定向生長碳納米管陣列熱界面材料技術(shù)研究

馬夢穎羅 斌王亭亭尚金堂

1(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院微電子機械系統(tǒng)教育部重點實驗室 南京 210096)2( 海思半導(dǎo)體有限公司 上海 200040)

定向生長碳納米管陣列熱界面材料技術(shù)研究

馬夢穎1羅 斌1王亭亭2尚金堂1

1(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院微電子機械系統(tǒng)教育部重點實驗室 南京 210096)2( 海思半導(dǎo)體有限公司 上海 200040)

熱界面材料技術(shù)是三維系統(tǒng)級封裝中的關(guān)鍵技術(shù)。文章采用新型定向生長碳納米管陣列方法制備了熱界面材料，并研究了其導(dǎo)熱性能。實驗結(jié)果表明，通過采用 50/100/100 nm 厚的 Ti/Ni/Au 金屬層和 Sn64Bi35Ag1 導(dǎo)熱焊料，可成功實現(xiàn)碳納米管陣列的 100% 轉(zhuǎn)移；通過熱釋放膠帶(Nitto Denko，Part Number∶ #3198MS)可獲得懸浮碳納米管陣列。文章還通過 LFA 447 激光導(dǎo)熱儀分別測量了熱界面材料在 25℃、75℃ 和 125℃ 下的熱擴散系數(shù)，并計算了其表觀熱導(dǎo)率，還進行了熱循環(huán)可靠性測試。結(jié)果表明，所選用碳納米管陣列的表觀熱導(dǎo)率高于42 W/(m·K)，200 次熱循環(huán)后的表觀熱導(dǎo)率高于 41 W/(m·K)；轉(zhuǎn)移后的碳納米管陣列的表觀熱導(dǎo)率高于 28 W/ (m·K)，200 次熱循環(huán)后仍高于 24 W/(m·K)。

碳納米管陣列；熱界面材料；3D 封裝

1 引 言

隨著無線通信和消費類電子產(chǎn)品的高速發(fā)展，系統(tǒng)級微型化集成正逐漸成為發(fā)展趨勢。新一代的三維(3D)系統(tǒng)級集成與封裝技術(shù)是目前延續(xù)或者超越摩爾定律的重要途徑之一。微系統(tǒng)高頻高速、多功能、高性能、小體積的集成與封裝發(fā)展趨勢，使其設(shè)計功率和功率密度持續(xù)增加，易使工作溫度過高而造成門延遲升高、材料加速疲勞等問題，從而使芯片性能、可靠性和壽命大大降低[1]。因此，將封裝體內(nèi)產(chǎn)生的熱量有效排出，有助于保證系統(tǒng)高效可靠地運行。

通用性散熱技術(shù)是將芯片熱量直接或通過均熱片間接傳遞至具有強散熱能力的熱沉上。雖然液體冷卻、微流道冷卻等熱沉冷卻技術(shù)具有較高散熱能力，但上述方法主要依靠固-固接觸方法連接芯片與熱沉，接觸表面存在微米級的粗糙度和彎曲，實際界面接觸面積少，大部分界面間充斥著熱傳遞性能極差的空氣(熱導(dǎo)率為 0.023 W/ (m·K))，使界面熱阻過大。采用具有高導(dǎo)熱性能的熱界面材料填充芯片和熱沉的固-固接觸界面間的間隙，可有效增大界面導(dǎo)熱能力。

未來芯片的功率可能會達到 510 W，芯片上熱流分布不均勻，往往導(dǎo)致芯片上存在“熱點”，致使局部功率密度超過 300 W/cm2[2]。實用高效的熱界面材料既要有效降低界面接觸熱阻，又要在工作芯片產(chǎn)生的高溫惡劣環(huán)境中保持材料穩(wěn)定性，并能承受住芯片安裝與系統(tǒng)封裝時的機械壓力和剪切力等。因此，對新型熱界面材料的研究是 3D 系統(tǒng)集成與封裝技術(shù)的熱點與難題。

目前，國內(nèi)外主要采用有機類熱界面材料、低熔點合金焊料和相變材料等三類熱界面材料。雖然有機類熱界面材料粘結(jié)性高、柔性好、易操作、成本低，但導(dǎo)熱性能較差，并且有機物易降解，致使材料改性[3]。低熔點合金焊料導(dǎo)熱系數(shù)較高，柔性好，但其具有熱膨脹系數(shù)高、熱疲勞強度低和易形成空洞等缺點，容易帶來界面分層等失效問題[4]。相變材料吸熱量大，但安裝和工作過程易發(fā)生泄漏，可操作性差[5]。

近年來的研究表明，碳納米管(Carbon Nanotube，CNT)不僅具有良好的力學(xué)和電學(xué)性能，還具有高熱導(dǎo)率和強熱穩(wěn)定性[6]。其中，垂直生長碳納米管陣列(Vertically Aligned Carbon Nanotube，VACNT)具有良好的徑向?qū)嵝?。Berber 等[11]利用分子動力學(xué)模擬方法表征出單臂碳納米管在室溫下的熱導(dǎo)率高達 6600 W/ (m·K)。但是，實際應(yīng)用中，定向生長碳納米管陣列的導(dǎo)熱性能往往很低，這主要取決于兩個因素：(1)碳納米管陣列的質(zhì)量：在生長過程中，碳納米管陣列內(nèi)部往往會有很多缺陷，從而導(dǎo)致導(dǎo)熱性能的大幅度降低；碳納米管陣列的致密度也會顯著影響整體的表觀導(dǎo)熱性能，致密度越高，導(dǎo)熱性能越好，因而提高碳納米管陣列的生長質(zhì)量尤為重要；(2)碳納米管陣列與熱沉、芯片的接觸熱阻：碳納米管陣列端部與熱沉、芯片之間的晶格失配以及接觸是否良好會顯著影響界面熱阻的大小，如何降低接觸熱阻也非常關(guān)鍵。

現(xiàn)有文獻報道的碳納米管陣列的熱導(dǎo)率千差萬別，這是由于采用不同方法合成的碳納米管陣列的性能不同，其致密度、直徑、分布、壁數(shù)、纏繞方式、對準(zhǔn)方式、端頭結(jié)構(gòu)、封裝方式，以及與生長襯底粘結(jié)方式等性能不同，致使其導(dǎo)熱性能不同；同時，碳納米管的多孔結(jié)構(gòu)限制了其測試普適性，不同測試方法將帶來不同誤差，使測試所得的表觀熱導(dǎo)率千差萬別[10]。較好情況下，碳納米管陣列在轉(zhuǎn)移前的表觀熱導(dǎo)率范圍約為 42～3000 W/(m·K)[12-14]。采用不同轉(zhuǎn)移方法所得碳納米管陣列的轉(zhuǎn)移質(zhì)量不同。轉(zhuǎn)移成功情況下，轉(zhuǎn)移后碳納米管陣列的表觀熱導(dǎo)率為 17 W/(m·K)[15]、25 W/(m·K)[16]、27 W/(m·K)[17]，甚至是 74～83 W/(m·K)[18]。

本文從上述降低界面接觸熱阻方面對定向生長碳納米管陣列熱界面材料技術(shù)進行了研究。文章采用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法制備的垂直定向生長碳納米管陣列作為熱界面材料：首先采用導(dǎo)熱焊料將碳納米管陣列轉(zhuǎn)移至硅片-銅片界面，然后借助于 LFA 447 激光導(dǎo)熱儀測量生長襯底上碳納米管陣列和轉(zhuǎn)移后碳納米管陣列的相關(guān)性能，最后進行熱循環(huán)可靠性測試。

2 實驗方法

2.1 碳納米管陣列的制備

本項目采用的定向生長碳納米管陣列購于蘇州納米所。該樣品采用化學(xué)氣相沉積方法制備?？梢栽诖蟪叽绲囊r底上制備出較長的、有著良好取向的垂直排列碳納米管陣列，制備方法如下：首先，對潔凈的硅圓片進行表面氧化，生長約 100 nm 厚的干氧層；然后采用原子層淀積的方法在二氧化硅層上淀積 5～20 nm 厚的鋁氧化層(Al2O3)；再采用電子束蒸發(fā)的方法在鋁氧化層上制備 2～5 nm 厚的鐵(Fe)催化劑層。根據(jù)熱界面材料樣品的尺寸要求將硅圓片劃成需要的大小，本研究采用的 VACNT 樣品的大小為1 cm×1 cm。之后便可以采用熱 CVD 方法在氬氣、氫氣和乙烯的混合氣氛下合成 VACNT，溫度可以控制在 750～1000℃，氣流可以控制在：Ar/H2/C2H4＝380/180/150 sccm。通過控制反應(yīng)時間的長短，可以制備不同高度的碳納米管陣列。

2.2 碳納米管陣列的轉(zhuǎn)移

垂直生長碳納米管陣列(VACNT)的平均熱導(dǎo)率可達 200 W/(m·K)，甚至更高[7]。然而，將其轉(zhuǎn)移后，碳納米管陣列的端面上與固體平面接觸的碳納米管數(shù)量較少，從而導(dǎo)致導(dǎo)熱面積較小，熱阻較大；同時，碳納米管本身與低熔點焊料金屬并不潤濕，碳納米管陣列與固體界面通過范德華力接觸，致使由聲子散熱導(dǎo)致的界面熱阻較大。

為獲得高效連接的碳納米管熱界面材料，降低芯片-碳納米管陣列-熱沉的接觸熱阻，在轉(zhuǎn)移碳納米管陣列前，本文在碳納米管陣列表面磁控濺射一層 Ti(50 nm)/Ni(100 nm)/Au(100 nm)金屬過渡層。其中，Ti 層為粘結(jié)層，Ni 層為浸潤層，Au 層為抗氧化層。經(jīng)實驗證明，磁控濺射Ti/Ni/Au 金屬層后，更容易將碳納米管陣列轉(zhuǎn)移至目標(biāo)基片上，而沒有 Ti/Ni/Au 金屬層過度的轉(zhuǎn)移工藝不能完全將碳納米管陣列從生長襯底上剝離，甚至出現(xiàn)完全不能轉(zhuǎn)移的情況。

本實驗選擇 1 cm×1 cm 的銅片和硅片(銅片厚度 600 μm，硅片厚度 500 μm)作為測試用目標(biāo)基片，借助于導(dǎo)熱焊料將碳納米管陣列熱界面材料從生長基片上轉(zhuǎn)移至目標(biāo)基片之間，形成硅-碳納米管陣列-銅的測試樣品。之后通過測試中間碳納米管陣列熱界面材料層的熱擴散系數(shù)和表觀熱導(dǎo)率，比較碳納米管轉(zhuǎn)移實驗的可行性與可重復(fù)性。

實驗所選焊料為 Sn64Bi35Ag1，熱導(dǎo)率為37.4 W/(m·K)。首先制備硅生長襯底-碳納米管-硅測試用目標(biāo)基片三重結(jié)構(gòu)，其中，碳納米管陣列和硅測試用目標(biāo)基片之間的粘結(jié)方式為所選導(dǎo)熱焊料固化粘附層；再將碳納米管陣列從生長襯底上剝離；最后，在銅目標(biāo)基片上涂覆一層相同材質(zhì)的導(dǎo)熱焊料粘附層，將其與轉(zhuǎn)移下來的碳納米管陣列粘結(jié)，制備出測試用硅-碳納米管陣列-銅樣品。每次涂覆的導(dǎo)熱焊料厚度不宜過大，以免對測試結(jié)果造成不可忽略的影響。

在上述轉(zhuǎn)移碳納米管陣列實驗中，需在粘結(jié)碳納米管陣列和硅目標(biāo)基片，以及粘結(jié)碳納米管陣列和銅目標(biāo)基片時施加適當(dāng)?shù)膲毫?，以排出多余空氣，使其緊密粘結(jié)，且不能損壞碳納米管陣列原有結(jié)構(gòu)；在剝離碳納米管陣列時，也需施加足夠拔力以克服碳納米管陣列和生長襯底之間的范德瓦耳斯力?？紤]到實際生產(chǎn)中硅目標(biāo)基片和銅目標(biāo)基片將換成芯片和熱沉，而上述轉(zhuǎn)移實驗中的壓力和拔力可能會損害芯片和熱沉的可靠性，且小型芯片和熱沉不利于手動施加壓力和拔力，因此，本實驗還研究了不借助于目標(biāo)基片的碳納米管陣列剝離工藝。制備出的硅生長襯底-碳納米管陣列結(jié)構(gòu)將首先置于 400℃ 高溫熔爐中常壓加熱 10 分鐘，以減弱碳納米管陣列和生長襯底之間的范德瓦爾斯力；然后在碳納米管陣列表面濺射 Ti/Ni/Au 金屬層；最后借助于熱釋放膠帶(Nitto Denko，Part Number∶ #3198MS) 將碳納米管陣列從生長襯底上剝離。其中，該膠帶的熱釋放溫度為 90℃ 或 120℃。而在此溫度下，膠帶將失去粘性，最終可得到懸浮碳納米管陣列。

2.3 熱循環(huán)可靠性測試

為詳細(xì)系統(tǒng)地研究碳納米管陣列轉(zhuǎn)移前后的導(dǎo)熱能力及熱導(dǎo)可靠性，本實驗將硅生長襯底-碳納米管陣列、硅-碳納米管陣列-銅分別通過 200 次熱循環(huán)實驗，比較實驗前后樣品的導(dǎo)熱性能。所用熱循環(huán)參數(shù)見表1。測試溫度分別為25℃、75℃ 和 125℃。

2.4 導(dǎo)熱測試

材料導(dǎo)熱性能的測試方法可分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。其中，穩(wěn)態(tài)法測溫范圍和熱導(dǎo)率范圍較窄；瞬態(tài)法應(yīng)用范圍則較廣，尤其適合高熱導(dǎo)率材料及高溫下的測試。因此，本實驗借助于 LFA 447 激光導(dǎo)熱儀，采用激光閃射(Flash Method)瞬態(tài)法測試樣品的導(dǎo)熱性能。

激光閃射法可直接測量材料的熱擴散系數(shù)[9,10]，其基本原理示意圖如圖 1(a)所示。在設(shè)定測試溫度下，LFA 447 內(nèi)置激光源或閃光氙燈瞬間發(fā)射光脈沖，均勻照射至樣品下表面，其表層吸收光能后溫度瞬間升高，并作為熱端將能量傳導(dǎo)至上表面冷端傳播。內(nèi)置紅外檢測器將連續(xù)測量樣品上表面中心部位溫升過程，所得溫升曲線如圖1(b)所示。LFA 447 相應(yīng)分析軟件將直接輸出上表面半升溫時間 t50，即為樣品在接受光脈沖照射后紅外檢測器所檢測到的樣品上表面溫度升高到最大值一半時所需要的時間。采用 Parker 分析方法，測試溫度為 T 時的熱擴散系數(shù)定義[8]為：

表1 熱循環(huán)條件Table 1. Thermal cycle process conditions

圖1 激光閃射法測試方法Fig. 1. Laser flash test method

其中，α(T)為熱擴散系數(shù)；d 為樣品厚度。

測試溫度為 T 時的熱導(dǎo)率計算公式[8]為：

其中，λ(T)為熱導(dǎo)率，可由 LFA 447 激光導(dǎo)熱儀內(nèi)置算法軟件計算得出；α(T)為采用 LFA 447 激光導(dǎo)熱儀測試得出的熱擴散系數(shù)；Cp(T)為測樣比熱；ρ(T)為測樣密度。

由于碳納米管陣列的表面是多孔的、不均勻的，如果激光束直接照射到碳納米管陣列表面，表面熱分布將不均勻。在碳納米管陣列表面磁控濺射 Ti/Ni/Au 金屬層有助于改善此問題。這是因為金屬是熱的良導(dǎo)體，能使激光在照射到樣品表面后迅速形成均勻二維分布。

圖2 碳納米管陣列 SEM 照片F(xiàn)ig. 2. SEM image of carbon nanotube array

圖3 碳納米管陣列轉(zhuǎn)移情況Fig. 3. Transfer of carbon nanotube array

3 結(jié)果與討論

3.1 碳納米管陣列生長與轉(zhuǎn)移研究

化學(xué)氣相沉積法可成功制備垂直排列碳納米管陣列，其厚度幾十微米到 1 毫米不等。圖 2 所示為碳納米管陣列在高倍率下的 SEM 照片。生長的碳納米管陣列密度為 1.343 g/cm3，比熱為0.67 J/(kg·K)。

本文主要研究厚度 100 μm 碳納米管陣列的導(dǎo)熱性能，因此，磁控濺射 Ti/Ni/Au 金屬層實驗和轉(zhuǎn)移實驗主要針對此類碳納米管陣列。

當(dāng)不濺射 Ti/Ni/Au 金屬層或濺射厚度過少時，將出現(xiàn)碳納米管陣列不能完全轉(zhuǎn)移的情況，

圖3(a)所示為由于金屬層厚度設(shè)置不準(zhǔn)確而造成的不完全轉(zhuǎn)移情形。這是因為 Ti 金屬粘結(jié)層潤濕碳納米管頂端，并與其形成牢固接觸，減少界面電阻，其相互間接觸力大于碳納米管和生長襯底間的范德瓦爾斯力，從而更容易進行碳納米管陣列剝離實驗；Ni 金屬浸潤層可潤濕 Ti 金屬層和導(dǎo)熱焊料，形成牢固粘結(jié)，避免出現(xiàn)分層現(xiàn)象；Au 金屬抗氧化層穩(wěn)定性高，能有效防止 Ti和 Ni 氧化。

實驗結(jié)果表明，當(dāng) Ti/Ni/Au 金屬層的厚度為50/100/100 nm 時，采用導(dǎo)熱焊料可基本實現(xiàn)碳納米管陣列的 100% 轉(zhuǎn)移，如圖 3(b)所示。

圖4(a)所示為采用熱釋放膠帶(Nitto Denko，Part Number∶ #3198MS)轉(zhuǎn)移的 1 mm×1 cm×1 cm懸浮碳納米管陣列。由于碳納米管陣列非常柔軟，難以固定，且陣列中碳納米管間距很小，彼此聯(lián)系，因此很難進一步操作懸浮碳納米管陣列。圖 4(b)所示為對大面積懸浮碳納米管陣列進行切割后的結(jié)果，預(yù)計切割尺寸為 1 cm×1 cm，但很難保證邊界完整性，邊界處豎直排列的緊密碳納米管被拉成傾斜的絲，致使切割界面不均勻。在實際生產(chǎn)中，若用此方法將碳納米管陣列從生長襯底上轉(zhuǎn)移至芯片和熱沉之間，需事先設(shè)計好碳納米管陣列的尺寸，盡可能避免切割懸浮碳納米管陣列的工藝，或者在切割大塊懸浮碳納米管陣列時保留足夠的邊界余量，從而保證芯片和熱沉之間碳納米管陣列的完整性。

圖4 懸浮碳納米管陣列Fig. 4. Suspended carbon nanotube array

3.2 碳納米管陣列導(dǎo)熱性能研究

本文主要利用 LFA 447 激光導(dǎo)熱儀研究了25℃、75℃ 和 125℃ 測試溫度下生長襯底上的碳納米管陣列、采用導(dǎo)熱焊料轉(zhuǎn)移后的碳納米管陣列的導(dǎo)熱性能和熱循環(huán)后的導(dǎo)熱穩(wěn)定性。由于懸浮碳納米管陣列過于柔軟，表面翹曲嚴(yán)重，致使碳納米管陣列放置在 LFA 447 激光導(dǎo)熱儀內(nèi)時，當(dāng)不平整的下表面接受激光聚焦照射時，實際激光聚焦焦點可能不在碳納米管陣列上表面上，而在表面翹曲后留下的空氣隙上。同理，當(dāng)不平整的上表面接受紅外檢測器檢測時，實際探測點可能不在碳納米管陣列上表面，而在表面翹曲后留下的空氣隙上。因此，通過測試生長襯底上的平整碳納米管陣列來研究初始碳納米管陣列的導(dǎo)熱性能。

本研究采用的樣品熱性能隨機性較大(性能略)，其應(yīng)用性能差別也較大。不同批次的樣品的致密度差別也較大。導(dǎo)熱性高的可以達到 80 W/(m·K)，而差的只有 0.5 W/(m·K)。在作為熱界面材料應(yīng)用時，通常較厚的樣品(＞300 μm)比較容易轉(zhuǎn)移，而較薄的樣品轉(zhuǎn)移的成功率往往不高。因此，若要將定向生長碳納米管陣列作為熱界面材料，材料的致密度以及生長缺陷的控制是亟待解決的問題。同時，雖然碳納米管陣列可實現(xiàn) 100% 的轉(zhuǎn)移，但轉(zhuǎn)移過程所施加的拔力和壓力不能保證每次既不損壞碳納米管陣列界面微細(xì)結(jié)構(gòu)，又能有效排盡界面空氣，得到低熱阻的接觸界面。因此，高質(zhì)量的轉(zhuǎn)移工藝和有效的轉(zhuǎn)移界面檢測方法至關(guān)重要。

本實驗導(dǎo)熱性能測試的已知參數(shù)如表 2 所示。其中，Ti/Ni/Au 金屬層和轉(zhuǎn)移用導(dǎo)熱焊料厚度及比重相對于測試樣品可忽略不計。

圖1(b)所示為采用導(dǎo)熱焊料轉(zhuǎn)移碳納米管陣列所制備的硅-碳納米管陣列-銅測試樣品在 25℃時的上表面溫升曲線。結(jié)果顯示，相同樣品測試結(jié)果的重復(fù)性很好，其他樣品溫升曲線具有相似的形狀。

表 3 顯示了本實驗部分較良好穩(wěn)定的測試結(jié)果，其中每組數(shù)據(jù)均為對樣品重復(fù)測試三次后求取的平均值。表中熱擴散系數(shù)和表觀熱導(dǎo)率關(guān)系并不完全滿足公式(2)，這是由于本實驗所用LFA 447 激光導(dǎo)熱儀最多只能測試三層結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能，而 Ti/Ni/Au 金屬層和 Sn64Bi35Ag1 厚度和比重很小，在測試和計算中忽略不計，雖不會對真實性造成很大影響，但仍存在小量誤差。

由表 3 可知，硅生長襯底上的碳納米管具有良好的導(dǎo)熱性能，其表觀熱導(dǎo)率高于 40 W/ (m·K)。轉(zhuǎn)移后的碳納米管陣列的表觀熱導(dǎo)率差異性較大，從 0.5～80 W/(m·K)不等。在較好的測試結(jié)果中，轉(zhuǎn)移碳納米管陣列的表觀熱導(dǎo)率高于 28 W/(m·K)，200 次熱循環(huán)后仍高于 24 W/ (m·K)，與前人較好的測試結(jié)果類似[15-17]。

采用導(dǎo)熱焊料轉(zhuǎn)移的碳納米管陣列導(dǎo)熱性能較好，但明顯不及硅生長襯底上的碳納米管陣列。這是因為在轉(zhuǎn)移實驗中，粘結(jié)碳納米管陣列與目標(biāo)基片時施加的壓力，以及將碳納米管陣列剝離生長基片時施加的拔力會對碳納米管陣列的結(jié)構(gòu)造成影響，因此，合適完美的轉(zhuǎn)移操作工藝至關(guān)重要；同時，在測試時忽略了薄層導(dǎo)熱焊料Sn64Bi35Ag1 的影響，但它又是真實存在于硅目標(biāo)基片和銅目標(biāo)基片之間的，該焊料較低的熱導(dǎo)率(37.4 W/(m·K))降低了測試所得的樣品熱導(dǎo)率數(shù)值，從而降低了碳納米管陣列表觀熱導(dǎo)率測試數(shù)值，因此，在實際工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)選擇熱導(dǎo)率較好的轉(zhuǎn)移材料來轉(zhuǎn)移碳納米管陣列，使芯片-碳納米管熱界面材料-熱沉的整體導(dǎo)熱性能優(yōu)越。

表 2 LFA 測試已知參數(shù)Table 2. Known parameters for LFA

表 3 碳納米管陣列的導(dǎo)熱性能Table 3. Thermal transfer properties of carbon nanotube array

操作工藝的重要性還體現(xiàn)在同一類型樣品的測試結(jié)果中，如對于硅-碳納米管陣列-銅結(jié)構(gòu)的樣品，雖然樣品制備方法相同，但制備工藝中存在隨機誤差，因此制備工序越多，不同樣品導(dǎo)熱性能越容易存在差異。

碳納米管的導(dǎo)熱性能在不同溫度下差異較大，溫度越高，熱擴散系數(shù)和表觀熱導(dǎo)率越小。

經(jīng)過 200 次熱循環(huán)后，碳納米管陣列的導(dǎo)熱性能有所下降，生長襯底上碳納米管的表觀熱導(dǎo)率無明顯下降，轉(zhuǎn)移后的碳納米管陣列的表觀熱導(dǎo)率平均降低 1.685 W/(m·K)。初步考慮為是由于導(dǎo)熱焊料的影響，后續(xù)研究將篩選更適合轉(zhuǎn)移的導(dǎo)熱焊料或?qū)崮z。

4 結(jié) 論

本文采用 Ti/Ni/Au 金屬層和 Sn64Bi35Ag1導(dǎo)熱焊料成功完成了定向生長碳納米管陣列轉(zhuǎn)移工藝，同時采用熱釋放膠帶(Nitto Denko，Part Number∶ #3198MS)獲得了懸浮碳納米管陣列。結(jié)果表明，Ti/Ni/Au 金屬層至關(guān)重要，它可保證碳納米管陣列 100% 的轉(zhuǎn)移。

本文采用 LFA 447 激光導(dǎo)熱儀測試了VACNT 的導(dǎo)熱性能，并進行了熱循環(huán)可靠性測試。由于VACNT 密度、比熱等參數(shù)難以精確獲得，因此這種測量方法獲得的熱導(dǎo)率有一定誤差，結(jié)果可能總體偏大一些。采用紅外線方法測量溫度場分布可望獲得更精確的結(jié)果，但有待進一步研究。采用 LFA 447 測量得到的 VACNT 樣品導(dǎo)熱性能離散性很大。這是因為，碳納米管陣列較低的致密度以及生長缺陷會大幅度降低其導(dǎo)熱性能，因而影響其可靠性和應(yīng)用。因此，垂直生長碳納米管陣列可控性制備、高效轉(zhuǎn)移工藝和轉(zhuǎn)移界面有效監(jiān)測方法是亟待解決的關(guān)鍵問題。

基于上述結(jié)果，將來有必要進一步對熱界面材料的熱阻特性進行深入研究。

致 謝

感謝與美國佐治亞理工學(xué)院的汪正平教授、林瑋博士的有益討論。

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Study on Thermal Interface Material Using Vertically Aligned Carbon Nanotube

MA Mengying1LUO Bin1WANG Tingting2SHANG Jintang11

( Key Lab of MEMS of Ministry of Education, School of Electronic Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China )2( HiSilicon Technologies Co., Ltd., Shanghai 200040, China )

Thermal interface material (TIM) technology is of great importance in the 3D system packaging. In this paper, the preparation of thermal interface materials using vertically aligned carbon nanotube (VACNT) array and its characterization were investigated. The transfer process of VACNT was successfully performed by a Ti/Ni/Au metal layer with a thickness of 50/100/100 nm and Sn64Bi35Ag1 solder. A thermal release adhesive tape (Nitto Denko, Part Number∶#3198MS) was used to obtain suspended VACNT array. The LFA 447 was used to characterize the thermal diffusivity α(T) and apparent thermal conductivity λ(T) of VACNT array at 25℃, 75℃ and 125℃, respectively. Thermal cycle reliability test was also carried out. Results show that the apparent λ(T) is over 42 W/(m·K) for VACNT array on the Si growth substrate and over 41 W/(m·K) for transferred CNT array. After 200 thermal cycles, the λ(T) is over 28 W/(m·K) for CNT array on its Si growth substrate and over 24 W/(m·K) for transferred CNT array.

carbon nanotube array; thermal interface material; 3D packaging

TN 04

A

2014-09-03

馬夢穎，碩士研究生，研究方向為微電子機械系統(tǒng)封裝；羅斌，碩士研究生，研究方向為微電子機械系統(tǒng)封裝；王亭亭，碩士，研究方向為微電子機械系統(tǒng)封裝；尚金堂(通訊作者)，博士，教授，研究方向為微電子機械系統(tǒng)制造和封裝，生物、納米制造和封裝，集成電路(IC)系統(tǒng)集成封裝技術(shù)，微電子系統(tǒng)先進封裝材料，E-mail：jshang@seu.edu.cn。