薄膜集成式散热器的材料与工艺研究

随着器件尺寸的逐步缩小，为满足未来器件在厚度上的要求，将散热器薄膜化是封装工艺发展的一个重要方向。通过高导热薄膜的沉积形成薄膜集成式散热器（Thin Film Integrated Heat Spreader，Thin Film IHS）是实现这一目标的关键技术之一。本项目将以高分子辅助沉积(PAD)为主要制备手段，以氮化铝基复合薄膜材料作为主要研究对象，使用高分辨X射线衍射、SEM、热物性测试等表征方法，系统地研究纳米复合薄膜材料的制备工艺、微结构和导热性能之间的关系，重点研究薄膜的成分、应力、缺陷、晶界/边界、纳米结构的分布等微结构和热导率之间的关系。以此为基础，通过优化工艺或材料设计，改进薄膜的导热性能，从而获得适用于集成式散热器的纳米复合薄膜的最优材料设计和工艺技术，为实现集成电路散热器薄膜化打下基础。

随着器件尺寸的逐步缩小，将散热器薄膜化是封装工艺发展的一个重要方向。本项目对氮（氧）化铝和碳纳米/微米复合薄膜材料应用于集成薄膜散热器进行了试验研究和理论分析，系统地研究复合薄膜材料的制备工艺、微结构和导热性能之间的关系。本项目的研究表明改善界面热阻是提高复合材料热导率及器件散热性能的关键，主要的研究结论包括：(1)掺入碳纳米管和金刚石微粉后，对氮氧化铝薄膜的热导率有进一步的提高，而掺入金刚石纳米粉后热导率反而下降，界面热阻是主要原因；(2)使用溅射方法获得的氮化铝薄膜的热导率表现出对沉积温度的依赖关系，微结构分析表明薄膜-基片界面非晶层的控制是提高热导率的关键之一；(3)制备了碳纳米管-多层石墨-碳纳米管的三维结构以及泡沫状的碳纳米材料，实现了基于碳纳米管的薄膜散热器的器件原型,这几类基于碳纳米管的薄膜散热器可以明显改善器件的散热特性；(4)为进一步改善界面传热性能，理论上，采用分子动力学方法建立了碳纳米管和Si界面的声子耦合模型，研究了碳纳米管-硅界面的导热性能、外加压力和声子态密度三者之间的关系,发现外加压力可以有效提高界面的热传导；(5)实验上，研究了碳纳米管与焊锡材料的界面增强方法，实现了与焊锡材料的有效浸润，并通过界面改性提高了基于碳纳米管的薄膜散热器的散热性能。此外，本项目发明了一种使用高分子PEI形成稳定碳纳米管水溶液的方法，可用于形成均匀的基于碳纳米管的复合材料；并且通过建模分析和实验结果表明，在芯片背面镀上的AlN薄膜不仅可以改善散热效果，对芯片的机械性能也有改进。本项目的研究结果为实现集成薄膜散热器打下了材料和工艺基础。