橋式連接的高熱導(dǎo)率碳納米管陣列熱界面材料的制備和表征.pdf

1、隨著特征尺寸的不斷縮小和性能的不斷提高，微電子芯片越來(lái)越高的功率密度使得微電子封裝的熱管理面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。相對(duì)于熱沉和襯底，具有較低熱導(dǎo)率的熱界面材料成為制約芯片散熱的瓶頸，也使高性能的熱界面材料研究成為微電子封裝領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。另外，由于化合物半導(dǎo)體，柔性和有機(jī)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，對(duì)能夠在較低工藝溫度下使用的高性能熱界面材料的需求尤為迫切。
　　碳納米管在軸向上具有很高的熱導(dǎo)率，比銅等導(dǎo)熱性金屬的熱導(dǎo)率高近一個(gè)數(shù)量級(jí)，是一種理想的熱

2、傳導(dǎo)材料。目前將碳納米管用做熱界面材料的方式主要包括:將碳納米管填充到聚合物或生長(zhǎng)碳納米管森林，后者由于實(shí)現(xiàn)了納米管的對(duì)準(zhǔn)排列，可以實(shí)現(xiàn)更高的熱導(dǎo)率。但是直到目前為止，納米管森林只能一端生長(zhǎng)在芯片或熱沉上，另一懸空端必須通過(guò)壓力或者其他粘合劑與對(duì)應(yīng)的熱沉或芯片連接，而這些連接方法使聲子的傳輸變得更加復(fù)雜，明顯降低了導(dǎo)熱性能，增加了封裝工藝的難度。
　　本文提出了一種新的將對(duì)準(zhǔn)排列的納米管用作熱界面材料的方法，即將芯片貼在熱沉上以后

3、，通過(guò)流體自組裝在芯片和熱沉之間生長(zhǎng)垂直排列的碳納米管陣列作為熱界面材料，我們稱(chēng)之為橋式連接的碳納米管陣列。由于在納米管橋式連接的過(guò)程中，納米管兩端與芯片和熱沉同時(shí)形成了連接，因此毋需另外的粘結(jié)工藝，同時(shí)納米管也形成了垂直芯片和熱沉表面的垂直對(duì)準(zhǔn)排列，可以充分利用納米管軸向的高熱導(dǎo)率。
　　本文研究了這種方法的工藝可行性，并對(duì)橋式連接的納米管陣列的剪切強(qiáng)度和熱阻進(jìn)行了表征。此外，本文通過(guò)工藝參數(shù)的優(yōu)化逐漸降低熱阻，優(yōu)化結(jié)果證明了這

4、種熱界面材料在100℃時(shí)的熱阻約為4.5mm2K/W，這一數(shù)值優(yōu)于目前商用的熱界面材料，并且工藝步驟和工藝溫度與通用的導(dǎo)熱脂相似，能夠廣泛用于微電子、光電子、傳感器等各種器件的封裝。
　　第二章我們對(duì)碳納米管陣列的流體自組裝方法進(jìn)行了研究。通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)和SEM表征，證明在聚電解質(zhì)修飾過(guò)的具有一定寬度的溝道內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)碳納米管兩端同時(shí)連接溝道側(cè)壁，通過(guò)拉曼信號(hào)測(cè)試表征了納米管的排列方向，結(jié)果證明大部分納米管的取向在垂直方向的±15

5、°范圍內(nèi)。本文對(duì)這種流體自組裝的機(jī)理進(jìn)行了分析，認(rèn)為微流體通道中含有納米管的微米級(jí)液滴的形成與蒸發(fā)是形成這種納米管自組裝的主要原因。
　　利用第二章獲得的工藝方法，第三章在樣片表面制作特殊設(shè)計(jì)的微流體通道后，實(shí)現(xiàn)了上下兩個(gè)表面涂覆金屬的樣片(4×4mm2)通過(guò)納米管陣列的橋式連接，通過(guò)解剖納米管連接的樣片，SEM表征和EDS分析，我們發(fā)現(xiàn)納米管生長(zhǎng)在兩個(gè)樣片之間，這一現(xiàn)象是將碳納米管陣列作為熱界面材料的基礎(chǔ)。
　　碳納米管陣

6、列的數(shù)量和密度直接影響了這種熱界面材料的導(dǎo)熱性能，第四章討論了通過(guò)工藝參數(shù)優(yōu)化提高納米管密度的方法。由于提高生長(zhǎng)的納米管密度，兩個(gè)樣片間的剪切力也相應(yīng)提高。同時(shí)和熱性能測(cè)試相比，剪切力測(cè)試比較簡(jiǎn)單、重復(fù)性好，因此我們將剪切力作為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)改變?nèi)芤簼舛?、溶液滴?樣品烘烤周期、微流體通道的尺寸等參數(shù)，使剪切力提高到超過(guò)400kPa，并將獲得的優(yōu)化工藝參數(shù)作為我們下一章制備熱測(cè)試樣品的標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)。
　　第五章測(cè)試了這種基于橋式納

7、米管陣列的熱界面材料的熱學(xué)特性。由于這種熱界面材料的厚度只有幾個(gè)微米，比商用熱界面材料的厚度低近一個(gè)數(shù)量級(jí)，通常的熱阻測(cè)試會(huì)造成較大的誤差。我們采用的方法是測(cè)試出樣片-納米管陣列-樣片的三明治結(jié)構(gòu)的熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容，及直接鍵合的樣片-樣片結(jié)構(gòu)的熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容，通過(guò)對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)的熱性能的比較，獲得納米管陣列的界面熱阻。因此，為便于性能對(duì)比和計(jì)算界面熱阻，我們制備了商用導(dǎo)熱脂樣品和直接鍵合樣品，用LFA閃光法測(cè)量獲得了這幾種樣品的熱擴(kuò)

8、散系數(shù)，用DSC測(cè)試獲得了樣品的比熱容。利用測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算了碳納米管陣列的界面熱阻。結(jié)果表明橋式納米管陣列熱界面材料在各測(cè)試溫度點(diǎn)的平均熱阻均低于商用導(dǎo)熱脂。證明了橋式連接的碳納米管熱界面材料的應(yīng)用潛力。
　　由于剪切力測(cè)試中樣品最大剪切強(qiáng)度為400kPa，低于3MPa的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。較低的剪切強(qiáng)度成為應(yīng)用橋式連接的納米管陣列熱界面材料的一個(gè)障礙。第六章提出了一種橋式連接納米管陣列加聚合物的方案。在完成納米管陣列的橋式自組裝以后，通過(guò)在

9、芯片邊緣滴入一種高滲透性膠水，使這種膠水通過(guò)毛細(xì)作用滲透到納米管陣列周?chē)⒐袒?，成功地獲得了高于3MPa的剪切強(qiáng)度。熱表征和計(jì)算結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)滴膠固化處理的樣品熱阻會(huì)略微升高，但在100℃時(shí)仍保持在6.0mm2K/W，這一數(shù)值也優(yōu)于商用導(dǎo)熱脂。
　　綜上所述，針對(duì)目前納米管森林熱界面材料的懸空端產(chǎn)生較大熱阻的問(wèn)題，本文提出了一種橋式連接、對(duì)準(zhǔn)排列的納米管陣列，兩端分別連接芯片和熱沉，形成了聲子通道，可以作為一種高導(dǎo)熱率的熱界面材料