專(zhuān)利名稱(chēng)：碳納米管微通道冷卻器系統(tǒng)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于超大規(guī)模集成電路芯片散熱的碳納米管微通道冷卻器系統(tǒng)， 屬于微通道散熱技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高密度集成電路(IC)技術(shù)的發(fā)展，在提高IC功能的同時(shí)，也帶來(lái)了高熱流密度的挑戰(zhàn)。目前高密度IC的功率已達(dá)到100-400 W/cm2。因此，研究高功率IC的散熱變得十分重要。微通道冷卻器是用于微電子系統(tǒng)的一項(xiàng)新興的高效散熱技術(shù)。采用該技術(shù)，微通道直接制作在芯片背面，電路產(chǎn)生的熱量由微通道中流過(guò)的冷卻介質(zhì)帶走。本發(fā)明就是針對(duì)目前常規(guī)微通道冷卻器散熱性能不高，不能滿(mǎn)足高密度集成電路對(duì)散熱的要求而發(fā)明的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于集成電路芯片散熱的碳納米管微通道冷卻器系統(tǒng)。本發(fā)明的另一目的是提供一種用于碳納米管微通道冷卻器的制備方法。本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。一種用于超大規(guī)模集成電路芯片散熱的碳納米管微通道冷卻器系統(tǒng)，通過(guò)定向生長(zhǎng)碳納米管簇技術(shù)和低溫轉(zhuǎn)移技術(shù)集成在硅表面，由氣冷、液冷實(shí)現(xiàn)散熱。一種用于碳納米管微通道冷卻器系統(tǒng)的制備方法，為了得到排布性好的碳納米管簇，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，本發(fā)明采用以下工藝步驟生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移碳納米管簇，得到散熱性?xún)?yōu)良的碳納米管微通道冷卻器系統(tǒng)。1.在硅片上旋涂上一層剝離膠，加熱這層剝離膠以后，在其上再旋涂一層標(biāo)準(zhǔn)的正光刻膠，經(jīng)過(guò)紫外線曝光30秒，MF319顯影45秒之后，剝離膠形成底切結(jié)構(gòu)，采用蒸鍍工藝在整個(gè)表面覆蓋一層催化劑薄膜，然后硅片將置于光刻膠去除劑中，剝離掉剝離膠、光刻膠和附著在光刻膠上的催化劑薄膜，最終在硅片上形成和光刻掩模同樣圖案的催化劑圖案，催化劑薄膜由10納米厚的三氧化二鋁和1納米厚的鐵構(gòu)成；
2.將載有催化粒子薄膜圖案的芯片放置在石英管中，將石英管抽真空后再在常壓下通以900 cm7min的氬氣和100 cm7min的氫氣。加熱整個(gè)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)至725 °C，穩(wěn)定15分鐘后，將氬氣和氫氣氣流都調(diào)整至500 cm7min，再加以30 cm7min的乙炔作為合成碳納米管的原料氣體。15分鐘后，切斷乙炔供應(yīng)，并停止加熱。再將氬氣和氫氣流分別調(diào)整為900 cm7min和100 cm7min，保持這樣的氣流供應(yīng)直至系統(tǒng)冷卻至200 °C左右，然后自然冷卻至室溫，從而得到按照設(shè)計(jì)圖案定向生長(zhǎng)的碳納米管陣列樣品；
3.在得到的碳納米管簇的表面噴涂一層20納米厚的鈦和100納米厚的金涂層，待轉(zhuǎn)移的芯片表面噴涂一層鈦/金/銦涂層，使用芯片倒裝鍵合儀將碳納米管倒置安放在待轉(zhuǎn)移的芯片表面，在170 °C溫度下，接觸表面的銦熔化，按壓壓強(qiáng)為6.4X106 Pa，持續(xù)2分鐘，自然空氣冷卻，分離掉碳納米管生長(zhǎng)的襯底，低溫冷卻轉(zhuǎn)移工藝完成；
4.給表面集成有碳納米管的芯片加裝密封蓋，碳納米管微通道冷卻器制備完成；
5.將碳納米管微通道冷卻器加裝在熱測(cè)試平臺(tái)上，在微通道的前后兩端安裝一段金屬管，作為冷卻液的導(dǎo)入導(dǎo)出口，最后使用聚二甲基硅氧烷將系統(tǒng)密封。制備時(shí)使用的剝離膠為L(zhǎng)0L2000和L0R1A，光刻膠為S1813，光刻膠去除劑為 Shipley remover 1165。所述的碳納米管微通道冷卻器系統(tǒng)用于集成電路芯片的散熱。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于采用了高導(dǎo)熱性的碳納米管制成微通道冷卻器，集成在硅表面實(shí)現(xiàn)散熱。為了測(cè)試所制備碳納米管微通道冷卻器系統(tǒng)的散熱性能，我們采用氣冷和液冷兩種不同的冷卻介質(zhì)，對(duì)相同尺寸的硅基微通道冷卻器的散熱進(jìn)行了測(cè)試對(duì)比，測(cè)試結(jié)果證明碳納米管微通道冷卻器優(yōu)于現(xiàn)有的硅基微通道冷卻器，散熱性能可提到25%。


圖1本發(fā)明生長(zhǎng)出的定向碳納米管陣列的SEM圖片。圖2本發(fā)明轉(zhuǎn)移完成后的碳納米管簇陣列的SEM照片。圖3碳納米管微通道冷卻器外觀照片。實(shí)施例1
本實(shí)施例中，采用上述制備碳納米管微通道冷卻器方法，具體步驟如下
1在硅片上旋涂上一層剝離膠，加熱這層剝離膠以后，在其上再旋涂一層標(biāo)準(zhǔn)的正光刻膠，經(jīng)過(guò)紫外線曝光30秒，MF319顯影45秒之后，剝離膠形成底切結(jié)構(gòu)，采用蒸鍍工藝在整個(gè)表面覆蓋一層催化劑薄膜，然后硅片將置于光刻膠去除劑中，剝離掉剝離膠、光刻膠和附著在光刻膠上的催化劑薄膜，最終在硅片上形成和光刻掩模同樣圖案的催化劑圖案，催化劑薄膜由10納米厚的三氧化二鋁和1納米厚的鐵構(gòu)成；
2將載有催化粒子薄膜圖案的芯片放置在石英管中，將石英管抽真空后再在常壓下通以900 cmVmin的氬氣和100 cm3/min的氫氣。加熱整個(gè)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)至725 °C，穩(wěn)定15分鐘后，將氬氣和氫氣氣流都調(diào)整至500 cm7min，再加以30 cm3/min的乙炔作為合成碳納米管的原料氣體。15分鐘后，切斷乙炔供應(yīng)，并停止加熱。再將氬氣和氫氣流分別調(diào)整為900 cm7min和100 cm7min，保持這樣的氣流供應(yīng)直至系統(tǒng)冷卻至200 °C左右， 然后自然冷卻至室溫，從而得到按照設(shè)計(jì)圖案定向生長(zhǎng)的碳納米管陣列樣品，如圖1所示；
3在得到的碳納米管簇的表面噴涂一層20納米厚的鈦和100納米厚的金涂層，待轉(zhuǎn)移的芯片表面噴涂一層鈦/金/銦涂層，使用芯片倒裝鍵合儀將碳納米管倒置安放在待轉(zhuǎn)移的芯片表面，在170 °C溫度下，接觸表面的銦熔化，按壓壓強(qiáng)為6.4X106 Pa，持續(xù) 2分鐘，自然空氣冷卻，分離掉碳納米管生長(zhǎng)的襯底，低溫冷卻轉(zhuǎn)移工藝完成，如圖2所示；
4給表面集成有碳納米管的芯片加裝密封蓋，碳納米管微通道冷卻器制備完成，如圖3所示；
5將碳納米管微通道冷卻器加裝在熱測(cè)試平臺(tái)上，在微通道的前后兩端安裝一段金屬管，作為冷卻液的導(dǎo)入導(dǎo)出口，最后使用聚二甲基硅氧烷將系統(tǒng)密封。制備成功的碳納米管簇陣列寬為50微米，高為250微米。通過(guò)自行設(shè)計(jì)的集成式熱測(cè)試平臺(tái)，應(yīng)用硅通孔技術(shù)將溫度感應(yīng)器的信號(hào)從熱界面?zhèn)鬏數(shù)叫酒趁孢M(jìn)行讀取，對(duì)硅基微通道冷卻器和碳納米管微通道冷卻器的散熱性能進(jìn)行了測(cè)試。首先將流體流動(dòng)回路與硅基微通道冷卻器連接完畢。為保證芯片在安全溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，將抽氣泵轉(zhuǎn)速調(diào)至最高，即200 rpm，對(duì)應(yīng)于空氣流速約為170 ml/min。開(kāi)啟電源， 并運(yùn)行編寫(xiě)完畢的LabView程序。程序自動(dòng)控制并逐漸加大芯片上的加載功率，直到2. 2 W。與此同時(shí)，程序自動(dòng)實(shí)時(shí)讀取溫度傳感器所測(cè)得的芯片溫度，并實(shí)時(shí)繪制出芯片上的散熱曲線，即溫度-功率(T-P)曲線。然后關(guān)閉電源，待抽氣泵運(yùn)行約1分鐘后將其關(guān)閉。卸載硅通道冷卻器并連接裝有碳納米管冷卻器的芯片，用相同的方法重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟，得到碳納米管冷卻器芯片上的散熱曲線，同時(shí)與保存的裝有硅通道冷卻器芯片的散熱曲線做比較，比較實(shí)測(cè)相同芯片溫度下的碳納米管微冷卻器的加載功率(Pcnt)和硅基微冷卻器的加載功率(Psi)，計(jì)算(Pcm-Psi)/PSi%，比較散熱效率。從測(cè)試結(jié)果表1可見(jiàn)，在風(fēng)冷條件下碳納米管冷卻器相比硅基樣品可提高25%以上。在水強(qiáng)迫對(duì)流冷卻實(shí)驗(yàn)中，首先接入裝有碳納米管微通道冷卻器系統(tǒng)的芯片，將入口和出口橡皮管插入水泵標(biāo)準(zhǔn)乳膠管中。由于比空氣高得多的熱容，使得水具有非常高的散熱效率，將泵的轉(zhuǎn)速調(diào)至3 rpm，即此時(shí)水流速度為2. 55 ml/min。開(kāi)啟水泵，待觀察到水流進(jìn)入碳納米管冷卻器并從出口流出后，開(kāi)啟加熱電源，運(yùn)行控制程序，并記錄芯片上的溫度-功率曲線，并將此次測(cè)量的結(jié)果與相同功率加載下空氣冷卻的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。從測(cè)試結(jié)果表2可見(jiàn)，在水冷條件下，對(duì)于碳納米管冷卻器，在芯片發(fā)熱功率約為 2. 22 W時(shí)，即使空氣流量為水流量的75. 6倍，水冷卻液仍然可以保持芯片溫度比空氣冷卻時(shí)低7.5 °C。當(dāng)水的流量逐漸增加時(shí)，碳納米管冷卻器可以將發(fā)熱功率為6. 66 W的芯片表面溫度從134. 60C降低至87. 70C。
表1風(fēng)冷條件下的碳納米管微通道冷卻器系統(tǒng)散熱的測(cè)試結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種碳納米管微通道冷卻器系統(tǒng)的制備方法，其特征在于該方法具有以下的工藝步驟a.在硅片上旋涂上一層剝離膠，加熱這層剝離膠以后，在其上再旋涂一層標(biāo)準(zhǔn)的正光刻膠，經(jīng)過(guò)紫外線曝光30秒，MF319顯影45秒之后，剝離膠形成底切結(jié)構(gòu)，采用蒸鍍工藝在整個(gè)表面覆蓋一層催化劑薄膜，然后硅片將置于光刻膠去除劑中，剝離掉剝離膠、光刻膠和附著在光刻膠上的催化劑薄膜，在硅片上形成和光刻掩模同樣圖案的催化劑圖案，催化劑薄膜由10納米厚的三氧化二鋁和1納米厚的鐵構(gòu)成；b.將載有催化粒子薄膜圖案的芯片放置在石英管中，將石英管抽真空后再在常壓下通以900 cmVmin的氬氣和100 cm3/min的氫氣；加熱整個(gè)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)至725°C，穩(wěn)定15分鐘后，將氬氣和氫氣氣流都調(diào)整至500 cm7min，再加以30 cm7min的乙炔作為合成碳納米管的原料氣體；15分鐘后，切斷乙炔供應(yīng)，并停止加熱；再將氬氣和氫氣流分別調(diào)整為900 cm7min和100 cm7min，保持這樣的氣流供應(yīng)直至系統(tǒng)冷卻至200 °C左右，然后自然冷卻至室溫，從而得到按照設(shè)計(jì)圖案定向生長(zhǎng)的碳納米管陣列樣品；c.在得到的碳納米管簇的表面噴涂一層20納米厚的鈦和100納米厚的金涂層，待轉(zhuǎn)移的芯片表面噴涂一層鈦/金/銦涂層，使用芯片倒裝鍵合儀將碳納米管倒置安放在待轉(zhuǎn)移的芯片表面，在170°C溫度下，接觸表面的銦熔化，按壓壓強(qiáng)為6. 4X IO6 Pa，持續(xù)2分鐘， 自然空氣冷卻，分離掉碳納米管生長(zhǎng)的襯底，低溫冷卻轉(zhuǎn)移工藝完成；d.給表面集成有碳納米管的芯片加裝密封蓋，碳納米管微通道冷卻器制備完成；e.將碳納米管微通道冷卻器加裝在熱測(cè)試平臺(tái)上，在微通道的前后兩端安裝一段金屬管，作為冷卻液的導(dǎo)入導(dǎo)出口，最后使用聚二甲基硅氧烷將系統(tǒng)密封。
2.一種如權(quán)利要求1所述的碳納米管微通道冷卻器系統(tǒng)的制備方法，其特征是制備時(shí)使用的剝離膠為L(zhǎng)0L2000和L0R1A，光刻膠為S1813，光刻膠去除劑為Siipley remover 1165。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種于超大規(guī)模集成電路芯片散熱的碳納米管微通道冷卻器系統(tǒng)的制備方法，該方法是首先通過(guò)光刻和剝離工藝，制成要求的細(xì)微尺度的圖案，其間通過(guò)蒸鍍方法得到的催化劑薄膜就附著在圖案的表面。其次將帶有催化劑薄膜的硅片置于碳納米管生長(zhǎng)機(jī)器的加熱爐中，在高溫化學(xué)氣相沉淀模式下生長(zhǎng)得到所要求的碳納米管簇。最后通過(guò)噴涂在碳納米管表面的金屬涂層，使用轉(zhuǎn)移工藝將碳納米管簇轉(zhuǎn)移到發(fā)熱芯片表面，加裝密封蓋，碳納米管微通道冷卻器的制備工藝就完成了。之后通過(guò)導(dǎo)口流入的冷卻液實(shí)現(xiàn)散熱，至此碳納米管微通道冷卻系統(tǒng)制備完成。本發(fā)明顯著地提高了散熱性能，為集成電路芯片的散熱提供了一種更高效的散熱方法。
文檔編號(hào)H01L21/48GK102169838SQ20111006134
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2011年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月15日
發(fā)明者劉建影 申請(qǐng)人:上海大學(xué)