具有各向异性热传导特征的浆状组合物及其形成方法技术

技术编号:1813607 阅读:205 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
本发明专利技术总体涉及用于集成电路的导热浆状组合物,尤其涉及但不限于石墨的自取向微片。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体涉及用于集成电路的导热浆状组合物,尤其涉及但不限于石墨的自取向微片。
技术介绍
下面描述关于本专利技术的现有技术,其只用于辅助读者的理解。随着电路被越来越紧密地封装在一起,计算机芯片以越来越大的功率密度工作。从而传统冷却方法不能有效适应所述更高的功率密度。更大的功率消耗在没有伴随的散热的情况下将产生更高的芯片工作温度,这将导致可靠性、使用性能、以及寿命的严重问题。图1示出了常规冷却方法的示意图,包括安装在陶瓷模块上的芯片、以及施加在芯片上表面上并压在热沉上的散热浆状组合物。这形成了在芯片和热沉之间的散热浆状组合物中间层。热沉通常具有翼片结构,其将通常由芯片产生的热量传导给空气,并通过风扇将所述空气吹动通过翼片。这种冷却设计的散热速率受到间隙填充材料的热导率的限制。从而需要提供具有改善导热性的散热浆状组合物。
技术实现思路
本专利技术提供了导热材料的片晶和/或片形颗粒作为散热浆状组合物的组分,以最大化从一个颗粒到另一个的热传导。本专利技术的一方面提供了具有各向异性导热性的导热材料。本专利技术的一方面提供了基本平面的热源和基本平面的热沉。本专利技术的一方面提供了位于热源和热沉之间的散热浆状组合物,其中使片晶取向为其主表面平面基本平行于热源和热沉的表面。本专利技术的另一方面提供了,当片晶这样取向时,最大导热速率的方向垂直于热源的平面并垂直于热沉的平面。本专利技术的一方面提供了由取向的石墨构成的片晶。本专利技术的另一方面提供了这样的石墨片晶,其中石墨基面(即最大导热方向)垂直于片晶平面。本专利技术的一方面提供了一种包括悬浮在液体中的热各向异性片晶的浆状组合物。本专利技术的另一方面提供了液体组分,其可以是油或液体金属。一方面,所述油包括聚α-烯烃(PAO)油。另一方面,所述液体金属可以是锗/铟共晶体或锗/铟/锡共晶体。在另一方面,液体金属可以是焊料。本专利技术的另一方面提供了,用薄层金属或其它导热材料涂覆导热片晶。一方面,所述涂层用于强化片晶防止破裂。一方面,所述涂层用于使片晶对于液体填料更具有可湿性。一方面,所述涂层用作使片晶表面与在湿的和熔融两种情况下的焊料填料都可以更相容。根据本专利技术的一方面,所述涂层可以是薄层金属,根据优选但不限制的方面,金属可以是铜、金、或镍。根据另一方面,可以对片晶表面提供多个通常使用的表面处理的任意一种,所述表面处理例如但不限于等离子体氧化、等离子体磺化、在具有或没有紫外光的情况下的臭氧处理、碱性表面水解、硅烷化(利用任何数目的包含例如六甲基甲硅烷基二硅烷基胺(hexamethyl silyl disilizane)或三甲氧基甲硅烷基丙胺的物质的硅烷的处理)、以及等离子体氨处理。根据本专利技术的另一方面,可以通过常规方法沉积所述涂层。适用的方法包括但不限于对悬浮在流化床反应器中的粉末的CVD、无电镀或电镀、浸入并干燥、等离子体处理、以及喷涂。根据本专利技术的一方面,提供了具有各向异性导热特征的浆状组合物,其包括一种材料片晶,所述材料包括在z方向的具有第一长度的基面、和在x和y方向的分别具有第二和第三长度的片晶面,所述第二和第三长度大于所述第一长度;以及液体。根据一方面,所述基面限定了最大导热性方向。根据一方面,本专利技术提供了一种浆状组合物,其中所述片晶包括选自于如下的石墨单晶石墨、多壁碳纳米管、取向的热解石墨纤维、以及卷起的石墨烯薄膜(graphene film)。根据本专利技术的另一方面,所述石墨富含同位素且具有高于自然含量的12C。根据另一方面,所述石墨主要由同位素纯的12C构成。根据另一方面,所述石墨富含同位素且具有高于自然含量的13C。根据另一方面,所述石墨主要由同位素纯的13C构成。通过下面的详细描述,本专利技术的其它方面和优点对于本领域的技术人员将变得显而易见,其中只通过说明为实施本专利技术而考虑到的最佳方式示出和描述了本专利技术的优选实施例。可以理解,本专利技术可以具有其它和不同的实施例,并且在不偏离本专利技术的情况下,可以在多个显而易见的方面修改其多个细节。因此,认为本说明书实质上是说明性的而不是限制性的。附图说明通过结合附图阅读下面的详细描述将更好地理解本专利技术。注意,根据一般的作法,图中各个特征都不是按比例的。相反,为了清楚,任意扩大或缩小各个特征的尺寸。其中图1是安装在陶瓷模块上的芯片的示意图,其中散热浆状组合物施加在芯片的上表面并压在热沉上;图2示出了石墨的晶体结构;图3A示出了单晶石墨坯(boule),其基面位于图中的x-y方向;图3B示出了从坯切下的片晶切片;所述石墨基面被取向为垂直于所述切片的面;图4示出了坯的片晶切片和从其获得的更小的片;图5示出了圆柱形、取向的石墨、石墨纤维或多壁碳纳米管(MWNT)、以及从其端部切下的片晶切片;图6示出了用于便于操作的成束的多个MWNT、以及从束的一端切下的相应多个切片;图7示出了任意取向的MWNT片,其被形成入浆状组合物、并以取向的方式被施加到芯片热源和热沉之间的间隙中; 图8示出了包括多个石墨片晶的叠层,每个相对于相邻片晶旋转90°;图9示出了在涂覆材料之前和之后的裸石墨片晶、纤维或MWNT片;以及图10是与环氧树脂混合的石墨片的光学显微图。注意,然而,附图只示出了本专利技术的典型实施例,而不能认为是限制本专利技术的范围,因为本专利技术可以允许其它同样有效的实施例。具体实施例方式术语“石墨”表示纯石墨、以及“基本石墨”的材料,以及具有石墨特征的材料。现在参考附图描述选定的实施例和用于实施本专利技术的优选实施方式。可以理解,这里不是要将本专利技术限于附图所示的具体方面。石墨的导热性是各向异性的。在石墨基面(称为石墨平面)中的导热性尤其高。通常,平行于基面的热导率为约2000W/m-K。这些值与众所周知的导热体金刚石的所述值相当。然而,垂直于石墨平面的热导率的值通常减小了约两个数量级,即约10W/m-K。图2示出了石墨的基面。所述基面由C-C共价键的平面限定。具有约100W/m-K的平均热导率的、包括随机取向的研磨热解石墨粉末的散热浆状组合物在本领域中是常见的。100W/m-K的热导率高于大部分材料的热导率。然而,本专利技术提出了对现有技术的改进,其中通过提供这样取向的颗粒,使得颗粒的基面对准希望的热流方向(垂直于芯片表面)。从而大大改善了浆膏的导热性。本专利技术并不限于石墨,而是适用于任何热各向异性材料。任何晶体物质都具有一些各向异性。本专利技术有利地利用例如石墨的晶体实施,所述晶体具有约束在单个平面上的共价键。本专利技术通过提供具有片晶形或片状、并且石墨平面取向为垂直于片晶平面的石墨颗粒,在保持适用于浆状组合物的颗粒尺寸的同时,优化了石墨的导热性。如果所述片晶的纵横比是最优的,则由该材料制成的复合材料将在该优选取向上具有层叠片晶、或自取向的优势。这些颗粒的绝对尺寸可以相对于不同目的而变化。然而,为了处理通常优选片晶形,并且所述片晶形由最优纵横比(片晶的平面度)限定,所述比值为片晶的厚度与两个长度维度的比值。对于保持颗粒在绝对尺寸上的大或小存在相互对抗的因素。所述颗粒越大,则必须穿过给定热路径的界面数越少。这改善了导热性,因为界面几乎总是阻碍热传导。其越小,所述片晶变得越具有颗粒状。由更小颗粒制成的浆状组合物更容易贴合在热源和热沉之间的间隙中的不均匀性。浆状组合物越贴合热源和热沉之间的间隙,则导热性越本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有各向异性热传导特征的浆状组合物,包括:石墨片晶,其包括在z方向上的具有第一长度的基面、和在x和y方向上的分别具有第二和第三长度的片晶面,所述第二和第三长度大于所述第一长度;以及液体。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员:G哈法姆PA劳罗BR松德勒夫JD杰洛梅
申请(专利权)人:国际商业机器公司
类型:发明
国别省市:US[美国]

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