基于定向生长CNT电磁对准的感应热压键合技术研究

提高碳纳米管（CNT）与衬底间的接触几率与结合强度是降低其界面热阻的关键，该研究对定向生长CNT直接作为热界面材料（TIM）技术的发展具有极大推动作用。研究内容包括：1）CNT与衬底间的界面传热机理分析，通过第一性原理分子动力学与经典分子动力学相结合，建立CNT与衬底间界面热阻模型；2）降低CNT与衬底间界面热阻的技术研究。研究首先将定向生长CNT进行磁化，然后通过电磁对准提高定向生长CNT与衬底间的接触几率，并利用感应热压键合技术来提高CNT与衬底间的结合强度，从而有效降低界面接触热阻。目前，半导体器件超微型化和高集成化对其系统散热性能提出了新的要求，迫切需要发展新型低热阻封装技术。本项目的实施为纳米封装与互连、低热阻封装技术研发开辟了新思路，对促进光电集成技术发展和功率器件的研发具有推动作用。

半导体器件超微型化和高集成化对其系统散热性能提出了新的要求，迫切需要发展新型低热阻封装技术。垂直定向生长碳纳米管束（VACNT）由于其独特结构特性被认为可作为一种优异的热界面（TIM）材料。VACNT与衬底间的接触几率与结合强度的提高是降低其界面热阻的关键，应用中遇到的主要问题有VACNT与衬底界面传热机理、VACNT的磁化技术、电磁场辅助VACNT定向与对准、VACNT与衬底材料之间的有效键合及键合界面的性能评价。本项目重点是通过电磁对准与感应热压键合技术相结合，有效降低VACNT与衬底间的界面接触热阻，为低热阻封装技术研究开辟新的思路。首先，利用第一性原理分子动力学和经典分子动力学，分析了VACNT与衬底界面传热机理，获得了微纳尺度上界面热阻与影响因素间的关系；采用反铁磁材料作为催化剂，降低VACNT顶部缠绕和团聚，在此基础上沉积磁性材料并进行热整形，从而在VACNT顶端形成磁性纳米颗粒，最终实现VACNT的有效磁化；设计了用于辅助定向和对准的装置，提高了VACNT定向与对准的精度；采用感应热压键合技术实现了VACNT 与目标衬底间的有效键合，有效的降低界面热阻，经大量测试数据表明采用感应热压键合技术可实现界面热阻降低10%以上；通过对长期、大量的反馈数据分析发现，采用本技术获得的样品在一年后其性能指标无明显变化。整个项目实施期间完成论文8篇，其中SCI收录3篇，EI收录3篇，EI接收但尚未发表2篇，申请发明专利1项。