專利名稱：基于碳納米管的三維網(wǎng)格式芯片熱量傳導(dǎo)模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于碳納米管的三維網(wǎng)格式芯片熱量傳導(dǎo)模型。碳納米管因其超高的熱傳導(dǎo)率，可作為一種有前途的熱界面材料，因此本文提出基于碳納米管的芯片散熱的新型結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)中，通過基于碳納米管的熱通孔改善芯片層和熱傳導(dǎo)器之間的熱量擴散，同時通過水平橫向和縱向的碳納米管網(wǎng)格層來平衡整塊芯片上的熱量，降低芯片的峰值溫度。此結(jié)構(gòu)不僅可以提高芯片的可靠性，而且還可以延長芯片的壽命。
背景技術(shù)：
隨著器件特征尺寸進入納米級，器件的集成度不斷的增加，從而導(dǎo)致芯片的高功耗和高溫度問題。高功耗和高溫度嚴重影響著電路性能、可靠性和芯片封裝。因此散熱成為芯片的性能能否優(yōu)良的最大絆腳石。而在整個散熱問題中，從芯片層到熱分散器及散熱器層之間的熱接觸電阻依舊是個很難克服的問題。為克服上述問題，已有學(xué)者提出新型的芯片模型，即在芯片層與熱傳導(dǎo)器層之間添加一層熱界面材料層。新型熱界面材料和芯片結(jié)構(gòu)可以填補熱量傳輸面之間的空白，不僅改善了熱量性能，而且還增強了電路可靠性，因此還需要繼續(xù)探索良好的熱界面材料和芯片熱量傳導(dǎo)模型。傳統(tǒng)的熱界面材料主要是由銅構(gòu)成，相比于空氣具有很高的熱傳導(dǎo)率，因此相對而言其熱接觸電阻小，這樣才可以將熱量交匯處的溫度降低。由于碳納米管具有特殊結(jié)構(gòu)，電學(xué)和熱學(xué)等性質(zhì)相比于銅，具有更高的熱傳導(dǎo)率和較小的熱接觸電阻，因此碳納米管更適合作熱界面材料的組成材料而加在芯片和熱傳導(dǎo)器之間。即我們提出的基于碳納米管模型的熱界面材料和熱通孔將更有效的解決芯片溫度過高的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種基于碳納米管的三維網(wǎng)格式芯片熱量傳導(dǎo)模型，作為芯片內(nèi)部熱界面材料層來加強芯片的散熱性能，從而提高芯片的可靠性。本發(fā)明的構(gòu)思如下
本發(fā)明通過基于碳納米管的熱通孔改善芯片層和熱傳導(dǎo)器層之間的熱量擴散，同時通過水平橫向和縱向的碳納米管網(wǎng)格層來平衡整塊芯片上的熱量，減小峰值溫度。從而有效的提高了芯片的散熱性能。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種基于碳納米管的三維網(wǎng)格式芯片熱量傳導(dǎo)模型，構(gòu)成芯片層與熱傳導(dǎo)器層之間的熱界面材料層，其特征在于所述熱界面材料層是基于碳納米管的熱界面材料層，由基于碳納米管的熱通孔和基于碳納米管的 網(wǎng)格層組成，基于碳納米管的熱通孔構(gòu)成芯片層至基于碳納米管的網(wǎng)格層的快速傳熱通道，從而，基于碳納米管的熱通孔將芯片層上的熱量快速轉(zhuǎn)移到基于碳納米管的網(wǎng)格層上，接著，熱量經(jīng)過基于碳納米管的網(wǎng)格層中的水平橫向和縱向的碳納米管傳輸?shù)秸麄€芯片層以實現(xiàn)熱量的均勻分布。所述碳納米管的熱通孔是由5*5陣列碳納米管組成的碳納米管束。所述基于碳納米管網(wǎng)格層由水平橫向碳納米管疊層和水平縱向碳納米管疊層組成；水平橫向的碳納米管疊層由兩層碳納米管疊加組成，每一層碳納米管層由若干根均勻分布的碳納米管組成，貼置在與芯片層相連的絕緣層之上；水平縱向碳納米管疊層由兩層碳納米管疊加組成，每一層碳納米管層由若干根均勻分布的碳納米管組成，位于水平橫向碳納米管疊層上，在芯片層上面形成基于碳納米管的網(wǎng)格層，在該基于碳納米管的網(wǎng)格層中豎直方向插入基于碳納米管的熱通孔。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特征和顯著進步
I.基于碳納米管束填充熱通孔
通過碳納米管束通孔將硅襯底上的熱量傳輸?shù)交谔技{米管網(wǎng)格層上，從而實現(xiàn)更好的熱傳導(dǎo)。 2.基于碳納米管網(wǎng)格層實現(xiàn)芯片均勻散熱
通過水平和垂直方向上的碳納米管束將熱源區(qū)的熱量轉(zhuǎn)移到冷卻區(qū)域，從而平衡整個芯片的熱量，提高了芯片散熱效率。3.設(shè)計和制造簡便
本發(fā)明由生成水平的碳納米管孔，垂直的碳納米管孔及水平橫向和縱向的碳納米管束節(jié)點等重要部分來實現(xiàn)，由此可知，本發(fā)明設(shè)計容易，制造工藝簡單。
圖I是基于碳納米管的三維網(wǎng)格式芯片熱量傳導(dǎo)模型圖。圖2是在襯底上生長碳納米管束。圖3是在底下的孔上生長碳納米管。圖4是碳納米管節(jié)點的不同形式。圖5是基于碳納米管熱量管理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的Alpha 21364處理器芯片的熱量分布。圖6是是基于碳納米管熱量管理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的OpenSparc Tl處理器芯片的熱量分布。
具體實施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實施例結(jié)合附圖詳述如下
實施例一
參見圖1，本基于碳納米管的三維網(wǎng)格式芯片熱量傳導(dǎo)模型，構(gòu)成芯片層(3)與熱傳導(dǎo)器層(I)之間的熱界面材料層(2)，其特征在于所述熱界面材料層(2)是基于碳納米管的熱界面材料層，由基于碳納米管的熱通孔(5)和基于碳納米管的網(wǎng)格層(4)組成，基于碳納米管的熱通孔(5)構(gòu)成芯片層(3)至基于碳納米管的網(wǎng)格層(4)的快速傳熱通道，從而，基于碳納米管的熱通孔(5)將芯片層(3)上的熱量快速轉(zhuǎn)移到基于碳納米管的網(wǎng)格層(4)上，接著，熱量經(jīng)過基于碳納米管的網(wǎng)格層(4)中的水平橫向和縱向的碳納米管(6、7)傳輸?shù)秸麄€芯片層(I)以實現(xiàn)熱量的均勻分布。實施例二
本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下
所述碳納米管的熱通孔(5)是由5*5陣列碳納米管組成的碳納米管束。所述基于碳納米管網(wǎng)格層(4)由水平橫向碳納米管(6)疊層和水平縱向碳納米管(7)疊層組成；水平橫向的碳納米管(6)疊層由兩層碳納米管疊加組成，每一層碳納米管層由若干根均勻分布的碳納米管組成，貼置在與芯片層相連的絕緣層之上；水平縱向碳納米管(7)疊層由兩層碳納米管疊加組成，每一層碳納米管層由若干根均勻分布的碳納米管組成，位于水平橫向碳納米管(6)疊層上。在芯片層(3)上面形成基于碳納米管的網(wǎng)格層(4)，在該基于碳納米管的網(wǎng)格層中豎直方向插入基于碳納米管的熱通孔(5)。實施例三
參見圖1，本基于碳納米管的三維網(wǎng)格式芯片熱量傳導(dǎo)模型的結(jié)構(gòu)如下
I.用碳納米管束填充熱通孔基于碳納米管的熱通孔(5)是由5*5陣列碳納米管組成的碳納米管束，將基于碳納米管的熱通孔(5)插入在器件層(5)和散熱片(I)之間是用來將硅襯底上的熱量傳輸?shù)交谔技{米管的網(wǎng)格層(4)。同時熱通孔(5)需均勻分布在硅襯底上，如果分布不均勻的話，將會影響其散熱效率。 2.碳納米管網(wǎng)格層?；谔技{米管的網(wǎng)格層(4)包括網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的碳納米管束(水平橫向和縱向排放)?；谔技{米管的網(wǎng)格層(4)主要由水平橫向碳納米管(6)疊層和水平縱向碳納米管(7)疊層組成。水平橫向的碳納米管(6)疊層構(gòu)由兩層碳納米管疊加組成，單層碳納米管由若干根均勻分布的碳納米管組成，放置在與芯片層(3)相連的絕緣層之上。水平縱向的碳納米管(7)疊層由兩層碳納米管疊加組成，單層碳納米管由若干根均勻分布的碳納米管組成，放置在水平橫向碳納米管(6)疊層上，從而構(gòu)成整個碳納米管的網(wǎng)格層(4)。圖I詳細說明碳納米管網(wǎng)格層。此碳納米管網(wǎng)格層結(jié)構(gòu)能將熱量通過垂直方向的碳納米管束轉(zhuǎn)移到熱傳導(dǎo)器(I)，同時通過水平的碳納米管束將熱源區(qū)的熱流轉(zhuǎn)移到冷卻區(qū)域，這樣溫度就可以傳送到整塊芯片，從而降低芯片的峰值溫度。由于熱量在傳輸?shù)綗醾鲗?dǎo)器(I)上之前已經(jīng)將溫度擴散到整塊芯片(3)上，這樣就可以提高熱量擴散面積，從而提聞擴散效率。3.生成基于碳納米管的網(wǎng)格層(4)之后，再插入豎直方向的熱通孔(5)，從而形成基于碳納米管三維的網(wǎng)格式芯片熱量傳導(dǎo)模型，此模型需要三個重要元件(a)垂直和水平方向上的碳納米管束，如圖2，(b)用碳納米管束填充的熱通孔，如圖3，(C)垂直和水平的碳納米管束連接形成網(wǎng)格。熱通孔(5)由碳納米管束填充，通過深反應(yīng)離子蝕刻工藝在硅襯底上蝕刻通孔。碳納米管通過熱化學(xué)氣相沉淀生長在催化劑層上且延伸到孔上。因此，垂直方向上的碳納米管束可以在孔上形成，且生長在硅襯底上。水平方向上的碳納米管束卻不能直接綜合得到，在此利用第一個生長碳納米管束的方法，碳納米管通過控制方式在它們的表面上連接，由于兩根相連的碳納米管可以通過添加電子束形成，這使得可以形成多種形式的分子碳納米管節(jié)點，如圖4所示。而在本發(fā)明中是先通過形成水平的碳納米管孔，其次生成垂直的碳納米管孔，再生成水平的碳納米管束，然后在垂直和水平方向上的碳納米管束建立節(jié)點，最后就能形成本發(fā)明提出的熱量管理結(jié)構(gòu)。圖5是基于碳納米管的三維網(wǎng)格式芯片熱量傳導(dǎo)模型產(chǎn)生的Alpha 21364處理器芯片的熱量分布。圖6是基于碳納米管的三維網(wǎng)格式芯片熱量傳導(dǎo)模型產(chǎn)生的OpenSparcTl處理器芯片的熱量分布。它們的峰值溫度分別為369K(96°C)和347K(73°C)而在基線 設(shè)計(在襯底和熱傳導(dǎo)器之間加硅的熱界面材料的情況)下的Alpha 21364處理器芯片和OpenSparc Tl處理器芯片的峰值溫度分別為415K(142°C)和368K (95°C)。從中可以看出基于碳納米管的三維網(wǎng)格式芯片熱量傳導(dǎo)模型的建立，使得Alpha 21364處理器芯片和
OpenSparc Tl處理器芯片的峰值溫度分別降低了 32%和23%。說明本發(fā)明能夠有效的降低芯片的峰值溫度。
權(quán)利要求
1.一種基于碳納米管的三維網(wǎng)格式芯片熱量傳導(dǎo)模型，構(gòu)成芯片層(3)與熱傳導(dǎo)器層(I)之間的熱界面材料層(2)，其特征在于所述熱界面材料層(2)是基于碳納米管的熱界面材料層，由基于碳納米管的熱通孔(5)和基于碳納米管的網(wǎng)格層⑷組成，基于碳納米管的熱通孔(5)構(gòu)成芯片層(3)至基于碳納米管的網(wǎng)格層(4)的快速傳熱通道，從而，基于碳納米管的熱通孔(5)將芯片層(3)上的熱量快速轉(zhuǎn)移到基于碳納米管的網(wǎng)格層(4)上，接著，熱量經(jīng)過基于碳納米管的網(wǎng)格層(4)中的水平橫向和縱向的碳納米管(6、7)傳輸?shù)秸麄€芯片層(I)以實現(xiàn)熱量的均勻分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于碳納米管的三維網(wǎng)格式芯片熱量傳導(dǎo)模型，其特征在于所述碳納米管的熱通孔(5)是由5*5陣列碳納米管組成的碳納米管束。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于碳納米管的三維網(wǎng)格式芯片熱量傳導(dǎo)模型，其特征在于所述基于碳納米管網(wǎng)格層⑷由水平橫向碳納米管(6)疊層和水平縱向碳納米管(7)疊層組成；水平橫向的碳納米管(6)疊層由兩層碳納米管疊加組成，每ー層碳納米管層由若干根均勻分布的碳納米管組成，貼置在與芯片層相連的絕緣層之上；水平縱向碳納米管(7)疊層由兩層碳納米管疊加組成，每ー層碳納米管層由若干根均勻分布的碳納米管組成，位于水平橫向碳納米管(6)疊層上。
4.根據(jù)權(quán)利要求I、或2、或3、所述的基于碳納米管的三維網(wǎng)格式芯片熱量傳導(dǎo)模型，其特征在于在芯片層(3)上面形成基于碳納米管的網(wǎng)格層(4)，在該基于碳納米管的網(wǎng)格層中豎直方向插入基于碳納米管的熱通孔(5)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于碳納米管的三維網(wǎng)格式熱量傳導(dǎo)模型。它構(gòu)成芯片層與熱傳導(dǎo)器層之間的熱界面材料層，所述熱界面材料層是基于碳納米管的熱界面材料層，由基于碳納米管的熱通孔和基于碳納米管的網(wǎng)格層組成。基于碳納米管的熱通孔構(gòu)成芯片層至基于碳納米管的網(wǎng)格層的快速傳熱通道，從而，基于碳納米管的熱通孔將芯片層上的熱量快速轉(zhuǎn)移到基于碳納米管的網(wǎng)格層上，接著熱量經(jīng)過基于碳納米管的網(wǎng)格層中的水平橫向和縱向的碳納米管傳輸?shù)秸麄€芯片層以實現(xiàn)熱量的均勻分布。此模型可以有效的實現(xiàn)芯片熱量的擴散，使芯片獲得均勻的熱量分布。
文檔編號H01L23/367GK102664171SQ201210138728
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月8日
發(fā)明者單軍銘, 張薇, 楊勝齊, 黃嘉樂 申請人:上海大學(xué)