[发明专利]基于碳纳米管阵列和低温共烧陶瓷的散热装置及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子器件的散热技术，尤其涉及一种基于碳纳米管阵列和低温共烧陶瓷的散热装置及制备方法。

背景技术

随着社会的信息科技化，微型化、多功能化产品逐渐成为电子技术发展的潮流与趋势，一方面器件尺寸愈小愈好，已从微米量级向纳米量级发展，另一方面器件的集成度自1959年来以每年40-50％高速度递增，每个芯片上有成百上万个元件。当前计算机CPU芯片在工作中产生的热流密度已达到60-100W/cm²，根据美国半导体业联合会SIA数据整理的大规模集成电路发展图，未来3年，高性能芯片的热流密度将达到150W/cm²的程度。事实上，不仅对于计算机芯片，而且对于航空航天及军事领域电子设备、功率电子设备、光电器件、微/纳机电系统、生物芯片、固体照明、太阳能电池等都存在类似的广泛而迫切需要散热冷却的问题。在高效率照明方面，发热问题已经成为被誉为第三次照明革命的LED等半导体发光技术的发展瓶颈，以汽车用LED器件为例，其前照灯用LED器件的热流密度已高达400W/cm²，当温度升高时器件的效率明显下降、寿命缩短、色彩发生变化，特别是当器件结温高于约130℃时，器件将被烧坏。据统计，太阳能电池组件温度每增加一度，输出电量减少0.2-0.5％，如果长期在高温下工作还会因迅速老化而缩短使用寿命。

目前传统的电子设备散热技术主要包括自然对流散热、强制风冷散热、热管散热、热电致冷等多种方式：

(1)自然对流散热利用设备中各个元器件的空隙以及机壳的热传导、对流和辐射来达到散热目的，优点是结构简单、成本低、安全可靠、没有噪声和震动，但是热阻大，传热性能差，适用于温度控制要求不高，热流密度小于0.08W/cm²的低功耗电子器件和部件。

(2)强制风冷散热依靠风扇(离心式、轴流式、螺旋桨式)迫使器件周围空气流动，将器件散发出的热量带走，其换热量比自然对流和辐射大10倍，但是成本增加，噪声变大，运行可靠性较低。目前基于强制风冷技术散热效果最好的是微喷冷却技术和射流冷却技术，前者可用于热流密度为10W/cm²的散热，后者可高达100W/cm²，但是技术要求高，推广应用较难。

(3)热管散热的机理是冷却液体在蒸发段被热流加热蒸发，其蒸气经过绝热段流向冷凝段，在冷凝段蒸气被管外冷流体冷却释放热量后凝结为液体，积聚在散热段吸液芯中的凝结液借助吸液芯毛细力的作用，返回到加热段再吸热蒸发。热管传热能力很大，可用于热流密度大于100W/cm²的器件散热，导热系数高，而且可以制造成体积很小、重量很轻的产品，但是在使用一段时间后传热性能会下降，还要承受热流密度、流动阻力、毛细压差等工作极限的限制。

(4)热电致冷是利用半导体材料(如Bi₂Te₃)的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端分别吸收热量和放出热量，从而实现致冷。它无噪声和震动，体积小，结构紧凑，操作维护方便，不需要制冷剂，可通过改变电流大小来调节制冷量和制冷速度，但是效率低，成本高。

要在毫米甚至纳米级的器件尺度上把极高的热量带走，传统的冷却技术已不再适用：对流、辐射、传导等自然冷却散热的热流密度不超过0.155W/cm²，金属热通孔和风冷散热的热流密度不超过10W/cm²，只有采用液体冷却和热管技术才能够使散热的热流密度达到100W/cm²，但热管散热在使用一段时间后传热性能会下降，还要承受流动阻力、毛细压差等工作极限的限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于碳纳米管阵列和低温共烧陶瓷的散热装置及制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于碳纳米管阵列和低温共烧陶瓷的散热装置，其特征在于，包括内嵌微流道的低温共烧陶瓷基板，在该低温共烧陶瓷基板表面制备有碳纳米管阵列，与低温共烧陶瓷基板电路相连的发热器件固定在上述碳纳米管阵列上。

所述碳纳米管阵列与树脂固化在一起，该树脂选自环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、酚醛树脂、聚氨酯、尼龙或其混合物。

所述发热器件与碳纳米管阵列通过导热胶固定，导热胶材料包括：硅胶、聚乙烯醇胶、环氧树脂、杂环聚合物、有机硅树脂、丙烯酸酯胶、导电银胶、含有金属Ag、Cu、Al、Fe、Ni、Au、Pt、Pd及其合金粒子的硅脂或上述材料的混合物。