[发明专利]有序掺杂纳米材料强化热导率复合材料及制备方法

说明书

本发明公开一种有序掺杂纳米材料强化热导率复合材料及制备方法，包括：薄膜基底；纳米材料阵列，有序分散生长于薄膜基底上；基体，用于填充于有序分散的纳米材料阵列之间，完全包裹纳米材料阵列且完全填充薄膜基底未生长纳米材料阵列的区域。粘结层，用于将纳米材料阵列和基体通过化学键或物理化学能连接起来；制备时：薄膜基底表面生长有序分散的纳米材料阵列，在纳米材料阵列上制备粘结层，以降低界面热阻，在纳米材料阵列的孔隙区域填充基体材料，使其紧密包裹纳米材料。本发明可高效地制备上述复合材料，纳米材料阵列与基体结合牢固、界面粘结良好，纳米阵列的排布密度和位置易于控制，制备过程灵活性强，并且具有良好的热导率。

技术领域

本发明涉及微电子封装领域，具体地，涉及一种应用于封装的高热导率金属基复合材料设计，尤其是一种包含有序分散的纳米材料阵列强化热导率复合材料及制备方法。

背景技术

随着半导体工业的飞速发展，对微系统的小型化、多功能、高密度集成化的要求日益迫切，高密度和微型化是封装技术发展的必然趋势。三维封装体积的大幅度减小使得三维封装体的散热问题越发棘手。亟需研究高效率的材料提高热导，进而提高封装体的热管理效能。通过高密度、有序分布的高热导率纳米材料(如CNT，石墨烯，金刚石，碳化硅晶须，纳米线等)阵列进一步提材料的热导率。如何高密度有序掺杂高热导率纳米材料且保证填充基体与纳米材料阵列无缝结合显得尤其重要。

然而，传统的热压等方法制备高热导率复合纳米材料与微加工工艺的兼容性差，且材料经受的热载荷较大、接触热阻较大，且纳米阵列掺杂的比例较小，不适合同时制备不同结构的微纳米器件；纳米材料与金属基同时电沉积虽然实现了与微加工工艺结合，但是制备出的金属基复合纳米材料中金属与纳米材料的结合力较差，纳米阵列掺杂的比例较小、排列无规则。

经检索，申请号为CN200580019395.9中国专利申请，其公开一种基于碳纳米管阵列复合材料的纳米工程热材料：使用碳纳米管(CNT)阵列提供导热的方法。在具有高热导率的衬底上生长垂直定向的CNT阵列，阵列中相邻CNT之间的空隙区域部分或全部用具有高热导率的填料材料填充，使得每个CNT的至少一个端被暴露。靠着要移出热的物体的表面挤压每个CNT的暴露端。邻接衬底的CNT-填料复合材料提供了提高的机械强度以固定CNT到合适位置，并还用作热散布器来改善从较小体积到较大热沉的热流扩散。

但是上述专利存在以下不足：1)碳纳米管阵列复合材料的电阻率较低，不适宜与电气互连器件直接相连；2)CNT不完全覆盖的设计提高了热传输能力，同时将使得CNT的机械性能降低以及制备工艺变复杂；3)一端弯曲或翘曲的结构提高了与待传热界面的接触面积但造成了制备工艺的复杂且易降低CNT热机械可靠性。4)制备的碳纳米管阵列复合材料的结构单一，不利于充分发挥材料的高热导率的性能。

发明内容

本发明针对三维高密度封装体，提供一种高密度有序掺杂纳米材料强化热导率复合材料及其制备方法，高热导率薄膜基底上生长有序分散的纳米材料阵列，再填充高热导率材料，充分发挥材料的高热导率的性能，在提高材料性能的同时，降低制备工艺的复杂度。

根据本发明的第一方面，提供一种有序掺杂纳米材料强化热导率复合材料，包括：

薄膜基底；

纳米材料阵列，该纳米材料阵列有序分散生长于所述薄膜基底上；

粘结层，该粘结层均匀、牢固地附着于所述纳米材料阵列上；

基体，用于填充于有序分散的所述纳米材料阵列之间，所述基体完全包裹纳米材料阵列且完全填充所述薄膜基底未生长纳米材料阵列的区域；利用位于所述纳米材料阵列和所述基体之间的所述粘结层，将所述纳米材料阵列和所述基体通过化学键或物理化学能连接起来，保证所述基体与所述纳米材料阵列的界面具有足够的强度。

优选地，所述薄膜基底采用如下材料制成：Al，Au，Cr，Cu，Ni，Pt，Si，Ti中的一种或其组合。