SQ200710073770
公開日2008年10月1日 申請日期2007年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月30日
發(fā)明者劉長洪, 宋鵬程, 鼎 王, 范守善 申請人:清華大學(xué);鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司