[发明专利]芯片封装与散热用热界面材料及其制法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于高性能芯片封装与散热的热界面材料，特别涉及一种以碳纳米管阵列为基本构件而形成的热界面材料及其制法。

背景技术

根据著名的“摩尔定律”推算：芯片上的晶体管每18个月翻一番，那么到2010年，芯片上晶体管的数量将超过10亿。高集成度对于计算机性能的升级是有利的，然而由此带来芯片耗能和散热问题也凸现出来。事实上，除计算机芯片外，对于大量功率电子设备、光电器件以及近年来发展迅速的微/纳电子机械系统等，都存在着类似广泛而迫切的散热冷却需要，有的情况下甚至要求更高。比如，一些微系统的热流密度已高达200W/cm²。这些态势都表明，为防止半导体芯片过度发热引起的失效，目前对高性能冷却技术的需求已提到了前所未有的层面。为了满足这些需要，各种散热方式被大量运用，如利用风扇散热、水冷辅助散热和热管散热等方式，但由于散热器与芯片的接触界面并不平整，一般接触的只有不到2％的面积，没有理想的接触界面，从根本上极大的影响了芯片向散热器进行热传递的效果，因此在散热器与半导体器件的接触界面间增加一些导热系数较高的热界面材料来增加界面接触程度就显得十分必要。

传统的热界面材料中，以油脂、相变材料为载体的复合材料因其使用时为液态而能与热源表面浸润股接触热阻较小，而以硅胶和橡胶为载体的复合材料接触热阻就较大，这些材料的普遍缺陷是整个材料的导热系数较小，典型值在1W/mK，这已经越来越不适应高性能芯片的散热需求，虽然增加载体中的导热颗粒可增大复合材料的导热系数，但会使得材料的浸润效果变差，从而使得热界面材料的性能大大降低。此外，大量的热循环可导致热界面材料的不一致行为，或者可导致热界面材料不能将芯片粘结到热沉，产生热散失，也限制了芯片的冷却。

为提高界面的导热性能，降低界面热阻，近年来出现了采用高导热系数的碳纳米管作为热界面材料。Savas Berber等人在一篇“Unusually high thermalconductivity of carbon nanotubes”的文章中指出“Z”形(10，10)碳纳米管在室温下导热系数可达6600W/mK，具体内容可参考文献Phys.Rev.Lett，vol.84，p4613。从现有的技术中可以看出采用碳纳米管作为热界面虽然在一定程度上降低了接触界面的热阻，但碳纳米管与热沉和芯片之间仍存在不良接触的问题。没有充分发挥碳纳米管的导热优势，影响了热界面材料的导热性能。另一方面，从提高界面材料与芯片间接触面积的方向考虑，近年来出现了采用液态金属作为热界面材料的技术，采用液态金属作为热界面材料时，可满足界面材料与芯片间的良好接触，但其导热系数并不高，只有几十W/mK。

因此，为满足大功率芯片的散热要求，的确有必要提供一种在接触界面可建立良好的热接触，并能在半导体器件与热沉之间提供足够的热导率和机械顺从性。

发明内容

为满足高性能芯片冷却技术的需求，克服现有热界面材料热阻较高及接触不良的不足，本发明提供一种新型的芯片封装与散热用热界面材料及其制法，在大功率芯片与热沉单元之间建立可靠的热接触，并提供足够的热导率，来提高大功率芯片的散热能力和可靠稳定性。

本发明的一个目的，将通过以下技术方案来实现：

芯片封装与散热用热界面材料，包括基底上的碳纳米管阵列，其特征在于：所述热界面材料包含自由扩散、均匀分布于碳纳米管阵列缝隙内的液态金属。所述热界面材料的厚度介于10μm～1mm。

进一步地，前述的芯片封装与散热用热界面材料，其中该碳纳米管阵列为单壁碳纳米管阵列、双壁碳纳米管阵列及多壁碳纳米管阵列之一；任意碳纳米管垂直于基底，且碳纳米管直径介于2nm～100nm。

本发明的另一个目的，其实现所依托的技术解决方案是：

芯片封装与散热用热界面材料的制法，其特征在于包括步骤：在基底材料上制备任意形状、面积的碳纳米管阵列；在所述各碳纳米管表面制作一层浸润金属层；在保护气的环境中滴加液态金属到碳纳米管阵列表面，并在高于液态金属熔点温度的条件下采用抽真空法将液态金属扩散、填满碳纳米管阵列的缝隙。

进一步地，其中所述浸润金属层为厚度1nm～2nm的金薄膜或铂薄膜；所述保护气为惰性气体，可选包括氮气或氩气中的一种。

实施本发明的技术方案，其积极的有益效果为：

本发明采用高导热的碳纳米管及液态合金制作的热界面材料，能为大功率半导体器件(例如，高功率集成芯片)与热沉之间提供优越的热接触，大幅降低封装热阻，提高器件的散热能力和稳定性。