[发明专利]散热结构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括热源和散热部件的散热结构及其制造方法。

背景技术

包括服务器和个人计算机中所使用的中央处理单元（CPU）的电子器件设置有诸如铜的高导热材料的散热器或散热片，该散热器或散热片位于生成热的半导体芯片的紧上方，以使得从半导体元件生成或者释放的热有效地消散。

这样的半导体芯片和散热器具有亚微米级的表面粗糙度。甚至当它们直接邻接时，它们也不会形成充分大的接触面积，并且接触界面将充当大的热阻，这使得很难有效地散热。为了减小接触处的热阻，通常在热源与散热器之间布置热界面材料。

除了具有高的热导率，要求这样的热界面材料适应于热源和散热器的细的表面粗糙度，以确保大的接触面积。当前普遍使用的材料包括硅脂、相变材料（PCM）和铟，其中PCM是一种具有比硅脂更好的特性的油脂。

硅脂和PCM可以与具有细的粗糙度的表面产生良好的接触，但是它们的热导率在大约1W/mK至5W/mK的范围内。如果要使用这些材料，则必须减小膜厚度以实现有效的散热。热源与散热器的热膨胀系数通常不同，并且在它们经历热膨胀时会出现相对位置偏移。热界面材料必须吸收该相对位置偏移，从而对最小厚度进行限制。

铟具有比PCM的热导率高的热导率（大约为80W/mK），并且可以容易地被形变或熔化以产生良好的接触。铟是稀有金属，并且由于大幅增加的需求而导致铟的成本快速上升。此外，不能说其热导率是足够高的。

近年来，已经关注碳纳米管（CNT）作为新的电和热导体。碳纳米管（CNT）具有由碳原子规则地排列的石墨烯片形成的长管状结构，并且碳纳米管被分类成由单个壁形成的单壁纳米管（SWNT）和由多个壁形成的多壁纳米管（MWNT）。对于单壁纳米管而言，它们的直径从最小为0.4nm变化至最大为约4nm，而对于多层纳米管而言，它们可以增加至几十纳米。可以通过设置合适的生长条件（包括生长时间）来将它们的长度控制在例如5μm至500μm的宽的范围内。

CNT在它们的轴向（纵轴）方向上具有非常高的电导率和非常高的热导率。CNT的轴向方向上的热导率例如可以高达大约1,500W/mK。CNT具有薄的圆柱形形状（该形状具有高的柔性）。它们还具有高的耐熔性（耐热性质）。已经进行了大范围研究，旨在开发CNT作为电导体或热导体的应用。为了制造用作热界面的碳纳米管，优选地，增加密度并控制CNT的定向以改进散热特性。

日本未审查专利公开（Kokai）第2006-108377号（日本专利第4167212号）提出在彼此相对的两个布线层中的一个上准备凹陷部分、在凹陷部分的表面上形成催化剂层、并且从催化剂层生长CNT，从而实现与在平坦的平面上生长的CNT相比电导率增加且数量密度增加的CNT；并且还提出在要被定位成与半导体芯片相对的散热片表面上准备许多凹陷部分、在每个凹陷部分的表面上形成催化剂层、并且从催化剂层生长CNT，从而实现数量密度增加的CNT束，之后通过由诸如Au和Sn的材料制成的导热粘附层将CNT束连接至半导体芯片。

在近来的半导体集成电路器件中，集成正在发展。电流密度的增加往往引起增加的热生成和增加的热膨胀。当半导体集成电路器件以固定方式连接至电路基底时，热膨胀的差异产生应力，这会导致器件毁坏。如果半导体集成电路器件经由柔性的CNT而连接至散热部件，则能够极大地减小由于热膨胀的差异而产生的应力。

在通常（普通）的化学气相沉积（CVD）中，CNT的生长温度通常为600°C或更高。许多半导体器件和电子部件不能承受或耐得住600°C或更高的热历史。在期望位置处生长CNT的方法可以根据对象对处理强加限制。因而，通常很难直接在半导体器件或电子部件的期望位置处生长CNT。

日本未审查专利公开（Kokai）第2006-147801号提出经由金属催化剂层在基底上生长高密度CNT组件（片）、在诸如半导体元件的热源上涂覆树脂层、使CNT组件浸没在该树脂层中，允许树脂渗入到CNT之间的空间中、固化树脂、并且此后移除基底，从而在热源上留下由通过树脂层粘合的CNT形成的片。