[发明专利]具有排列整齐的碳纳米管阵列的散热结构及其制造和应用

说明书

其他申请的交叉引用

本申请要求于2006年5月26日提交的题为“具有碳纳米管阵列 的散热结构及其制造方法”的美国在先专利申请60/808,433在35U.S.C. §119(e)下的各项权利。

技术领域

本发明主要涉及散热管理方案，具体地涉及利用排列整齐的碳纳 米管阵列的散热结构及其制造方法，以及将其应用于封装中的方法。

背景技术

随着微电子系统的发展，例如高亮度发光二极管应用于固态照明， 散热管理面临极大的挑战，需要不断满足小尺寸、高性能和产品寿命 不断提高的发展要求。器件产生的更多的热量需要有效地从更小的面 积上散发出去。研究者开发了多种散热器，希望将更多的热量从器件 传到环境中。但是，热量必须首先通过热界面材料传导到散热器。可 是传统的热界面材料，例如散热膏、散热胶、相变材料等，不能有效 地将热量从较小的面积上传到散热器上。碳纳米管是一种很有前途的 材料，因为它具有极高的导热率，多壁碳纳米管可达3000W/mK，可以 用来提高热界面材料的传热性能。引自Journal of the American Physical Society，Physical Review Letters，Vol.87(2001)，page 215502，有关碳纳米管的详细特性请参考原文。但将碳纳米管随意 的混合在基体材料中所制成的热界面复合材料，传热性能并不理想， 这主要是因为碳纳米管具有极强的导热各相异性。需要应用排列整齐 的碳纳米管阵列，因为它们可以直接从一个表面(例如热源表面)延 伸到另一个表面(例如冷源表面)。

美国专利第6965513号和第6924335号，以及中国专利申请第 200510033841.3号和第200510034239.1号，虽然使用了排列整齐的碳 纳米管阵列，但都注入了聚合物或相变材料等基体材料。由于碳纳米 管阵列和这些基体材料的声子传热模式不同，注入的基体材料会妨碍 碳纳米管阵列发挥出色的导热性能。适应结果表明，以这种技术制成 的热界面材料，导热率只有1.21W/mK，接触热阻大于50mm²K/W。引 自Adv.Mater.，Vol.17(2005)，page 1652，详细特性请参考原文。

美国专利第6856016号和美国专利申请第2004/0150100号，以及 中国专利申请第03818825.2号将碳纳米管阵列生长于半导体管芯表面 作为热界面材料，这虽然避免了使用基体材料，但制造工艺上与半导 体器件的制造工艺不匹配。如果先生长碳纳米管阵列，由于晶圆的洁 净度降低，并且为了保护碳纳米管阵列，会使得用标准的工艺和设备 制造器件非常困难。如果先制造器件，由于碳纳米管阵列需要在高于600 摄氏度的环境下生长，使得应用常规材料和工艺制造的器件会损坏， 否则要提高成本改变工艺和材料。

至于连接方法，美国专利申请第2004/0261987号使用一层粘性增 强剂来连接热源和碳纳米管阵列。这层粘性增强剂必须做得非常薄才 能使碳纳米管阵列仍能接触到热源表面，但是这很困难。实际上，这 层粘性增强剂额外增加了系统的热阻，从而降低了散热管理的热性能。 美国专利第6891724号中，碳纳米管阵列从相对的两个表面生长，并 互相交织。但实际上从任何一个表面上生长的碳纳米管阵列都很难直 接延伸到另一个表面。

发明内容

本发明提出了一个低成本、具有简单制造工艺的应用高导热率碳 纳米管阵列的散热管理方案。

为了防止碳纳米管阵列的生长与器件制造的工艺不匹配，本发明 将碳纳米管阵列生长于散热结构的表面，而不是器件的表面。

为了简化制造工艺、降低成本，可以在散热结构的两个表面上同 时生长碳纳米管阵列。具有碳纳米管阵列的散热结构用来将热量直接 从热源传递到冷源。夹在热源和冷源之间的碳纳米管阵列用作热界面 材料，从热源表面延伸到冷源表面，并将热量从热源传递到冷源。一 部分暴露在环境中而不是夹在热源和固体冷源之间的碳纳米管阵列， 实际是作为翅片来增加散热面积，并改善散热结构向环境的对流传热。

基于各种实施方案，本发明具有以下主要优点：

·低成本，容易规模化生产；

·利用本发明简单、有效的碳纳米管阵列生长方法和组装方 法，实现快捷而简单的工艺过程

·更好的导热

·更好的对流散热