[发明专利]一种低热阻热界面制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及低热阻封装技术领域，尤其涉及一种应用定向生长碳纳米管直接作为热界面材料的低热阻热界面制备方法。

背景技术

半导体技术一直沿着微型化、集成化的方向发展。以电脑CPU芯片为例，目前单个芯片内的晶体管数已超过10亿，而其互连线尺寸却只有几十纳米。电子元件的超微型化和高集成化，对其系统散热性能提出了新的挑战：一方面，微型化使器件总体尺寸越来越小，加工特征尺寸也不断减小。微纳器件与系统在运动时产生的高热流密度，极易导致散热不良，成为制约其发展的首要问题；另一方面，随着封装集成度的不断提高，特别是采用系统封装(SiP)和芯片堆叠等三维集成技术，使器件单位体积内的发热量大大增加，系统温度也随之升高，直接影响到器件性能，甚至导致器件损坏；此外，高温还导致系统中由于材料热膨胀系数不匹配而产生热应力，影响系统的可靠性。由于电子器件通常工作在高热流密度和小温差的环境下，系统散热已成为直接影响元器件工作性能、使用寿命，以及阻碍芯片微型化和系统集成化的关键问题。

同时，功率型器件(如热控开关、固态激光器，大功率发光二极管等)的散热问题也日益突出。研究表明，发光二极管(LED)的寿命随着芯片结温的增加成指数下降。由于输入电功率的80％-90％转化为热量，且LED芯片面积小(一般为1mm²)，功率密度高(超过100W/cm²)，由于散热不良导致的pn结温度升高，将严重影响到LED的发光波长、光强、光效和使用寿命。因此，芯片散热成为大功率LED封装必须解决的首要问题。

热界面材料(Thermal Interface Material，TIM)作为一种广泛用于IC封装和电子散热的材料，主要用于填充材料界面接触时产生的微小间隙，增强界面热传导，降低界面热阻，如图1所示，其中11，12为上下衬底，13为界面热流，14为空气，15为热界面材料。随着芯片发热量和封装集成度的提高，热流量不断增加，热界面材料在电子封装散热方面所扮演的角色也越来越突出。常用的热界面材料包括导热胶、导热硅脂、相变材料和焊膏等。近年来，由于微纳米技术的发展，掺加微米或纳米填充粒子的导热胶技术发展很快，填充材料主要包括石墨(C)、AlN、SiC、BN、Al₂O₃、Ag颗粒等。研究表明，导热胶的性能主要取决于填充材料的热导率、填充率、填充粒子大小、形状与级配等。一般填充率越高，导热胶的体热导率越大(目前最高热导率可达60W/mK以上)。但由于导热胶呈膏状，使用时容易污染粘合面，且耐高温性能差，在微纳器件封装中受到很大限制。

由于碳纳米管(CNT)具有热导率高(单壁CNT轴向热导可达3000-6000W/mK)、高温稳定性好(可长期耐受300℃以上高温)、易于填充微小间隙等特性，使其成为一种非在常理想的热界面材料(TIM)。大体而言，目前应用CNT制备TIM主要有三种技术途径。首先，由于CNT具有热导率高，长径比大(可达1000以上)，特别适合作为填充材料提高复合材料的热导率，如图2(a)所示，其中11、12为上，下衬底，16为碳纳米管(CNT)，17为聚合物材料。研究表明，低掺量时，复合材料热导率与CNT掺量成非线性关系。原因在于具有高长径比的CNT间相互作用强，很容易在聚合物内形成渗流网络，加强了热传导。但对于高CNT掺加量，复合材料热导率大大低于根据CNT热导率和填充率的计算值。原因在于：1)由于CNT随机分布，只有极少部分CNT参与了热传导；2)CNT与基体材料间存在声失配效应以及界面粘结力低，界面接触热阻较大。因此，即使采用定向生长CNT再填充聚合物材料的方式(如图2(b)所示，18为定向生长的碳纳米管，12为下衬底即碳纳米管生长衬底，11为上衬底即目标衬底)，由于同样存在大的界面接触热阻，复合材料的总体热导率值仍然较低。