一種高取向碳納米管薄膜散熱片的製備方法

2023-06-02 14:37:11

一種高取向碳納米管薄膜散熱片的製備方法
【專利摘要】本發明涉及一種高取向碳納米管薄膜散熱片的製備方法，屬於散熱【技術領域】。其經過可紡絲碳納米管陣列製備、幹法紡絲製備超順排碳納米管薄膜、晶片表面堆疊製備得到產品高取向碳納米管薄膜散熱片。本發明採用CVD的方法製備超順排列可紡絲碳納米管陣列材料，在晶片表面通過幹法直接紡絲技術得到厚度可控的高取向碳納米管薄膜散熱片。由於該薄膜散熱片具有非常高的熱導率，在晶片表面創造出更大的有效表面積並將熱量通過散熱器傳輸到外界環境，降低晶片的運行溫度。
【專利說明】一種高取向碳納米管薄膜散熱片的製備方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高取向碳納米管薄膜散熱片的製備方法，屬於散熱【技術領域】。

【背景技術】
[0002]根據摩爾定律及超摩爾的概念，微電子技術不斷向更高性能、更高集成度、更小體積的方向發展。隨著晶片功能的集中以及尺寸的減小，電子元件和系統不斷的變小變快，晶片功率密度不斷提高，運行溫度提高。特別是那些集成了大功率器件並具有更複雜結構的電路所散發的熱量可能會達到4001/(^12甚至更多。像華為的光電器件熱流密度為100 1/挪2左右，計算機0^其運行過程中產生的熱流密度已達100-4001/(^2，有些半導體雷射器件中甚至達到2000-30001/(^12。由此帶來的過高溫度將降低晶片的工作穩定性，增加出錯率，同時模塊內部與其外部環境間所形成的熱應力會直接影響到晶片的電性能、工作頻率、機械強度及可靠性。必須採用先進的散熱封裝工藝和性能優異的散熱材料，使產生的熱量迅速散發出去，從而保證晶片在所能承受的最高溫度內正常工作。高功率電子器件散熱材料與應用技術是國家航空、航天、信息、微電子、軍工等戰略產業領域不可或缺的核心支撐技術之一。
[0003]典型的熱學管理系統是由外部冷卻裝置，散熱器和熱力截面組成。而散熱片的重要功能是創造出最大的有效表面積，在這個表面上熱力被轉移並由外界冷卻媒介帶走。本專利採用」0的方法製備超順排列可紡絲碳納米管陣列材料，在晶片表面通過幹法直接紡絲技術得到厚度可控的高取向碳納米管薄膜散熱片。由於該薄膜散熱片具有非常高的熱導率(14001/01 - ^(―1),可以在晶片表面創造出更大的有效表面積並將熱量通過散熱器傳輸到外界環境，降低晶片的運行溫度。此外，該散熱片製備方法工藝簡單、成本低，其中可紡絲碳納米管陣列原材料以及幹法紡絲成膜技術發展成熟，適合半導體批量化製備要求。
[0004]隨著電子元件和系統不斷的變小變快，熱處理和可靠性變成了影響它們壽命的關鍵問題。局部高熱流熱點的熱管理是大功率電子器件的關鍵，不一致的散熱會造成晶片中特殊區域過熱，影響電子系統性能和電子器件的可靠性。近年來，石墨烯、單原子層碳由於強8？2鍵帶來超高的熱導率53001/1111(,被提出可作為一種有前景的散熱材料。^111等報導了剝落的石墨烯絮在大功率電晶體熱管理中的應用，熱點溫度下降201，將電晶體壽命延長了一個數量級。上海大學劉建影教授專利(申請號201310118977.9)提出了一種有效石墨烯散熱片的製備方法。石墨烯散熱片的重要作用是創造出最大的有效表面積，在這個表面上電晶體熱點熱力被轉移並由外界冷卻媒介帶走。石墨烯具有非常高的熱導率，然而石墨烯的製備工藝過程相對複雜，並且所製備石墨烯往往存在大量缺陷，因此，高熱導率石墨烯散熱片的可控制備仍然存在很多技術挑戰。此外，石墨烯散熱片的批量化製備工藝尚不成熟，限制了其產業化應用的發展。
[0005]碳納米管同樣具有非常優異的熱性能，受到研宄領域和產業界的廣泛關注。超順排列碳納米管薄膜材料是一種特殊的碳納米管薄膜材料，2002年清華大學姜開利、範守善教授首先發現可紡絲碳納米管陣列材料，開創了超順排碳納米管陣列的應用新領域。超順排碳納米管陣列通過幹法直接拉膜的方法可以得到超順排碳納米管薄膜材料。研宄結果表明，超順排碳納米管薄膜具有非常高的熱導率(14001/^1，^1)。在超順排碳納米管薄膜批量化製備方面，薄膜主要製備工藝採用化學氣相沉積工藝，工藝可控性高，天津富納源創科技有限公司目前已經實現了該薄膜的批量化製備工藝開發，並應用於透明導電薄膜的量產。
[0006]基於上述技術開發背景，本專利在晶片表面通過幹法直接紡絲技術得到厚度可控的高取向碳納米管薄膜散熱片，在晶片表面創造出更大的有效表面積並將熱量通過散熱器傳輸到外界環境，降低晶片的運行溫度。


【發明內容】

[0007]本發明的目的是為高功率晶片提供一種更有效的熱管理方案，降低晶片工作溫度。
[0008]按照本發明提供的技術方案，一種高取向碳納米管薄膜散熱片的製備方法，步驟為:
(1)可紡絲碳納米管陣列製備:提供一超順排可紡絲碳納米管陣列前驅體，生長得到超順排可紡絲碳納米管陣列；
(2)幹法紡絲:通過直接拉膜的方法從超順排可紡絲碳納米管陣列製備超順排碳納米管薄膜材料，單層薄膜厚度為10-10011111 ；
(3)晶片表面堆疊:在帶有絕緣層晶片表面通過物理堆疊的方法製備超順排碳納米管薄膜散熱片。
[0009]所述高取向碳納米管薄膜散熱片的製備方法，具體步驟如下:
(1)可紡絲碳納米管陣列製備:準備物料超順排可紡絲碳納米管陣列前驅體，其特點是碳納米管陣列中碳納米管具有垂直於生長基底的超順排列結構；生長基底選擇表面粗糙度小於2=0的矽或者石英基底；催化劑採用0.3-3^厚的催化劑薄膜；生長碳源氣體為乙烯或者乙炔氣體；
以準備的物料進行反應生長，生長溫度650-7601:，生長得到超順排可紡絲碳納米管陣列，高度為 100-400 VIII ；
(2)幹法紡絲生長得到的超順排可紡絲碳納米管陣列進行拉膜，製備超順排單層碳納米管薄膜；超順排可紡絲碳納米管陣列中碳納米管首尾相接，形成連續薄膜；拉膜速度為0.5-1111/8 ；
(3)晶片表面堆疊:在目標晶片表面堆疊步驟(2)製備得到的超順排單層碳納米管薄膜，疊加層數為1-50層，得到產品高取向碳納米管薄膜散熱片。
[0010]步驟(3)中通過上下兩層薄膜中碳納米管薄膜取向夾角控制每層超順排單層碳納米管薄膜上下疊加方向，從而得到高取向碳納米管薄膜散熱片。
[0011]在步驟(3)得到的高取向碳納米管薄膜散熱片上滴加乙醇、丙酮或乙二醇溶液的方法進一步提高散熱片和晶片之間的接觸面積，提高散熱效果。
[0012]本發明的有益效果:本發明採用的方法製備超順排列可紡絲碳納米管陣列材料，在晶片表面通過幹法直接紡絲技術得到厚度可控的高取向碳納米管薄膜散熱片。由於該薄膜散熱片具有非常高的熱導率，在晶片表面創造出更大的有效表面積並將熱量通過散熱器傳輸到外界環境，降低晶片的運行溫度。
[0013]具體效果如下:
(1)取向碳納米管薄膜具有高的熱導率、優異的物理和化學穩定性，有利於器件最終封裝結構和性能的穩定。
[0014](2)該薄膜散熱片前驅體可紡絲碳納米管陣列通過熱的方法製備，該方法具有工藝可控性高、環境友好、工藝成本低、可實現規模化製備等優點。超順排碳納米管薄膜從前驅體直接拉膜的方法得到，工藝和設備簡單。因此，該散熱片的製備方法可控性高、成本低、環境友好、可以實現產業化、批量化製備，具有市場應用前景。
[0015](3)單層超順排碳納米管薄膜厚度均勻，因此超順排碳納米管薄膜散熱片厚度可以通過多層薄膜疊加的方法進行精確控制。
[0016]超順排碳納米管薄膜散熱片熱導率在沿著碳納米管方向和垂直碳納米管方向具有各向異性，因此在器件熱管理過程中可以在方向上對熱流進行管控。此外，在單層碳納米管膜堆疊超順排碳納米管薄膜散熱片製備過程中，通過對各層碳納米管薄膜中碳納米管取向的設計和控制，可以在二維散熱片平面內對熱量進行精確控制和管控，從而更加有利於器件封裝結構和散熱性能的提高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發明在晶片表面製備超順排碳納米管薄膜散熱片的工藝流程圖。
[0018]圖2超順排碳納米管薄膜散熱片前驅體可紡絲碳納米管陣列示意圖。
[0019]圖33可紡絲碳納米管陣列拉膜示意圖。
[0020]圖此單層超順排碳納米管陣列示意圖。
[0021]圖4晶片表面製備高取向碳納米管薄膜散熱片結構示意圖。
[0022]附圖標記說明:1、矽片基底；2、可紡絲碳納米管陣列；3、碳納米管薄膜；4、目標晶片；5、絕緣層；6、超順排列碳納米管薄膜散熱片。

【具體實施方式】
[0023]以下實施例中幹法紡絲所用所用設備為專利申請號:201110311780.8中所述設備。
[0024]實施例1
所述高取向碳納米管薄膜散熱片的製備方法，具體步驟如下:
(1)可紡絲碳納米管陣列製備:超順排可紡絲碳納米管陣列前驅體，其特點是碳納米管陣列中碳納米管具有垂直於生長基底的超順排列結構；生長基底選擇6匕也帶氧化矽矽片基底；催化劑採用0.3^厚的催化劑薄膜；生長碳源氣體為乙烯氣體；
生長過程包括:首先在61%！！帶有氧化層的矽片基底表面通過電子束蒸發設備蒸鍍一層50=0厚的氧化鋁薄膜，並繼續通過電子束蒸發設備在氧化鋁表面蒸鍍一層0.3=0厚的鐵催化劑薄膜，即得到可紡絲碳納米管陣列生長催化劑材料。
[0025]將上述製備好的催化劑放入管式」0生長設備生長腔室內進行升溫，待溫度升高到750度以後，向」0反應腔內通入乙烯氣、氬氣和氫氣，生長時間為10分鐘。反應結束以後待樣品溫度冷卻至室溫取出樣品，即得到生長高度為100微米的超順排可紡絲碳納米管陣列材料。可紡絲碳納米管陣列示意圖如圖2所示。
[0026](2)幹法紡絲:對步驟(1)生長得到的超順排可紡絲碳納米管陣列進行拉膜，製備超順排單層碳納米管薄膜；超順排可紡絲碳納米管陣列中碳納米管首尾相接，形成連續薄膜；拉膜速度為0.5111/8 ；
如圖％和此所示，碳納米管陣列中碳納米管首尾相接，形成連續薄膜。薄膜中碳納米管具有非常高的取向性。
[0027](3)晶片表面堆疊:在絕緣層的目標晶片表面堆疊步驟(2)製備得到的超順排單層碳納米管薄膜，疊加層數為4層，在晶片基底表面得到超順排列碳納米管薄膜散熱片。示意圖如圖4所示，疊加過程中兩層碳納米管薄膜碳管取向相同。
[0028]向碳納米管薄膜散熱片滴加乙醇溶液，進一步提高散熱片自身緻密度以及散熱片和晶片表面接觸面積，提高散熱片散熱效果。
[0029]實施例2
所述高取向碳納米管薄膜散熱片的製備方法，具體步驟如下:
(1)可紡絲碳納米管陣列製備:超順排可紡絲碳納米管陣列前驅體，其特點是碳納米管陣列中碳納米管具有垂直於生長基底的超順排列結構；生長基底選擇61！1也帶氧化矽矽片基底；催化劑採用3=0厚的催化劑薄膜；生長碳源氣體為乙炔氣體；
生長過程包括:首先在61%！！帶有氧化層的矽片基底表面通過電子束蒸發設備蒸鍍一層3=0厚的鐵催化劑薄膜，即得到可紡絲碳納米管陣列生長催化劑材料。將上述製備好的催化劑放入管式生長設備生長腔室內進行升溫，待溫度升高到680度以後，向反應腔內通入乙炔氣、氬氣和氫氣，生長時間為10分鐘。反應結束以後待樣品溫度冷卻至室溫取出樣品，即得到生長高度為200微米的超順排可紡絲碳納米管陣列材料。可紡絲碳納米管陣列示意圖如圖2所示，碳納米管垂直矽片基底生長，具有非常高的取向。
[0030](2)幹法紡絲:對步驟(1)生長得到的超順排可紡絲碳納米管陣列進行拉膜，製備超順排單層碳納米管薄膜；超順排可紡絲碳納米管陣列中碳納米管首尾相接，形成連續薄膜；拉膜速度為1111/8 ；
如圖％和36所示，碳納米管陣列中碳納米管首尾相接，形成連續薄膜。薄膜中碳納米管具有非常高的取向性。
[0031](3)晶片表面堆疊:在目標晶片表面堆疊步驟(2)製備得到的超順排單層碳納米管薄膜，疊加層數為4層，得到產品高取向碳納米管薄膜散熱片。示意圖如圖4所示，疊加過程中兩層碳納米管薄膜碳管取向交替垂直。
[0032]向碳納米管薄膜散熱片滴加乙醇溶液，進一步提高散熱片自身緻密度以及散熱片和晶片表面接觸面積，提高散熱片散熱效果。
[0033]實施例3
所述高取向碳納米管薄膜散熱片的製備方法，具體步驟如下:
(1)可紡絲碳納米管陣列製備:超順排可紡絲碳納米管陣列前驅體，其特點是碳納米管陣列中碳納米管具有垂直於生長基底的超順排列結構；生長基底選擇石英基底；催化劑採用2=0厚的催化劑薄膜；生長碳源氣體為乙烯氣體；
生長過程包括:首先在石英基底表面通過電子束蒸發設備蒸鍍一層50！^厚的氧化鋁薄膜，並繼續通過電子束蒸發設備在氧化鋁表面蒸鍍一層2！！！！！厚的鐵催化劑薄膜，即得到可紡絲碳納米管陣列生長催化劑材料。將上述製備好的催化劑放入管式生長設備生長腔室內進行升溫，待溫度升高到735度以後，向反應腔內通入乙烯氣、氬氣和氫氣，生長時間為20分鐘。反應結束以後待樣品溫度冷卻至室溫取出樣品，即得到生長高度為350微米的超順排可紡絲碳納米管陣列材料。
[0034](2)幹法紡絲:對步驟(1)生長得到的超順排可紡絲碳納米管陣列進行拉膜，製備超順排單層碳納米管薄膜；超順排可紡絲碳納米管陣列中碳納米管首尾相接，形成連續薄膜；拉膜速度為0.8111/ 8 ；
(3)晶片表面堆疊:在目標晶片表面堆疊步驟(2)製備得到的超順排單層碳納米管薄膜，疊加層數為50層，得到產品高取向碳納米管薄膜散熱片。
【權利要求】
1.一種高取向碳納米管薄膜散熱片的製備方法，其特徵是步驟為: (1)可紡絲碳納米管陣列製備:生長得到超順排可紡絲碳納米管陣列做為製備碳納米管薄膜的前驅體材料； (2)幹法紡絲:通過直接拉膜的方法從超順排可紡絲碳納米管陣列製備超順排碳納米管薄膜材料，單層薄膜厚度為1-1OOnm ； (3)晶片表面堆疊製備超順排碳納米管薄膜散熱片:在帶有絕緣層晶片表面通過物理堆疊的方法製備超順排碳納米管薄膜散熱片。
2.如權利要求1所述高取向碳納米管薄膜散熱片的製備方法，其特徵是具體步驟如下: (1)可紡絲碳納米管陣列製備:準備物料超順排可紡絲碳納米管陣列前驅體，其特點是碳納米管陣列中碳納米管具有垂直於生長基底的超順排列結構；生長基底選擇表面粗糙度小於2nm的矽或者石英基底；催化劑採用0.3-3nm厚的Fe催化劑薄膜；生長碳源氣體為乙烯或者乙炔氣體； 以準備的物料進行反應生長，生長溫度650-760°C，生長得到超順排可紡絲碳納米管陣列，高度為100-400 μ m ； (2)幹法紡絲:對步驟(I)生長得到的超順排可紡絲碳納米管陣列進行拉膜，製備超順排單層碳納米管薄膜；超順排可紡絲碳納米管陣列中碳納米管首尾相接，形成連續薄膜；拉膜速度為0.5-lm/s ； (3)晶片表面堆疊:在目標晶片表面堆疊步驟(2)製備得到的超順排單層碳納米管薄膜，疊加層數為1-50層，得到產品高取向碳納米管薄膜散熱片。
3.如權利要求2所述高取向碳納米管薄膜散熱片的製備方法，其特徵是:步驟(3)中通過上下兩層薄膜中碳納米管薄膜取向夾角控制每層超順排單層碳納米管薄膜上下疊加方向，從而得到高取向碳納米管薄膜散熱片。
4.如權利要求2所述高取向碳納米管薄膜散熱片的製備方法，其特徵是:在步驟(3)得到的高取向碳納米管薄膜散熱片上滴加乙醇、丙酮或乙二醇溶液的方法進一步提高散熱片和晶片之間的接觸面積，提高散熱效果。
【文檔編號】H05K7/20GK104486934SQ201410788783
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月17日 優先權日:2014年12月17日
【發明者】勇振中 申請人:華進半導體封裝先導技術研發中心有限公司