CN101626674B - 散热结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种散热结构，该散热结构固定设置于一发热元件表面，其中，该散热结构包括一图形化的碳纳米管阵列与一固定层，该散热结构通过该固定层固定于该发热元件上，所述图形化的碳纳米管阵列包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管暴露出固定层的长度不相等，形成预定图形。一种散热结构的制备方法，其包括以下步骤：提供一发热元件，该发热元件具有一表面；设置一熔融态固定层于发热元件的表面；制备一碳纳米管阵列形成于一基底，该碳纳米管阵列具有一第一端及与第一端相对的第二端，第二端与基底连接；将上述碳纳米管阵列的第一端***该固定层中，冷却该固定层至其凝固；除去碳纳米管阵列的基底；以及将碳纳米管阵列图形化，在发热元件的表面上形成一散热结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种散热结构及其制备方法，尤其涉及一种基于碳纳米管的散热结构及其制备方法。
背景技术
近年来，随着半导体器件集成工艺的快速发展，半导体器件的集成化程度越来越高，半导体集成器件（如CPU）的运行频率也越来越高，其单位时间内产生的热量增加，热量的累积将引起温度的升高，从而导致半导体集成器件的运行性能包括稳定性下降，因此，必需及时地将其产生的热量散发出去，目前，散热已经成为半导体集成工艺中必须解决的问题。
随着器件体积的减小，其对散热需求的提高，器件散热已成为一个重要的问题。请参见图1，目前应用于器件散热的散热结构100通常包括一散热器102和一热界面材料层104。该散热器102包括一基体106和设置在该基体106表面上的散热鳍片108。该热界面材料层104通常设置于散热器102的基体106与散热鳍片108相对的表面上，用于增加散热结构100与半导体器件之间的散热面积，改善半导体器件与散热结构100的热传递效果。传统热界面材料为将导热系数较高的颗粒分散于聚合物基体中形成的复合材料，导热系数较高的材料包括石墨、氮化硼、氧化硅、氧化铝、银或其它金属等。该类复合材料的普遍缺陷是整体材质导热系数较小，典型值为1W/mK，这已经不能适应半导体集成化程度的提高对散热的需求。且，由热界面材料层的存在，使得这种散热结构的体积受到限制，很难满足微小半导体器件的需求。另，传统的散热鳍片的材料常采用金属、金属合金或导热系数较高的的颗粒分散于聚合物基体中形成的复合材料，这些材料制备的散热鳍片同样存在着导热系数较小的缺点，难以满足半导体集成化程度的提高对散热的需求。
1991年，日本科学家Iijima在电弧放电试验中发现了碳纳米管（请参见“Helical microtubules of graphitic carbon”,Nature,Sumio Iijima,vol354,p56(1991)）。因碳纳米管具有长径比大，长度可为直径的几千倍；强度高，为钢的100倍，但重量只有钢的六分之一；韧性与弹性极佳的特性，且碳纳米管沿其纵向方向有极高的热导系数，使其成为最具潜力的热界面材料之一。美国物理学会上发表一篇名为“碳纳米管显著热导性”的文章指出对于“Z”字形(10,10)碳纳米管在室温下其导热系数可达6600W/mK。碳纳米管的这一性质使其在半导体集成器件中的散热结构中的应用中具有广阔的发展前景，成为人们的研究热点。
现有技术中，将碳纳米管应用于散热结构中时，通常是将碳纳米管本身或碳纳米管的复合材料作为热界面材料应用。但是，由于碳纳米管在热界面材料中一般为无序排列，未能充分利用碳纳米管纵向导热的优势，因此，这种散热结构的散热效率并未得到明显提高。同时，由于这种散热结构同样需要同时包括热界面材料与散热器，散热结构的体积受到限制，无法满足微小器件的要求。
因此，确有必要提供一种散热结构及其制备方法，该散热结构散热效率高，体积小，可方便应用于各种领域。
发明内容
一种散热结构，该散热结构固定设置于一发热元件表面，其中，该散热结构包括一图形化的碳纳米管阵列与一固定层，该散热结构通过该固定层固定于该发热元件上，该发热元件的熔点高于该固定层的熔点，所述图形化的碳纳米管阵列包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管暴露出固定层的长度不相等，形成预定图形。
一种散热结构的制备方法，其包括以下步骤：提供一发热元件，该发热元件具有一表面；设置一熔融态固定层于发热元件的表面，该发热元件的熔点高于该固定层的熔点；制备一碳纳米管阵列形成于一基底，该碳纳米管阵列具有一第一端及与第一端相对的第二端，第二端与基底连接；将上述碳纳米管阵列的第一端***该固定层中，冷却该固定层至其凝固；除去碳纳米管阵列的基底；以及将碳纳米管阵列图形化，在发热元件的表面上形成一散热结构。
相对于现有技术，本技术方案所提供的散热结构存在以下优点：其一，该散热结构直接固定于发热元件上，无需热界面材料，体积较小，可方便应用于各种领域；其二，该散热结构中的碳纳米管以阵列形式存在，充分利用了碳纳米管的纵向导热性能，因此，该散热结构的散热效率高。
附图说明
图1为现有技术中的散热结构的结构示意图。
图2为本技术方案实施例所提供的设置于发热元件上的散热结构的剖面示意图。
图3为图2的俯视图。
图4为本技术方案实施例所提供的散热结构的制备方法的流程图。
图5为本技术方案实施例所提供的散热结构的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图2，本技术方案提供一种散热结构10，该散热结构10设置于一发热元件12的表面18。该散热结构10包括一图形化的碳纳米管阵列16与一固定层14。图形化的碳纳米管阵列16包括一第一端162及与第一端162相对的第二端164。图形化的碳纳米管阵列16的第一端162设置于固定层14中，并通过固定层14使图形化的碳纳米管阵列16固定于发热元件12的表面18，图形化的碳纳米管阵列16的第二端164向远离固定层14的方向延伸。可以理解，图形化的碳纳米管阵列16的第一端162也可以穿透固定层14与发热元件12直接接触，提高散热效率。
所述固定层14的材料为导热材料，包括复合材料或低熔点的金属。所述的复合材料包括导电聚合物复合材料、导电陶瓷复合材料或其他导电复合材料，如含有碳纳米管的塑料。所述低熔点金属包括锡、铟、铅、锑、银、铋以及其任意组合的合金或混合物，如锡铅合金、铟锡合金、锡银合金等。所述固定层14的厚度不宜太厚，也不宜太薄，太厚则不利于充分利用碳纳米管阵列16中的碳纳米管的散热性能，太薄则会降低其对图形化的碳纳米管阵列16的固定力，导致碳纳米管阵列16的倾倒。优选地，所述固定层14的厚度为0.1毫米-1毫米。
所述的图形化的碳纳米管阵列16包括多个平行设置的碳纳米管，碳纳米管沿图形化的碳纳米管阵列16的第一端162到第二端164的方向延伸，碳纳米管基本垂直于固定层14的表面18。由于图形化的碳纳米管阵列16的第一端162设置于固定层中，因此，碳纳米管至少部分设置于固定层14中，碳纳米管暴露于固定层14外的部分作为散热鳍片，将发热元件12所产生的热量散发出去。所述的图形化的碳纳米管阵列16可根据发热元件12的需要形成预定的图形，所述的预定图形的形成包括以下三种情况：其一，所述图形化的碳纳米管阵列16中暴露出固定层14的碳纳米管一部分被去除，其余的碳纳米管暴露出固定层14的部分的长度相等，形成预定的平面图形，如圆形、十字形、环形等；其二，所述图形化的碳纳米管阵列16中的暴露出固定层14的碳纳米管长度不同，形成预定的立体图形；其三，所述图形化的碳纳米管阵列16中一部分碳纳米管暴露出固定层14的部分被去除，其余的碳纳米管暴露出固定层14的部分的长度不相等，形成预定图形。本实施利中，图形化的碳纳米管阵列16中一部分碳纳米管暴露出固定层14的部分被去除，其余的碳纳米管暴露出固定层14的部分的长度相等，形成如图3所示的“十”字通道。在应用时，该图形化的碳纳米管阵列16可增加空气对流，有利于提高散热效率。所述图形化碳纳米管阵列16的中碳纳米管的长度大于固定层14的厚度。优选地，图形化的碳纳米管阵列16中碳纳米管的长度为0.5毫米-5毫米，本实施例中，图形化碳纳米管阵列16中碳纳米管的长度为1毫米。所述图形化的碳纳米管阵列16中的碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管或其任意组合。该单壁碳纳米管的直径为0.5纳米-100纳米，该双壁碳纳米管的直径为1.0纳米-100纳米，该多壁碳纳米管的直径为1.5纳米-100纳米。所述图形化的碳纳米管阵列16中的碳纳米管之间的距离为0.1纳米-5纳米。
所述发热元件12的具体形状不限，其具有一表面18可用于设置固定层14即可，该表面18可以为一平面，也可以为凸面、凹面或凸凹不平面。发热元件12的表面18的熔点应高于固定层14的熔点，以确保该散热结构10在形成于发热元件12上时不会对发热元件造成破坏。发热元件12可以是任何发热元件，包括微型器件或大型器件，优选地，发热元件12为微型器件。
请参阅图4及图5，本技术方案实施例提供一种制备上述散热结构10的制备方法，其具体包括以下步骤：
步骤一、提供一发热元件12，该发热元件12具有一表面18。
所述发热元件12的具体形状不限，其具有一表面18可用于设置固定层14即可。发热元件12表面18的熔点应高于固定层的熔点，以确保该散热结构10在项城于发热元件12上时不会对发热元件造成破坏。本实施例中，所述发热元件12为集成电路中所用的芯片。
步骤二、形成一熔融态的固定层14于发热元件12的表面18。
将熔融态的固定层材料通过涂敷、印刷等方式设置于发热元件12的表面18上形成一固定层14，所述固定层14的材料为导热材料，其具体材料不限，可为低熔点的金属。所述低熔点金属包括锡、铟、铅、锑、银、铋以及前述各材料的合金或混合物，如锡铅合金、铟锡合金、锡银铜合金等，本实施例中，固定层材料优选为金属锡。
步骤三、制备一碳纳米管阵列22形成于一基底20，该碳纳米管阵列具有一第一端及与第一端相对的第二端，第二端与基底20连接。
该碳纳米管阵列22的具体制备方法不限，本技术方案实施例中碳纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法，其具体包括以下步骤：（a）提供一平整基底20，该基底20可选自玻璃、硅、二氧化硅、金属或金属氧化物，本技术方案实施例优选为采用二氧化硅基底；（b）在基底20表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）或其任意组合的合金之一；（c）将上述形成有催化剂层的基底20在700℃-900℃的空气中退火约30分钟-90分钟；（d）将处理过的基底20置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500℃-740℃，然后通入碳源气体反应约5分钟-30分钟，生长得到碳纳米管阵列。该碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于基底20生长的碳纳米管形成的碳纳米管阵列22。该碳纳米管阵列22包括一第一端及与第一端相对的第二端，第二端与基底20连接，固定于基底20上，所述碳纳米管在碳纳米管阵列22中从第一端向第二端延伸。
本技术方案实施例中碳源气可选用乙炔、乙烯、甲烷等化学性质较活泼的碳氢化合物，本技术方案实施例优选的碳源气为乙炔；保护气体为氮气或惰性气体，本技术方案实施例优选的保护气体为氩气。
可以理解，本技术方案实施例提供的碳纳米管阵列不限于上述制备方法，也可为石墨电极恒流电弧放电沉积法、激光蒸发沉积法等。
步骤四、将上述碳纳米管阵列22的第一端***该熔融态的固定层14中，冷却该固定层14至其凝固。
将碳纳米管阵列22的第一端倒转后，缓慢***熔融态的固定层14中，碳纳米管阵列22***固定层14中的深度不限，可根据实际情况调整，碳纳米管阵列22可穿透固定层14与发热元件12的表面直接接触。
为使碳纳米管阵列22顺利***固定层14中，在碳纳米管阵列22***固定层14之前，固定层14的应保持一定的温度，使其处于熔融态，当将碳纳米管阵列22***固定层14中后，在室温下冷却该熔融态固定层14，待固定层14凝固后，碳纳米管阵列22的第一端固定于固定层14中，使碳纳米管阵列22中的碳纳米管通过该固定层14固定于发热元件12上。碳纳米管阵列22中碳纳米管与发热元件12的表面18所成的角度为90度。
步骤五、除去碳纳米管阵列22的基底20。
采用机械研磨、化学刻蚀等方法除去碳纳米管阵列22的基底20，本实施例中，采用化学刻蚀的方法将基底20除去。其具体包括以下步骤：
首先，提供一可溶解基底的腐蚀液，本实施例中，碳纳米管阵列22的基底20为二氧化硅，腐蚀液选盐酸溶液。
其次，将碳纳米管阵列22的基底20浸入该腐蚀液中浸泡30分钟-1小时。本实施例中，由于基底20的材料为二氧化硅，碳纳米管阵列22中的催化剂材料为金属，因此，在此浸泡过程中，基底20与催化剂溶解于该酸性溶液中，从而将碳纳米管阵列22的基底20除去，使碳纳米管阵列22的第二端与基底20脱离，暴露于空气中。
可选择地，最后，可采用酒精、丙酮等有机容剂洗涤碳纳米管阵列22的第一端。
步骤六、将碳纳米管阵列22图形化，在发热元件12的表面18形成散热结构10。
本实施例中，将碳纳米管阵列22图形化的方法为采用1-100000瓦/平方毫米的激光束以800-1500毫米/秒的速度按照形成预定的图形的路径照射碳纳米管阵列22，在碳纳米管阵列22中形成预定的图形。
所述采用激光束照射碳纳米管阵列22的表面的方法具体包括以下步骤：
首先，提供一激光器，该激光器的激光束的照射路径可通过电脑程序控制，本实施例中，所述激光器为二氧化碳激光器。
其次，确定好碳纳米管阵列22中所需要形成的图样，输入电脑程序中，控制激光器中的激光束沿可形成该图样的路径照射，通过预先确定图样的方式，可实现批量化制备，有利于产业化生产。
最后，开启激光器，使一定功率的激光束以一定的速度从正面直接照射碳纳米管阵列22中的部分碳纳米管，形成图形化的碳纳米管阵列16。经激光照射后，由于激光的高能量被碳纳米管吸收，产生的高温将处于激光照射路径处处于固定层14外的碳纳米管被激光全部或部分烧蚀掉，从而在碳纳米管阵列22中形成预定的图形，形成图形化的碳纳米管阵列16。图形化的碳纳米管阵列16包括一第一端162及与第一端162相对的第二端164。图形化的碳纳米管阵列16的第一端162设置于固定层14中，并通过固定层14使图形化的碳纳米管阵列16固定于发热元件12的表面18，图形化的碳纳米管阵列16的第二端164向远离固定层14的方向延伸。
本实施例中，激光束的功率密度为70000-80000瓦/平方毫米，扫描速度为1000-1200毫米/秒。上述激光束功率密度和扫描速度较大，可在激光束照射碳纳米管的瞬间刻蚀碳纳米管，不会对固定层14造成伤害，因此，该散热结构10对固定层14的材料的熔点无特殊要求。
可以理解，本技术方案中还可以固定激光束，通过电脑程序控制和移动碳纳米管阵列22的运动路径，在碳纳米管阵列22中刻蚀所需图样。
将碳纳米管阵列22图形化的目的是满足散热结构10在多方面的应用和要求，如增加散热结构10的通风、充分利用散热空间等。
上述散热结构10在应用时，当发热元件12的温度增加时，发热元件12产生热量，由于图形化的碳纳米管阵列16的第一端162设置于固定层中，热量通过固定层14传递给图形化的碳纳米管阵列16，将发热元件12所产生的热量散发出去。
本技术方案所提供的散热结构存在以下优点：其一，该散热结构直接固定于发热元件上，无需热界面材料与散热器的结合，体积较小，可方便应用于各种领域；其二，该散热结构中的碳纳米管以阵列形式存在，且该碳纳米管阵列中的碳纳米管垂直于固定层的表面，充分利用了碳纳米管的纵向导热性能，因此，该散热结构的散热效率高；其三，该散热结构中的碳纳米管作为散热鳍片，由于碳纳米管的直径很小，一般为几纳米到几十纳米，使单个碳纳米管散热鳍片具有极大的长径比，大大增加了所述散热结构的散热面积，提高了散热结构的散热效率；其四，由于散热结构中的固定层是以熔融态直接与发热元件接触，可实现充分接触，增加了散热面积，因此，该散热结构的散热效率高。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (15)
1.一种散热结构，该散热结构固定设置于一发热元件表面，其特征在于，该散热结构包括一图形化的碳纳米管阵列与一固定层，该图形化的碳纳米管阵列通过该固定层固定于该发热元件上并与该发热元件直接接触，该固定层的材料为锡、铟、铅、锑、银、铋或其任意组合的合金，所述图形化的碳纳米管阵列包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管暴露出固定层的长度不相等，形成预定图形。
2.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述的图形化的碳纳米管阵列包括一第一端及一与第一端相对第二端，第一端设置于固定层中。
3.如权利要求2所述的散热结构，其特征在于，所述的图形化的碳纳米管阵列的第一端与发热元件的表面接触。
4.如权利要求2所述的散热结构，其特征在于，所述的图形化的碳纳米管阵列包括多个平行的碳纳米管，碳纳米管从图形化的碳纳米管阵列的第一端向第二端延伸。
5.如权利要求4所述的散热结构，其特征在于，所述的图形化的碳纳米管阵列中的碳纳米管垂直于发热元件的表面。
6.如权利要求4所述的散热结构，其特征在于，所述的图形化的碳纳米管阵列中碳纳米管的长度为0.5毫米-5毫米。
7.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述的固定层的材料为锡铅合金、铟锡合金或锡银铜合金。
8.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述的固定层的厚度为0.1毫米-1毫米。
9.如权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述的图形化的碳纳米管阵列中暴露出固定层的碳纳米管一部分被除去，其余的碳纳米管暴露出固定层的长度不相等。
10.一种散热结构的制备方法，其包括以下步骤：
提供一发热元件，该发热元件具有一表面；
形成一熔融态固定层于发热元件的表面，该固定层的材料为锡、铟、铅、锑、银、铋或其任意组合的合金；
制备一碳纳米管阵列形成于一基底，该碳纳米管阵列包括一第一端及与第一端相对的第二端，第二端与基底连接；
将上述碳纳米管阵列的第一端***该固定层中并与该发热元件直接接触，冷却该固定层至其凝固；
除去碳纳米管阵列的基底；以及
将碳纳米管阵列图形化，在发热元件的表面形成一散热结构。
11.如权利要求10所述的散热结构的制备方法，其特征在于，所述的形成一熔融态固定层于发热元件的表面的方法包括涂敷法或印刷法。
12.如权利要求10所述的散热结构的制备方法，其特征在于，所述的冷却该固定层为在室温下冷却。
13.如权利要求10所述的散热结构的制备方法，其特征在于，所述的除去碳纳米管阵列基底的方法包括机械研磨法或化学刻蚀法。
14.如权利要求13所述的散热结构的制备方法，其特征在于，所述的采用化学刻蚀法除去碳纳米管阵列基底的方法包括以下步骤：提供一可溶解基底的腐蚀液；将碳纳米管阵列的基底浸入该腐蚀液中浸泡30分钟-1小时；以及，洗涤碳纳米管阵列的根部。
15.如权利要求10所述的散热结构的制备方法，其特征在于，所述的将碳纳米管阵列图形化的方法为采用10000-100000瓦/平方毫米的激光束以800-1500毫米/秒的速度按照形成预定的图形的路径照射碳纳米管阵列，在碳纳米管阵列中形成预定的图形。
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