選擇正確的熱界面材料.doc

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1、選擇正確的熱界面材料微電子器件的熱控制中，芯片和散熱器間的熱界面材料層是高功耗器件封裝中熱流的最大障礙。選擇合適的材料來(lái)填充芯片和散熱器間的界面對(duì)半導(dǎo)體器件的性能和可靠性都十分重要。界面材料通過(guò)填充氣孔和密貼接合面不光滑表面形貌來(lái)降低發(fā)熱和散熱單元間接合面的接觸熱阻。在器件中有一些因素會(huì)影響到熱界面材料（TIM）層的性能，而熱界面材料的體熱導(dǎo)率是微電子應(yīng)用中選擇熱界面材料的一個(gè)常用的辨別條件；其它因素，例如能否達(dá)到所需的粘合層厚度，能否提供低的界面或接觸熱阻，和是否擁有長(zhǎng)期的性能可靠性也都相當(dāng)重要。根據(jù)應(yīng)用和熱界面材料類型的不同，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、介電性能、揮發(fā)物含量及

2、成本都可能需要成為選擇熱界面材料的考慮因素。熱界面材料一個(gè)附有熱沉及散熱器的倒扣芯片器件的剖面如圖1所示。芯片和散熱器間的熱界面層特別定義為“TIM-1”，散熱器和熱沉間的熱界面層通常定義為“TIM-2”。一些液狀材料如：粘合劑、硅脂、凝膠、相變材料和墊料都可具有TIM-1或TIM-2的功能，每一種液狀熱界面材料都有各自相應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。大部分熱界面材料都含一種聚合物基體，如環(huán)氧樹脂或硅樹脂，以及導(dǎo)熱填充材料如氮化硼、氧化鋁、鋁、氧化鋅以及銀。在本文中，對(duì)粘合材料系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例進(jìn)行了詳細(xì)的討論，然而，其原理也適用于其它的熱界面材料系統(tǒng)。圖1.?倒扣芯片器件中的TI

3、M-1和TIM-2層熱粘合劑：熱粘合劑是充滿顆粒的，由一或兩種材料組成，其典型的應(yīng)用方法是通過(guò)孔分散或模板印刷。聚合物的交聯(lián)使粘合劑產(chǎn)生固化，從而提供了粘合性能。熱粘合劑的優(yōu)點(diǎn)在于它們提供了結(jié)構(gòu)支撐，因此不再需要進(jìn)行額外的機(jī)械加固。熱硅脂：典型的熱硅脂是在硅樹脂油中摻入熱導(dǎo)填充劑。熱硅脂不需要固化，它的流動(dòng)性使其與其它界面密接，而且形成的熱界面層還具有可返修性。在經(jīng)歷隨后的工藝和一定時(shí)間后，硅脂性能有可能發(fā)生退化、吸出或干透，這些都會(huì)使使硅脂熱界面材料系統(tǒng)的導(dǎo)熱性能受到很大的影響。熱凝膠：凝膠是低楊氏模量、弱交聯(lián)的糊狀材料。它與熱硅脂類似具有良好的與界面密接性，但

4、減少了材料吸出量。相變材料（PCM）：相變材料在熱應(yīng)用中經(jīng)歷了從固態(tài)到半固態(tài)的轉(zhuǎn)變。這種材料在芯片工作條件下處于液態(tài)相。相變材料具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括與接合面的密接性和不凝固性等。熱墊：熱墊通常用摻熱導(dǎo)填充劑的非強(qiáng)化的硅樹脂來(lái)壓模制造。導(dǎo)熱墊的增強(qiáng)體包括了玻璃織物、金屬薄片及聚合物薄膜。熱墊是預(yù)先按規(guī)格裁剪并具有填充間隙的功能。它們擁有有限的導(dǎo)熱性能，然而對(duì)外加壓力很敏感。熱界面材料的性能度量熱界面材料導(dǎo)熱性能的參數(shù)有表觀或?qū)崟r(shí)的熱導(dǎo)率、熱阻和熱阻抗等。熱導(dǎo)率是材料的一種性質(zhì)，它描述一種材料在熱量進(jìn)入材料后傳導(dǎo)熱量的能力。然而，表觀或?qū)崟r(shí)熱導(dǎo)率考慮的是熱界面材料TIM

5、層與各界面間的界面熱阻或接觸熱阻，表觀或?qū)崟r(shí)熱導(dǎo)率是熱界面材料層TIM層性能的一個(gè)更精確的反映。熱阻和熱阻抗可互換使用，然而二者都表示了熱流通過(guò)界面的阻力。描述熱阻或熱阻抗的單位是℃/W或mm2K/W（或in.2C/W），單位mm2K/W（orin.2C/W）是℃/W的值在整個(gè)接觸區(qū)域歸一化的結(jié)果。整個(gè)熱界面材料TIM層的熱阻是它在器件中所表現(xiàn)熱性能的一個(gè)精確描述。熱界面材料TIM層的總熱阻（或?qū)崟r(shí)熱阻）由體熱阻和接觸熱阻組成。圖2為兩個(gè)表層間熱界面材料TIM層的剖面，顯示了體和界面接觸部分。體熱阻是熱界面材料粘合層厚度（BLT）和體熱導(dǎo)率的函數(shù)。接觸熱阻存在于熱

6、界面材料與半導(dǎo)體器件之間，以及熱界面材料與散熱器之間的界面。界面（接觸）熱阻決定于接合面的表面特性、熱界面材料與表面形貌密接性，以及在界面處形成無(wú)空洞和無(wú)填充料耗盡的TIM層的特性。另外一個(gè)對(duì)界面熱阻有貢獻(xiàn)的因素是聲子散射，它由兩種界面連接材料不同的材料性質(zhì)引起。通過(guò)降低TIM粘合層厚度、減小界面熱阻和增加界面材料的體熱導(dǎo)率都可減小整個(gè)界面材料層系統(tǒng)的熱阻。圖2.?熱界面材料層的剖面圖實(shí)時(shí)熱性能的測(cè)量在研究和使用熱界面材料時(shí)，需要一種合適的測(cè)量系統(tǒng)來(lái)對(duì)熱界面材料的性能進(jìn)行精確的系統(tǒng)級(jí)的或?qū)崟r(shí)的測(cè)量。一個(gè)僅僅能提供熱界面材料體熱導(dǎo)率的測(cè)量系統(tǒng)不能完全認(rèn)識(shí)在最終使用環(huán)

7、境下熱界面材料的性能。在圖3顯示的例子中，標(biāo)繪了五種熱界面材料的實(shí)時(shí)熱阻和體熱導(dǎo)率，所有這些熱界面材料都是在相似的條件下進(jìn)行組裝并測(cè)量的。隨著體熱導(dǎo)率的上升，預(yù)期中時(shí)熱阻會(huì)不斷下降，然而實(shí)際的情況并不是一直如此。TIM-C的實(shí)時(shí)熱阻比TIM-D和TIM-E的小，但后兩者的體熱導(dǎo)率都更大。另外，TIM-B和TIM-D的實(shí)時(shí)熱阻相似，但TIM-D的體熱導(dǎo)率卻接近于TIM-B的兩倍。圖3.實(shí)時(shí)熱阻和體熱導(dǎo)率已經(jīng)有一些基于美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)化儀器和某些公司專用的熱測(cè)量系統(tǒng)。全面認(rèn)識(shí)熱測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量能力和其相關(guān)不確定性對(duì)于精確分析熱數(shù)據(jù)并推廣至實(shí)際的器

8、件環(huán)境中是