一种基于石墨烯热界面层的高效散热封装结构及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种基于石墨烯热界面层的散热结构，包括：多层石墨烯层，每层石墨烯层具有厚度以及相同的长度和宽度；多层粘合层，每层粘合层具有厚度以及与所述石墨烯层相同的长度和宽度，并且与所述石墨烯层交替形成层叠结构，其中从所述层叠结构的一端开始以宽度方向为轴沿长度方向螺旋卷曲所述层叠结构，形成柱形螺旋卷，所述螺旋卷的顶面和底面是由多层石墨烯层和多层粘合层的相对的两个厚度面螺旋卷曲形成的平面。有效的利用石墨烯高面内热导率，实现高效散热封装。

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯热界面层的高效散热封装结构及其制造方法
本专利技术涉及集成电路封装
，尤其涉及一种基于石墨烯热界面层的高效散热封装结构及其制造方法。
技术介绍
随着集成电路技术的不断发展，集成电路芯片的性能在不断提升，高集成度、高性能、大功率芯片在工作时散热问题变得越来越重要，芯片温度的升高，会影响器件的工作性能，缩短器件的工作寿命，甚至由于高温导致器件直接损毁。封装技术中的散热设计直接关系到整体芯片系统的散热效果，其散热设计的目的是获得较低的工作温度及有效的散热效果。封装过程中的散热设计直接影响着芯片技术，尤其对于新一代高密度集成、高速率、大功率集成电路芯片技术的应用和发展，同时在光子
也是一样。封装技术中的散热设计都是通过散热材料的选择、散热结构的设计来实现的。但实际封装过程中，芯片、热沉及散热器间总不可避免的存在间隙，这些间隙往往会导致较大的界面热阻。为了填补散热间隙，保障通畅的散热通道，业界采用了各种热界面材料，最为传统的树脂基金属颗粒材料由于其较低的室温热导率，一般为1～5W/m·K，越来越不能满足新一代高密度集成、高速率、大功率集成电路的发展要求。新型的，诸如基于碳纳米管或碳纳米纤维的填隙热界面材料，极大受限于其较大的接触热阻，不能根本上解决高效散热的问题。石墨烯材料具有极高的面内导热系数，可高达5000W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，目前来说，石墨烯是性能最优的导热材料。采用石墨烯作为热界面材料有望获得极佳的散热性能，具有极大的市场潜力。由于石墨烯二维材料的物理性质，要获得良好的散热性能，需要使其垂直位于热源与热沉之间。但截至目前未发现有人很好的设计出石墨烯材料的散热结构用于集成电路封装领域。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，根据本专利技术的一个实施例，提供一种基于石墨烯热界面层的散热结构，包括：多层石墨烯层，每层石墨烯层具有厚度以及相同的长度和宽度；多层粘合层，每层粘合层具有厚度以及与所述石墨烯层相同的长度和宽度，并且与所述石墨烯层交替形成层叠结构，其中从所述层叠结构的一端开始以宽度方向为轴沿长度方向螺旋卷曲所述层叠结构，形成柱形螺旋卷，所述螺旋卷的顶面和底面是由多层石墨烯层和多层粘合层的相对的两个厚度面螺旋卷曲形成的平面。在本专利技术的一个实施例中，所述石墨烯层在宽度方向上具有完整的层状石墨烯结构。在本专利技术的一个实施例中，所述粘合层材料为纯铟材料，材料厚度为10微米。该材料亦可选为其他材料，所选材料必须满足以下两点要求：第一，所选材料必须能和羧基形成稳定的化学键，与石墨烯层形成良好界面，提高两种材料界面间的热导率；第二，所选材料必须对石墨烯具有良好的润湿性，从而可以形成较大的界面接触面积，增加材料间的粘附性。在本专利技术的一个实施例中，所述石墨烯的单层厚度小于某一特征厚度，该特征厚度为，多层石墨烯材料的拉曼谱与体状石墨材料的拉曼谱明显不同时的厚度。该特征厚度一般小于5微米。根据本专利技术的另一个实施例，提供一种基于石墨烯热界面层的散热结构的制造方法，包括：在刚性衬底上交替形成多层石墨烯二维材料和石墨烯粘合层材料的薄膜，每层石墨烯二维材料和粘合层具有厚度以及相同的长度和宽度；从所述薄膜的一端开始以宽度方向为轴沿长度方向螺旋卷曲所述薄膜，形成柱形螺旋卷，所述螺旋卷的顶面和底面是由所述薄膜的相对的两个厚度面螺旋卷曲形成的平面；以及收集获取石墨烯热界面层的高效散热封装结构。在本专利技术的另一个实施例中，所述的交替形成多层石墨烯二维材料和石墨烯粘合层材料的薄膜方法为外延生长和或化学气相沉积法。在本专利技术的另一个实施例中，所述的交替形成多层石墨烯二维材料和石墨烯粘合层材料的薄膜具有压应力或张应力。在本专利技术的另一个实施例中，所述的卷曲多层石墨烯二维材料和石墨烯粘合层材料的薄膜为采用物理法或化学法剥离衬底后，所述薄膜基于具有压应力或张应力自动卷曲。根据本专利技术的又一个实施例，提供一种芯片封装结构，包括：封装基板；附连到所述封装基板上的芯片；固定在所述封装基板上的金属盖板，所述金属盖板包封所述芯片；基于石墨烯热界面层的第一散热结构，所述第一散热结构附连在所述芯片和所述金属盖板之间，其中所述第一散热结构包括：第一多层石墨烯层，每层石墨烯层具有厚度以及相同的长度和宽度；第一多层粘合层，每层粘合层具有厚度以及与所述第一石墨烯层相同的长度和宽度，并且与所述石墨烯层交替形成第一层叠结构，其中从所述第一层叠结构的一端开始以宽度方向为轴沿长度方向螺旋卷曲所述第一层叠结构，形成第一柱形螺旋卷，第一柱形螺旋卷的顶面和底面是由第一多层石墨烯层和第一多层粘合层的相对的两个厚度面螺旋卷曲形成的平面，所述第一柱形螺旋卷的底面与所述芯片接触，所述第一柱形螺旋卷的顶面与所述金属盖板接触，从而在所述芯片和所述金属盖板之间形成热通道。在本专利技术的又一个实施例中，该芯片封装结构还包括：附连到所述金属盖板上的热沉，所述的热沉为叉指型热沉；附连在所述金属盖板和所述热沉之间的基于石墨烯热界面层的第二散热结构，所述第二散热结构包括第二多层石墨烯层，每层石墨烯层具有厚度以及相同的长度和宽度；第二多层粘合层，每层粘合层具有厚度以及与所述第二石墨烯层相同的长度和宽度，并且与所述石墨烯层交替形成第二层叠结构，其中从所述第二层叠结构的一端开始以宽度方向为轴沿长度方向螺旋卷曲所述第二层叠结构，形成第二柱形螺旋卷，第二柱形螺旋卷的顶面和底面是由第二多层石墨烯层和第二多层粘合层的相对的两个厚度面螺旋卷曲形成的平面，所述第二柱形螺旋卷的底面与所述金属盖板接触，所述第一柱形螺旋卷的顶面与所述热沉接触，从而在所述金属盖板和所述热沉之间形成热通道。在本专利技术的又一个实施例中，与所述的基于石墨烯热界面层的高效散热封装结构接触的所述芯片、所述金属盖板以及所述热沉的对应位置至少一处具有薄铟层。本专利技术通过将多层石墨烯与粘合层形成层叠结构后卷曲为螺旋管的方法，从而实现石墨烯作为热界面层垂直立于热源与热沉之间来制备高效散热结构，以应用于芯片封装。该方法能充分发挥石墨烯的高面内导热率的性能，又能形成良好的机械支撑，使其稳定位于热源与热沉间，极大的提高了系统的散热效率，该封装方法将广泛应用于下一代高密度3D集成电路，极大的提高了高速大功率晶体管热管理效率，具有极大的应用价值。附图说明为了进一步阐明本专利技术的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本专利技术的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本专利技术的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。图1示出根据本专利技术的一个实施例的一种基于石墨烯热界面层的高效散热封装结构100的俯视图。图2示出根据本专利技术的一个实施例的一种基于石墨烯热界面层的高效散热封装结构100沿俯视图所示AA’的剖面示意图。图3A至图3D示出根据本专利技术的一个实施例形成一种基于石墨烯热界面层的高效散热封装结构100的过程示意图。图4示出的是根据本专利技术的一个实施例形成一种基于石墨烯热界面层的高效散热封装结构100的流程图。图5示出根据本专利技术的一个具体实施例应用基于石墨烯热界面层的高效散热封装结构进行芯片封装的封装结构500的剖面示意图。具体实施方式在以下的描述中，参考各实施例对本专利技术进行描述。然而本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨烯热界面层的散热结构，包括：多层石墨烯层，每层石墨烯层具有厚度以及相同的长度和宽度；多层粘合层，每层粘合层具有厚度以及与所述石墨烯层相同的长度和宽度，并且与所述石墨烯层交替形成层叠结构，其中从所述层叠结构的一端开始以宽度方向为轴沿长度方向螺旋卷曲所述层叠结构，形成柱形螺旋卷，所述螺旋卷的顶面和底面是由多层石墨烯层和多层粘合层的相对的两个厚度面螺旋卷曲形成的平面。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯热界面层的散热结构，包括：多层石墨烯层，每层石墨烯层具有厚度以及相同的长度和宽度；多层粘合层，每层粘合层具有厚度以及与所述石墨烯层相同的长度和宽度，并且与所述石墨烯层交替形成层叠结构，其中从所述层叠结构的一端开始以宽度方向为轴沿长度方向螺旋卷曲所述层叠结构，形成柱形螺旋卷，所述螺旋卷的顶面和底面是由多层石墨烯层和多层粘合层的相对的两个厚度面螺旋卷曲形成的平面。2.如权利要求1所述的基于石墨烯热界面层的散热结构，其特征在于，所述石墨烯层在宽度方向上具有完整的层状石墨烯结构。3.如权利要求1所述的基于石墨烯热界面层的散热结构，其特征在于，所述粘合层材料为纯铟材料，材料厚度为10微米。4.如权利要求1所述的基于石墨烯热界面层的散热结构，其特征在于，所述石墨烯的单层厚度小于特征厚度，所述特征厚度为多层石墨烯材料的拉曼谱与体状石墨材料的拉曼谱明显不同时的厚度。5.一种基于石墨烯热界面层的散热结构的制造方法，包括：在刚性衬底上交替形成多层石墨烯二维材料和石墨烯粘合层材料的薄膜，每层石墨烯二维材料和粘合层具有厚度以及相同的长度和宽度；从所述薄膜的一端开始以宽度方向为轴沿长度方向螺旋卷曲所述薄膜，形成柱形螺旋卷，所述螺旋卷的顶面和底面是由所述薄膜的相对的两个厚度面螺旋卷曲形成的平面；以及收集获取石墨烯热界面层的高效散热封装结构。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的交替形成多层石墨烯二维材料和石墨烯粘合层材料的薄膜方法为外延生长和或化学气相沉积法。7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的交替形成多层石墨烯二维材料和石墨烯粘合层材料的薄膜具有压应力或张应力。8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的卷曲多层石墨烯二维材料和石墨烯粘合层材料的薄膜为采用物理法...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹立强，孙鹏，
申请(专利权)人：华进半导体封装先导技术研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32