專利名稱：碳毫微管熱界面結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及向電子電路提供冷卻的技術(shù)方案，尤其涉及使用碳毫微管的熱界面結(jié)構(gòu)的制造，以便改進(jìn)包含電子電路的電路小片的熱性能。


按照獲得本發(fā)明的實(shí)施例的順序來詳細(xì)描述本發(fā)明的結(jié)合附圖示出的實(shí)施例。本發(fā)明的附圖沒有按比例繪制并且不能認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制，在附圖中圖1是使用依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的熱界面將倒裝晶片聯(lián)接道冷卻板上的側(cè)視圖；圖2是圖1所示的熱界面的一部分的立體圖，其中具有聚合物加成劑并且示出了碳毫微管束陣列；圖3是熱界面的立體示意圖，其中以夸大的比例示出了分布在熱界面的表面上的碳毫微管束；圖4是圖3所示的熱界面結(jié)構(gòu)的側(cè)視截面圖；圖5是制造依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的熱界面結(jié)構(gòu)的過程的流程圖；和圖6是制造依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的在兩個(gè)器件之間提供熱通路的過程的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及熱界面結(jié)構(gòu)和由從襯底突伸的定向的毫微管的矩陣形成熱界面的方法。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離由權(quán)利要求限定的本發(fā)明的原理和范圍的情況下，可描述和示出在部件和方法階段的細(xì)節(jié)、材料、結(jié)構(gòu)方面中的各種其它的改變，以便更好地理解本發(fā)明。
在圖1中，例如計(jì)算機(jī)10的電子裝置的一部分在側(cè)視圖中示出。在裝置10中，在該實(shí)施例中所示的硅電路小片12以倒裝晶片格柵陣列的形式安裝在有機(jī)襯底14上，該襯底又安裝在另一襯底15上并由焊料球18固定。例如散熱板20的冷卻裝置(cooling solution)由在該實(shí)施例中所示的熱界面結(jié)構(gòu)22聯(lián)接到電路小片12的表面上。
過去已經(jīng)使用了各種熱界面材料，以便降低電路小片和冷卻裝置之間的熱阻。在一些應(yīng)用場合中，熱油脂用做熱界面材料，這是因?yàn)檫@種材料具有高度的導(dǎo)熱性，并且便于符合在散熱裝置和該裝置中的不規(guī)則形狀。然而，使用熱油脂具有以下缺點(diǎn)，即，當(dāng)電路小片被熱加熱并由于電路小片12和有機(jī)襯底14之間的熱膨脹系數(shù)不同而引起熱翹曲時(shí)，熱油脂可能出現(xiàn)汲出和相分離。在其它的應(yīng)用場合中，例如環(huán)氧樹脂的粘接劑用做熱界面材料，但該粘接劑在其施加之后具有需要固化過程的缺點(diǎn)。例如硅酮和某些烯烴的熱凝膠也可用做熱界面材料，但是它們?cè)谑┘又笠残枰袒⑶揖哂斜葻嵊椭偷膶?dǎo)熱性。例如聚氨酯橡膠的某些彈性體具有高度的導(dǎo)熱性，但是其不利之處在于其接觸熱阻較高并且需要至少100psi的高壓力施加在熱接點(diǎn)處以提供足夠的熱耦合。最后，例如低分子量的聚酯的某些相變材料已經(jīng)被使用了，但是其不利之處在于它們的導(dǎo)熱性低于熱油脂。通常使用的熱界面材料的導(dǎo)熱性的導(dǎo)熱率數(shù)值是大約10W/m-°K。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，熱界面結(jié)構(gòu)由在聚合物填隙材料中的對(duì)準(zhǔn)的碳毫微管陣列形成。因?yàn)樘己廖⒐艿膶?dǎo)熱率為3000W/m-°K的數(shù)量級(jí)，因此在熱界面結(jié)構(gòu)中使用這種碳毫微管將明顯地增加其導(dǎo)熱性。
在圖2中，在聚合物加成劑注入之前的襯底28的具有從其表面突伸的碳毫微管26的間隔管束24的陣列的部分以高倍放大形式示出。這種陣列可從Nano-Lab，Inc.公司獲得，該公司在化學(xué)氣相淀積過程中按Dr.Z.F.Ren在Science，282，1105(1998年)的文章制造該陣列。碳毫微管26的間隔管束24的陣列依據(jù)該過程來制造，該陣列在包括玻璃和硅的各種襯底28上生長。在襯底28上生長的毫微管26對(duì)準(zhǔn)，以便絕大多數(shù)的毫微管彼此大致平行地定向并且垂直于它們從其上突伸的襯底28。毫微管的高度通常是基本上相同的。
本發(fā)明的熱界面結(jié)構(gòu)22由襯底28形成，毫微管束26支承在該襯底上。聚合物填隙材料30圍繞毫微管束26注入，以便支承該毫微管。適當(dāng)?shù)木酆衔锊牧习ň厶妓狨?、聚丙烯、乙縮醛。在聚合物材料30加成之后，除去了毫微管起初形成在其上的襯底28。用于除去襯底28的適當(dāng)過程是機(jī)械磨削或化學(xué)蝕刻。
如圖2所示，熱界面結(jié)構(gòu)22的長度L和寬度W如此選擇，以便提供足夠的熱交換表面，同時(shí)使其落在電路小片12的暴露表面的輪廓之內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，長度和寬度是2厘米和1厘米。
熱界面結(jié)構(gòu)的最大厚度由碳毫微管的長度來限制，而且落在大約5-20微米的范圍內(nèi)。當(dāng)然，增加熱界面結(jié)構(gòu)22的厚度將增加電路小片與散熱裝置之間的熱阻。如圖4所示，碳毫微管定向成彼此大致平行和垂直該結(jié)構(gòu)22的頂表面和底表面，這是因?yàn)樗鼈冄仄淇v向軸線提供了其最大的導(dǎo)熱性，并且所希望的是使得傳導(dǎo)的熱量在電路小片12與散熱裝置20之間沿最短的路徑傳遞。
圖5是示出了形成熱界面結(jié)構(gòu)的方法的實(shí)施例的流程圖。在操作52中，碳毫微管26的陣列24包括其上有毫微管26突伸的襯底28。該陣列使用填隙材料30嵌入，該填隙材料是從一組包括聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙縮醛、聚氧甲烯、聚甲醛中選擇的聚合物材料。填隙材料30是熱塑性的并且以熔融形式注入以便使其嵌入到陣列中以形成半成品結(jié)構(gòu)。
在操作54中，任何多余的填隙材料30從半成品和襯底28上除去，該襯底是毫微管束起初在其上生長的襯底。該除去可通過化學(xué)機(jī)械拋光過程或機(jī)械磨削過程來實(shí)施。在操作54結(jié)束時(shí)，制成了半成品的熱界面結(jié)構(gòu)。碳毫微管在該結(jié)構(gòu)的形成過程中保持彼此對(duì)準(zhǔn)，并且在多余的填隙材料和初始的襯底被除去之后，碳毫微管的端部在半成品的熱界面結(jié)構(gòu)的表面上以及冷卻裝置的表面上，該熱界面結(jié)構(gòu)的表面與被冷卻的器件接合，并且熱界面結(jié)構(gòu)聯(lián)接到該表面上。
如果半成品的熱界面結(jié)構(gòu)在兩個(gè)器件的表面之間提供了熱耦合并且半成品的熱界面結(jié)構(gòu)處于壓力下，則填隙材料的屈服確保了碳毫微管與將其夾在其中的器件表面形成穩(wěn)固的熱接觸，盡管該本發(fā)明的平面度中存在不規(guī)則的形狀。
圖6示出了在兩個(gè)器件之間提供熱耦合的過程。在操作62中，毫微管陣列聯(lián)接到其中的一個(gè)器件上。在一個(gè)實(shí)施例中，毫微管陣列實(shí)際上在器件的表面上生長，而不是在獨(dú)立的襯底上生長。在該實(shí)施例中，毫微管形成時(shí)的溫度和其它條件必需處于其上生長碳毫微管陣列的器件所允許的溫度范圍和暴露次數(shù)的范圍內(nèi)。在該實(shí)施例中，在操作64中使用填隙材料的注入和多余材料的除去以與圖5所示的操作大致相似的方式來實(shí)施。
在另一實(shí)施例中，在毫微管形成在獨(dú)立的襯底上之后并且在操作64中施加填隙材料和在操作66中去除多余材料之后，實(shí)施操作62。
在以上所述的圖6所示的過程的實(shí)施例中，操作68涉及將陣列的另一表面聯(lián)接到兩個(gè)器件的另一器件上。在一個(gè)實(shí)施例中，其中的一個(gè)器件可以是冷卻裝置，例如散熱裝置，另一器件可以是半導(dǎo)體電路小片。在一個(gè)實(shí)施例中，任一器件可接收在操作62中生長的碳毫微管。使用該過程，可獲得與所述器件的特別強(qiáng)的熱粘結(jié)的優(yōu)點(diǎn)。
不脫離權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍和構(gòu)思，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以對(duì)上述的技術(shù)方案作出各種改變和改型。因此，所述的各種特征和配置以及等效物可用于各種組合和變更中。因而，本發(fā)明不由上述的說明限定，而是由下面的權(quán)利要求限定。
應(yīng)當(dāng)理解，本文所使用的措辭和術(shù)語僅僅是示意性的而不是限定性的。因此，本發(fā)明旨在包括落在后附權(quán)利要求限定的精神和范圍內(nèi)的所有替換、變型、等同形式和改變。
部件表10 裝置12 硅電路小片14 有機(jī)襯底16 另一襯底18 焊料球20 散熱板22 熱界面結(jié)構(gòu)24 陣列26 毫微管束28 (用于毫微管束)的襯底30 聚合物填隙材料
權(quán)利要求
1.一種熱界面結(jié)構(gòu)，其包括至少一個(gè)碳毫微管，其定向成大致平行于該熱界面的所需傳熱軸線；和該毫微管嵌入其中的填隙材料。
2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于該結(jié)構(gòu)具有第一表面，以便與電路小片的表面接觸，和第二表面，以便與冷卻裝置的表面接觸，該第一和第二表面彼此大致平行。
3.如權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于該結(jié)構(gòu)從第一表面到第二表面的厚度大約是5-20微米。
4.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于該填隙材料是聚合物材料。
5.如權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于該聚合物材料是從一組包括聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙縮醛、聚氧甲烯、和聚甲醛中選擇的。
6.一種熱界面，其包括至少一個(gè)毫微管束，該管束定向成大致彼此平行并且大致平行于該熱界面的傳熱路徑；和在該毫微管束之間的填隙材料。
7.如權(quán)利要求6所述的熱界面，其特征在于該填隙材料是聚合物材料。
8.如權(quán)利要求6所述的熱界面，其特征在于該熱界面具有第一和第二大致為平面的表面，所述表面均大致垂直于該傳熱路徑。
9.一種與半導(dǎo)體電路小片一起使用的傳熱結(jié)構(gòu)，其包括具有聯(lián)接到該電路小片上的表面的散熱裝置；和導(dǎo)熱元件，其包括聯(lián)接到該散熱裝置上的第一表面和聯(lián)接到該電路小片上的第二表面，該導(dǎo)熱元件包括多個(gè)碳毫微管，所述碳毫微管定向成其軸線大致垂直于該第一和第二表面。
10.如權(quán)利要求9所述的傳熱結(jié)構(gòu)，其特征在于該導(dǎo)熱元件還包括在碳毫微管之間加入的填隙粘結(jié)材料。
11.如權(quán)利要求10所述的散熱結(jié)構(gòu)，其特征在于該填隙粘結(jié)材料是從一組包括聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙縮醛、聚氧甲烯、和聚甲醛中選擇的聚合物材料。
12.如權(quán)利要求9所述的散熱結(jié)構(gòu)，其特征在于該導(dǎo)熱元件的表面面積與該電路小片的表面面積大致相同。
13.如權(quán)利要求9所述的散熱結(jié)構(gòu)，其特征在于該導(dǎo)熱元件的厚度是10-50微米。
14.一種包括至少一個(gè)集成的電路插件的電子組件，其包括至少一個(gè)集成的電路小片；具有聯(lián)接到該電路小片上的表面的散熱裝置；和導(dǎo)熱元件，其包括聯(lián)接到該散熱裝置上的第一表面和聯(lián)接到該電路小片上的第二表面，該導(dǎo)熱元件包括多個(gè)碳毫微管，所述碳毫微管定向成其軸線大致垂直于該第一和第二表面。
15.如權(quán)利要求14所述的電子組件，其特征在于該導(dǎo)熱元件還包括在碳毫微管之間嵌入的填隙材料。
16.如權(quán)利要求15所述的電子組件，其特征在于該填隙材料是從一組包括聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙縮醛、聚氧甲烯、和聚甲醛中選擇的聚合物材料。
17.一種數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其包括將部件聯(lián)接到該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)上的總線；與該總線聯(lián)接的顯示裝置；與該總線聯(lián)接的外部存儲(chǔ)器；和與該總線聯(lián)接的處理器，該處理器包括電子組件，該電子組件包括至少一個(gè)電路插件，其包括至少一個(gè)集成的電路小片；具有聯(lián)接到該電路小片上的表面的散熱裝置；和導(dǎo)熱元件，其包括聯(lián)接到該散熱裝置上的第一表面和聯(lián)接到該電路小片上的第二表面，該導(dǎo)熱元件包括多個(gè)碳毫微管，所述碳毫微管定向成其軸線大致垂直于該第一和第二表面。
18.如權(quán)利要求17所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征在于該導(dǎo)熱元件還包括在碳毫微管之間嵌入的填隙材料。
19.如權(quán)利要求18所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征在于該填隙材料是從一組包括聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙縮醛、聚氧甲烯、和聚甲醛中選擇的聚合物材料。
20.一種制造熱界面結(jié)構(gòu)的方法，其包括將大致對(duì)準(zhǔn)的碳毫微管的陣列嵌入到填隙材料中，以便形成一層嵌入其中的大致對(duì)準(zhǔn)的碳毫微管的半成品；和從該半成品上除去多余的材料，以便提供熱界面結(jié)構(gòu)，該熱界面結(jié)構(gòu)具有用于與一個(gè)器件的表面接合的第一大致為平面的表面以及用于與另一器件的表面接合的第二大致為平面的表面，該第一和第二表面定向成大致垂直于所述大致對(duì)準(zhǔn)的碳毫微管。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于所述大致對(duì)準(zhǔn)的碳毫微管的陣列還包括該碳毫微管從其上突伸的襯底，并且除去多余材料還包括除去該襯底的至少一部分。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于除去多余材料還包括半成品的化學(xué)機(jī)械拋光。
23.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于除去多余材料還包括對(duì)半成品蝕刻。
24.一種在兩個(gè)器件之間提供熱半成品的方法，其包括提供聯(lián)接到所述器件中的一個(gè)器件上的大致對(duì)準(zhǔn)的碳毫微管的陣列；將大致對(duì)準(zhǔn)的碳毫微管的陣列嵌入到填隙材料中，以便形成一層嵌入其中的大致對(duì)準(zhǔn)的碳毫微管；和將該陣列聯(lián)接到另一器件上。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于提供聯(lián)接到所述器件上的陣列包括在該器件的表面上形成碳毫微管。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于提供聯(lián)接到所述器件上的陣列包括在襯底上形成該陣列；將該陣列嵌入到填隙材料中；除去該襯底；和將該陣列聯(lián)接到另一器件上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種形成熱界面的方法，該熱界面采用碳毫微管以降低電子裝置與冷卻裝置之間的熱阻。對(duì)準(zhǔn)的毫微管束接收注入的聚合物材料，以便形成聚合物/碳復(fù)合物，其隨后設(shè)置在電子裝置與散熱裝置或其它冷卻裝置之間。
文檔編號(hào)F28F13/00GK1623230SQ02828255
公開日2005年6月1日 申請(qǐng)日期2002年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月20日
發(fā)明者S·蒙特戈梅里, V·霍拉克雷 申請(qǐng)人:英特爾公司