一種石墨烯復(fù)合材料/氮化硅/硅芯片高效散熱系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子器件的散熱技術(shù)，尤其涉及一種基于石墨烯復(fù)合材料/氮化硅/硅芯片多層結(jié)構(gòu)的散熱系統(tǒng)及構(gòu)建方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著電子器件的微型化，多功能化，高密度集成化的發(fā)展趨勢，熱管理成了各種大功率電子器件正常運(yùn)行的一個(gè)重要保障。當(dāng)前計(jì)算機(jī)CHJ芯片在工作中產(chǎn)生的熱流密度已達(dá)到100 ff/cm2 (Kaby Lake produced by Intel)，最熱區(qū)域可達(dá)300W/cm2。隨著CPU芯片上的晶體管尺寸下降到納米級別(14nm)，集成密度迅速上升，據(jù)Mudawar I預(yù)測未來的電子器件中的熱流密度很有可能突破lOOOW/cm2。事實(shí)上，不僅對于計(jì)算機(jī)芯片，而且對于航空航天及軍事領(lǐng)域電子設(shè)備、功率電子設(shè)備、光電器件、微/納機(jī)電系統(tǒng)、生物芯片、固體照明、太陽能電池等都存在類似的廣泛而迫切需要散熱冷卻的問題。在高效率照明方面，散熱問題已經(jīng)成為被譽(yù)為第三次照明革命的LED等半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)的發(fā)展瓶頸，以汽車用LED器件為例，其前照燈用LED器件的熱流密度已高達(dá)400 W/cm2。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每當(dāng)器件工作溫度升高10°C，其可靠性下降50%。因此，對大功率的器件進(jìn)行更高效的熱管理及傳熱方式的優(yōu)化是非常有必要的。
[0003]目前，對于倒裝芯片的工藝來說，常用的架構(gòu)為芯片/聚合物型熱界面材料/熱沉，在該架構(gòu)中，由于硅芯片與聚合物熱界面材料間的連接為范德華力，兩者間的距離較寬，不利于硅芯片中聲子傳導(dǎo)到熱界面材料以及外界環(huán)境上，而且常見的熱界面材料的本征熱導(dǎo)率不高(2?3 W/cm2)。因此，受限于材料的熱導(dǎo)率及較大的界面熱阻，導(dǎo)致該熱管理問題成了高功率器件的發(fā)展瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明中，提供了一種石墨烯復(fù)合材料/Si3N4/Si散熱系統(tǒng)及構(gòu)建方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種石墨烯復(fù)合材料/氮化硅/硅芯片散熱系統(tǒng)，其特征在于包括硅晶圓背面沉積一層致密的Si3N4絕緣層，在Si3N4絕緣層上利用化學(xué)鍵修飾或者導(dǎo)熱膠與石墨烯復(fù)合材料熱沉連接，形成一個(gè)整體的散熱系統(tǒng)，再于基板相互連。
[0006]所述背面沉積Si3N4絕緣層方法為通過低壓化學(xué)氣相沉積或者等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積手段，將硅片置于工作腔體中，并在腔體內(nèi)通入一定比例的硅烷類氣體和氨氣。其中，硅烷類氣體包括硅烷，二氯硅烷，三氯硅烷等，其中硅烷類氣體與氨氣比例大于或等于
2。其中氨氣的流量為10?lOOsccm，硅烷類氣體的流量為卜30SCCm。氨氣的純度為95?99.999%，硅烷類氣體的純度為95?99.999%。其中，Si3N4絕緣層的厚度為10?lOOOnrn。
[0007]所述的化學(xué)鍵修飾是通過在Si3N4絕緣表面及取向石墨烯復(fù)合材料表面進(jìn)行氧化處理，使其帶上羥基，氨基或者羧基，進(jìn)行低壓加熱處理，將兩部分連接起來。所訴的氧化處理方法涉及02，03等離子體處理或者使用強(qiáng)氧化劑浸泡。其中強(qiáng)氧化劑包括雙氧水(H2O2),高錳酸鉀(ΚΜηθ4)，重鉻酸鉀(K2Cr2O7)，次氯酸鈉(NaClO)等。其中強(qiáng)氧化劑的濃度為
0.0lmol/卜lOmol/L，浸泡時(shí)間為10分鐘至3天，浸泡溫度為O度至100度。所述的低溫加熱處理工藝為將帶有在Si3N4絕緣表面的硅發(fā)熱器件與石墨烯復(fù)合材料夾緊后，置于烘箱中低壓加熱。所述的壓力為10?760mm/Hg，加熱溫度為60度?120度。
[0008]所述的導(dǎo)電膠材料包括硅膠、聚乙烯醇膠、環(huán)氧樹脂、雜環(huán)聚合物、有機(jī)硅樹脂、丙烯酸酯膠、導(dǎo)電銀膠、含有金屬厶8、&^1^、祖^11^、？(1及其合金粒子的硅脂或含有氧化鋁，氮化鋁，氮化硼，氮化硅，碳化硅，石墨烯，石墨，碳納米管，富勒烯及高導(dǎo)熱無機(jī)顆粒的硅脂以及上述材料的混合物。
[0009]所述的石墨烯復(fù)合材料的特征在于包括石墨烯以及固化樹脂。其中高導(dǎo)熱石墨烯復(fù)合材料熱沉的制備方法為將石墨烯分散在樹脂當(dāng)中形成高導(dǎo)熱的石墨烯復(fù)合材料。固化樹脂包括硅膠、聚乙烯醇膠、環(huán)氧樹脂、雜環(huán)聚合物、有機(jī)硅樹脂、丙烯酸酯膠。其中，石墨烯復(fù)合材料中的石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1?99%。一種制備如權(quán)利要求1所述散熱裝置的方法，其步驟包括:
1)設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)的各層結(jié)構(gòu)，散熱熱沉材料與結(jié)構(gòu)；
2)根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在硅基發(fā)熱器件中沉積一層Si3N4絕緣層；
3)在Si3N4絕緣層上做官能團(tuán)化處理；
4)將石墨烯薄分散到樹脂中，將樹脂固化得到高導(dǎo)熱的石墨烯復(fù)合材料，再對兩個(gè)底面進(jìn)行拋光，除去底面的樹脂，露出石墨烯；
5)將石墨烯復(fù)合材料與帶有Si3N4絕緣層的硅基發(fā)熱器夾緊，并在低壓下加熱處理；
6)將上述散熱體系與基板互連，實(shí)現(xiàn)發(fā)熱器件，熱界面絕緣層，熱層器件的完整系統(tǒng)構(gòu)建。
[0010]本發(fā)明創(chuàng)新之處為，一方面利用了硅發(fā)熱器件的致密Si3N4層具有高導(dǎo)熱，絕緣的性質(zhì)，而且通過化學(xué)沉積的手段可以形成Si/ Si3N4的類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，形成一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)，從而有利于將硅發(fā)熱器件中的熱，通過晶格震動(dòng)的形式傳到Si3N4層中，從根本上避免了微空隙及聲子不匹配所帶來的界面熱阻。同時(shí)，使用的石墨烯復(fù)合材料具有超高的熱導(dǎo)率和一定的力學(xué)性能，滿足散熱器件中對熱沉的要求。更重要的是，可利用石墨烯復(fù)合材料表面官能團(tuán)與Si3N4層相連，進(jìn)一步減少連接界面中產(chǎn)生微空隙，從而降低界面熱阻。正是由于這高度集成的散熱系統(tǒng)，使得熱從硅發(fā)熱器件到外部的熱沉傳導(dǎo)非常順暢，極大地提高系統(tǒng)散熱能力。并且取代了傳統(tǒng)工藝中用到的高導(dǎo)熱膠體。
[0011]此外，本發(fā)明散熱裝置工藝條件實(shí)現(xiàn)簡單，成本低，便于批量加工，結(jié)合了Si3N4層導(dǎo)熱絕緣及聲子匹配和石墨烯復(fù)合材料熱沉的高散熱性能的優(yōu)勢，保證了發(fā)熱器件能在惡劣熱環(huán)境下正常工作，特別適用于大功率、高密度集成和多功能微電子器件的散熱，而且制備出散熱架構(gòu)更為輕薄，可以廣泛地應(yīng)用于航空航天、信息通信、生物化學(xué)、醫(yī)療、自動(dòng)控制、消費(fèi)電子以及兵器等很多關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全保障的領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0012]圖1取向石墨烯復(fù)合材料/Si3N4/Si多層結(jié)構(gòu)的散熱系統(tǒng)示意圖；
【具體實(shí)施方式】
以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各