1、隨著特征尺寸的不斷縮小和性能的不斷提高，微電子芯片越來越高的功率密度使得微電子封裝的熱管理面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。相對于熱沉和襯底，具有較低熱導(dǎo)率的熱界面材料成為制約芯片散熱的瓶頸，也使高性能的熱界面材料研究成為微電子封裝領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。另外，由于化合物半導(dǎo)體，柔性和有機(jī)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，對能夠在較低工藝溫度下使用的高性能熱界面材料的需求尤為迫切。
　　碳納米管在軸向上具有很高的熱導(dǎo)率，比銅等導(dǎo)熱性金屬的熱導(dǎo)率高近一個(gè)數(shù)量級，是一種理想的熱

2、傳導(dǎo)材料。目前將碳納米管用做熱界面材料的方式主要包括:將碳納米管填充到聚合物或生長碳納米管森林，后者由于實(shí)現(xiàn)了納米管的對準(zhǔn)排列，可以實(shí)現(xiàn)更高的熱導(dǎo)率。但是直到目前為止，納米管森林只能一端生長在芯片或熱沉上，另一懸空端必須通過壓力或者其他粘合劑與對應(yīng)的熱沉或芯片連接，而這些連接方法使聲子的傳輸變得更加復(fù)雜，明顯降低了導(dǎo)熱性能，增加了封裝工藝的難度。
　　本文提出了一種新的將對準(zhǔn)排列的納米管用作熱界面材料的方法，即將芯片貼在熱沉上以后

3、，通過流體自組裝在芯片和熱沉之間生長垂直排列的碳納米管陣列作為熱界面材料，我們稱之為橋式連接的碳納米管陣列。由于在納米管橋式連接的過程中，納米管兩端與芯片和熱沉同時(shí)形成了連接，因此毋需另外的粘結(jié)工藝，同時(shí)納米管也形成了垂直芯片和熱沉表面的垂直對準(zhǔn)排列，可以充分利用納米管軸向的高熱導(dǎo)率。
　　本文研究了這種方法的工藝可行性，并對橋式連接的納米管陣列的剪切強(qiáng)度和熱阻進(jìn)行了表征。此外，本文通過工藝參數(shù)的優(yōu)化逐漸降低熱阻，優(yōu)化結(jié)果證明了這

4、種熱界面材料在100℃時(shí)的熱阻約為4.5mm2K/W，這一數(shù)值優(yōu)于目前商用的熱界面材料，并且工藝步驟和工藝溫度與通用的導(dǎo)熱脂相似，能夠廣泛用于微電子、光電子、傳感器等各種器件的封裝。
　　第二章我們對碳納米管陣列的流體自組裝方法進(jìn)行了研究。通過一系列實(shí)驗(yàn)和SEM表征，證明在聚電解質(zhì)修飾過的具有一定寬度的溝道內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)碳納米管兩端同時(shí)連接溝道側(cè)壁，通過拉曼信號測試表征了納米管的排列方向，結(jié)果證明大部分納米管的取向在垂直方向的±15

5、°范圍內(nèi)。本文對這種流體自組裝的機(jī)理進(jìn)行了分析，認(rèn)為微流體通道中含有納米管的微米級液滴的形成與蒸發(fā)是形成這種納米管自組裝的主要原因。
　　利用第二章獲得的工藝方法，第三章在樣片表面制作特殊設(shè)計(jì)的微流體通道后，實(shí)現(xiàn)了上下兩個(gè)表面涂覆金屬的樣片(4×4mm2)通過納米管陣列的橋式連接，通過解剖納米管連接的樣片，SEM表征和EDS分析，我們發(fā)現(xiàn)納米管生長在兩個(gè)樣片之間，這一現(xiàn)象是將碳納米管陣列作為熱界面材料的基礎(chǔ)。
　　碳納米管陣

6、列的數(shù)量和密度直接影響了這種熱界面材料的導(dǎo)熱性能，第四章討論了通過工藝參數(shù)優(yōu)化提高納米管密度的方法。由于提高生長的納米管密度，兩個(gè)樣片間的剪切力也相應(yīng)提高。同時(shí)和熱性能測試相比，剪切力測試比較簡單、重復(fù)性好，因此我們將剪切力作為優(yōu)化目標(biāo)，通過改變?nèi)芤簼舛?、溶液滴?樣品烘烤周期、微流體通道的尺寸等參數(shù)，使剪切力提高到超過400kPa，并將獲得的優(yōu)化工藝參數(shù)作為我們下一章制備熱測試樣品的標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)。
　　第五章測試了這種基于橋式納

7、米管陣列的熱界面材料的熱學(xué)特性。由于這種熱界面材料的厚度只有幾個(gè)微米，比商用熱界面材料的厚度低近一個(gè)數(shù)量級，通常的熱阻測試會造成較大的誤差。我們采用的方法是測試出樣片-納米管陣列-樣片的三明治結(jié)構(gòu)的熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容，及直接鍵合的樣片-樣片結(jié)構(gòu)的熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容，通過對這兩種結(jié)構(gòu)的熱性能的比較，獲得納米管陣列的界面熱阻。因此，為便于性能對比和計(jì)算界面熱阻，我們制備了商用導(dǎo)熱脂樣品和直接鍵合樣品，用LFA閃光法測量獲得了這幾種樣品的熱擴(kuò)

8、散系數(shù)，用DSC測試獲得了樣品的比熱容。利用測試數(shù)據(jù)計(jì)算了碳納米管陣列的界面熱阻。結(jié)果表明橋式納米管陣列熱界面材料在各測試溫度點(diǎn)的平均熱阻均低于商用導(dǎo)熱脂。證明了橋式連接的碳納米管熱界面材料的應(yīng)用潛力。
　　由于剪切力測試中樣品最大剪切強(qiáng)度為400kPa，低于3MPa的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。較低的剪切強(qiáng)度成為應(yīng)用橋式連接的納米管陣列熱界面材料的一個(gè)障礙。第六章提出了一種橋式連接納米管陣列加聚合物的方案。在完成納米管陣列的橋式自組裝以后，通過在

9、芯片邊緣滴入一種高滲透性膠水，使這種膠水通過毛細(xì)作用滲透到納米管陣列周圍并固化，成功地獲得了高于3MPa的剪切強(qiáng)度。熱表征和計(jì)算結(jié)果顯示，經(jīng)過滴膠固化處理的樣品熱阻會略微升高，但在100℃時(shí)仍保持在6.0mm2K/W，這一數(shù)值也優(yōu)于商用導(dǎo)熱脂。
　　綜上所述，針對目前納米管森林熱界面材料的懸空端產(chǎn)生較大熱阻的問題，本文提出了一種橋式連接、對準(zhǔn)排列的納米管陣列，兩端分別連接芯片和熱沉，形成了聲子通道，可以作為一種高導(dǎo)熱率的熱界面材料