Современная электроника №1/2020

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 33 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2020 Физико-механические характеристики углеродных нанотрубок Материал Характеристики Алюминий Медь Алмаз Однослойные углеродные нанотрубки (ОУНТ) Многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ) Модуль Юнга, ГПа 70 120 – 1054 1200 Прочность на изгиб, ГПа 0,07...0,15 0,14...0,28 – 150 200 Плотность, г/см 3 2,70 8,96 3,47...4,55 2,23...2,60 Теплопроводность, Вт/м·К 180-220 370...410 900...3320 3000...6000 Электропроводность, См/м 3,77 × 10 7 5,95 × 10 7 – 1 × 10 5 ...1 × 10 7 электропроводность, механическая прочность, химическая стабильность и очень высокая теплопроводность, достигающая 6000 Вт/м·К, в то время как теплопроводность чистого алмаза составляет 3320 Вт/м·К (см. табл.). В работе [3] в качестве анизотропного теплопередающего элемента использу- ется анизотропный нанокомпозицион- ный материал, в котором теплопрово- дящие углеродные нанотрубки ориен- тированы в заданном направлении – от тепловыделяющего элемента к тепло- поглощающему элементу, т.е. нано- композиционный элемент обладает направленной теплопроводностью. Анизотропный элемент имеет фор- му плоского или круглого кабеля, теп- ло передается от одного конца кабе- ля в сторону другого конца, при этом минимальное количество тепла переда- ется через боковые стороны или стенки кабеля. Теплопроводность вдоль одно- го направления в несколько раз боль- ше, чем теплопроводность в перпенди- кулярном направлении, благодаря чему образуется эффективный теплопровод. При этом тепло направленно отводится от места расположения тепловыделяю- щих элементов, температура которых находится вблизи предельных рабочих температур. Образование нанотрубками много- кратно скрученных между собой, слу- чайным образом ориентированных спиралевидных структур приводит к возникновению внутри материала нанотрубок значительного количе- ства полостей нанометрового разме- ра, доступных для проникновения извне жидкостей или газов. В резуль- тате удельная поверхность материала, составленного из нанотрубок (в случае однослойной нанотрубки) составляет около 600 м 2 /г. Столь высокое значе- ние удельной поверхности нанотрубок позволяет использовать их в качестве пористого материала. Нанотрубки с открытым концом проявляют капил- лярный эффект и способны втягивать в себя расплавленные металлы и другие жидкие вещества, что открывает пер- спективу пропитки таких трубок метал- лами и неорганическими материала- ми. Очень высокая теплопроводность в сочетании с возможностью пропит- ки позволяет рассматривать углеродные нанотрубки в качестве основы для соз- дания теплоотводящих элементов для микроэлектроники. До недавнего вре- мени был известен только один мате- риал, превосходящий перечисленные выше материалы по теплопроводности — это алмаз со своим выдающимся значением ~ 3320 Вт/м·К, однако из-за высокой стоимости он использовался в электронных компонентах в основном в виде пленки, рассеивающей тепло. Поэтому перспективными материалами для замены алмаза являются специали- зированные анизотропные компози- ты на основе углеродных нанотрубок. По оценкам, отдельные углеродные нанотрубки обладают очень высокой теплопроводностью– 6000 Вт/м·К [4–7], что позволило создать к настоящему времени широкий ассортимент угле- родных нанотрубок различных типов и форм. В экспериментах с полимерными композициями, заполненными угле- родными нанотрубками, при помощи метода лазерной вспышки обнаружено увеличение температуро- и теплопрово- дности при комнатной температуре [8]. Результаты показывают, что в полиме- рах, содержащих УНТ, теплофизиче- ские свойства зависят от ориентации. Если нанотрубки расположены парал- лельно одной плоскости, то темпера- туропроводность в этой плоскости в 10 раз выше по сравнению с плоско- стью, перпендикулярной всем УНТ. Улучшение теплопроводности ком- позитов на основе нанотрубок и поли- меров произошло за счёт исполь- зования отличной теплопроводно- сти углеродных нанотрубок, намного превышающей теплопроводность любых других материалов [9–12]. В одной из разработок для улучшения теплоотвода от транзистора высокой мощности применили микроканаль- ную систему жидкостного охлаждения, использующуюматрицу из углеродных нанотрубок. Применяя в качестве охлаждающей жидкости поток воды, удалось добиться улучшения эффектив- ности охлаждения на 15 Вт·см 2 [13–14]. В работе [15] сообщается об исполь- зовании для охлаждения кремниевых чипов нанотрубок, интегрирован- ных непосредственно на компонен- ты. Этот метод не мог быть реализо- ван ранее из-за проблем, связанных с интеграцией нанотрубочных струк- тур прямо на чипы. Данные проблемы вызваны тем, что обычные температу- ры выращивания нанотрубок намно- го превышают температуры, которые способны выдерживать функциональ- ные кремниевые элементы микропро- цессоров. Целью настоящей работы являет- ся снижение теплового сопротивле- ния, повышение кондуктивной тепло- проводности и эффективности отвода тепла от тепловыделяющего активного элемента ГИС к теплосъемнику за счёт повышения уровня тепловых харак- теристик керамики из нитрида алю- миния с помощью осаждённых на её поверхностях слоёв вертикально ори- ентированных углеродных нанотрубок, пропитанных кремнием и покрытых металлизационными слоями. И СХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА В экспериментах использовались пластины из керамики на основе нитрида алюминия в виде диска диаме- тром 17,7 мм и толщиной 2,0 мм и тол- стые плёнки, состоящие из многостен- ных углеродных нанотрубок (MУНТ) высотой 0,5 мм. Эти плёнки были выращены методом каталитическо- го химического осаждения из газовой фазы (CVD) при использовании смеси газов, состоящей из 2–5–10 мас.%-го раствора ферроцена в толуоле. Для про- питки МУНТ жидким кремнием (сили- цирования) использовались пластины монокристаллического кремния марки КЭФ. Для соединения элементов меж- ду собой напылялось многослойное металлизационное покрытие, состо- ящее из адгезионного подслоя хро- ма толщиной 0,3...0,5 мкм и слоя меди толщиной 7...8 мкм, которые покрыва- лись гальваническим золотом толщи- ной 1...3 мкм.