熱界面材料的最新進(jìn)展（一）

熱設(shè)計 2021-01-21

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近年來，小型化、集成化已成為電子設(shè)備的發(fā)展趨勢。隨著電子設(shè)備功率的不斷增加，產(chǎn)生的熱量急劇增加。

熱界面材料（Thermal Interface Material, TIM）能夠有效改善兩個固體界面之間的傳熱，對電子設(shè)備的性能、使用壽命和穩(wěn)定性起著重要的作用。在這種情況下，對熱管理提出了更高的要求，TIM的創(chuàng)新和優(yōu)化也備受關(guān)注。

本文綜述了TIM的最新研究進(jìn)展，討論了應(yīng)用廣泛的高分子材料的流變性建模與設(shè)計，討論了導(dǎo)熱填料對復(fù)合材料性能的影響。許多研究表明，一些高熱導(dǎo)率和低損耗陶瓷填充聚合物很適合用于電子器件封裝。

制備用于電子封裝的高導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料一直是人們關(guān)注的問題。最后對存在的問題進(jìn)行了討論，并對未來的研究方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：熱界面材料；熱導(dǎo)率；熱管理；建模

介紹

什么是熱界面材料?

近年來，小型化、集成化已成為電子設(shè)備的發(fā)展趨勢。隨著電子設(shè)備功率的不斷增加，產(chǎn)生的熱量急劇增加[1-5]。

由于形貌上的粗糙度，當(dāng)兩個實體表面相連接時，只有表面的一小部分有實際接觸[6-10]，其余的區(qū)域?qū)⒈灰粋€充滿空氣的空隙隔開，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)（0.026 W/mK）比金屬的導(dǎo)熱系數(shù)低4個數(shù)量級，所以通過空氣的界面?zhèn)鳠峥梢院雎圆挥嫛?/p>

大量的熱流將通過實際的接觸點，這是一個嚴(yán)重的熱瓶頸，即使是非常低粗糙度的基板。如圖1所示，其本身表現(xiàn)為界面上的溫度差。因此，TIM被放置在兩個相匹配的表面之間，以增加界面上的熱導(dǎo)。

圖1 TIM的工作原理示意圖。

缺少TIM的界面會有非常集中的熱流，導(dǎo)致界面具有大幅度溫差。TIM填補(bǔ)了空隙，降低了界面上的溫差。

TIM通常由一種柔順的材料制成，可以填充兩個表面之間的空隙，從而增加有效接觸面積。

理想的TIM只會用導(dǎo)熱材料填充界面上的現(xiàn)有空隙，而實際應(yīng)用中，TIM層會在兩個接觸面之間產(chǎn)生間隙，但與環(huán)境流體相比，TIM導(dǎo)熱系數(shù)的提高仍然會對界面?zhèn)鳠嵊泻艽蟮母纳啤?/p>

在電子封裝中，TIMs通常用于兩種固體材料之間的所有接觸界面。通常這些界面產(chǎn)生在發(fā)熱器件和集成散熱器（IHS）之間，以及IHS和散熱片之間。這兩個TIM的應(yīng)用分別稱為TIM1和TIM2，如圖2所示。

圖2 具有兩個TIMs的典型球柵陣列（BGA）電子封裝示意圖。

熱量通過BGA芯片的背面?zhèn)鲗?dǎo)，芯片和IHS之間，以及IHS和散熱器之間都存在TIMs。不同應(yīng)用的TIM分別稱為TIM1和TIM2。

封裝類型有TIM直接連接裸片和散熱器的封裝，及芯片和散熱器之間有兩種以上TIM的封裝[11]。TIM的熱性能通常根據(jù)其界面熱阻（RTIM）來評估，界面熱阻是衡量熱在界面上消散困難程度的指標(biāo)。根據(jù)傅里葉定律，與界面上的溫度差（?T）有關(guān)，為?T=RTIM Q，其中Q為熱通量。界面熱阻的最小化是TIM發(fā)展的一個主要目標(biāo)。

界面熱阻可被劃分為阻性元件，對于一個典型的TIM：

RTIM 是總界面熱阻，Rc1和Rc2分別是TIM兩面和基片之間的接觸熱阻，λTIM為TIM的導(dǎo)熱系數(shù)，BLT為粘結(jié)層厚度，如TIM的厚度。根據(jù)TIM的類型和應(yīng)用，方程的不同項或多或少會對總體性能產(chǎn)生影響，在選擇或設(shè)計TIM時，確定要優(yōu)化哪些參數(shù)非常重要。

Rc—在基片和TIM之間，有一個取決于熱接觸的熱阻。這種接觸熱阻取決于TIM與襯底的貼合程度和空隙填充的程度，它受TIM的順應(yīng)性以及對基片的浸潤程度的影響，并可以非常依賴于對TIM施加的壓力。兩種不同的材料，即使具有原子級光滑的表面，由于界面上的聲子或電子散射也會存在邊界熱阻，這種效應(yīng)被稱為卡皮查熱阻。

TIM 的BLT是兩個表面分離程度的度量，即TIM的厚度。由于TIM的導(dǎo)熱系數(shù)仍然明顯低于任何一種基底，因此希望盡量減少BLT，更低的BLT意味著更少的材料使用，通常也會花費更低的成本。

理想情況下，TIM只填充原始界面中的空白，但在實際操作中，由于不均勻的TIM覆蓋，以及由于熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配導(dǎo)致的熱循環(huán)過程中的可靠性問題，很薄的粘合層可能導(dǎo)致空洞。

對于液體形式的TIMs，BLT不僅受到材料數(shù)量的影響，還受到材料粘度和夾緊壓力的影響。此外，對于填充了固體顆粒的TIM，填充劑的大小可以限制BLT的厚度；對于作為襯墊應(yīng)用的TIM, BLT受到操作和機(jī)械要求的限制。

TIM的導(dǎo)熱系數(shù)（λ）是衡量材料本身導(dǎo)熱性能的參數(shù)，高導(dǎo)熱系數(shù)的重要性與BLT成正比，即對于非常低的粘結(jié)層厚度，接觸熱阻占主導(dǎo)地位，而對于較厚的TIMs導(dǎo)熱系數(shù)成為一個關(guān)鍵參數(shù)。

近年來，行業(yè)內(nèi)對降低RTIM有很大的動力，芯片的熱流是不均勻的[13,14]，因為內(nèi)核和緩存都在同一個裸片上。大部分能量從芯片的一個非常小的區(qū)域——內(nèi)核消散，但即使在內(nèi)核內(nèi)部，熱通量（q）也是不均勻的。

Mahajan[13]等討論了裸片熱通量不均勻的問題，并證明冷卻方案不僅需要保持芯片平均溫度值低于設(shè)計點,同樣重要的是維持最熱處的溫度值也低于一定的設(shè)計點。因此，芯片附近的熱問題非常嚴(yán)重。非均勻發(fā)熱的總熱阻可以寫成[15]：

Ψj-a是結(jié)到環(huán)境熱阻, Rjc為裸片均勻發(fā)熱情況下結(jié)到封裝熱阻, Ψcs為封裝到散熱片的熱阻, Ψsa散熱片到環(huán)境的熱阻。式（2）中的DF稱為“密度因子”，它可以解釋q和裸片尺寸的不均勻性。DF的單位是cm-2，對于1cm2均勻發(fā)熱的芯片，DF等于1。

對于大多數(shù)微處理器來說，由于q的高度不均勻性和裸片尺寸小的原因，DF通常大于1；但是理論上，對于尺寸非常大的裸片，DF可以接近零。根據(jù)式（2）, Rjc和DF的減少會導(dǎo)致Ψj-a降低；如果DF大于1, Rjc的降低會導(dǎo)致Ψj-a更大的降低。由于Rjc主要是TIM的熱阻，這使得電子器件冷卻行業(yè)又更大的動力開發(fā)更好的TIMs。

理想的TIM應(yīng)該由具有高導(dǎo)熱性和低接觸熱阻的薄粘結(jié)層材料組成。然而，除了界面熱阻之外，在選擇或設(shè)計TIM時還需要考慮許多其他參數(shù)。如TIM是否具有電絕緣性、機(jī)械性能相關(guān)的參數(shù)，這些參數(shù)將影響其操作性和可靠性。TIM可以是液態(tài)或固態(tài)，可以有不同的操作方式。

液態(tài)狀TIM有點不好處理和BLT不確定, 但如果粘度足夠低，通常能夠滲入孔隙；而作為襯墊應(yīng)用就非常簡單，但可能無法與基底很好的吻合。一致性參數(shù)的重要性取決于襯底的粗糙度和平整度。

操作過程中，液態(tài)TIMs的易受影響對其可靠性有負(fù)面效果。在熱循環(huán)過程中，封裝會發(fā)生機(jī)械形變，導(dǎo)致TIM進(jìn)一步擴(kuò)散，材料最終從表層間擠出，這種泵出效應(yīng)是TIM的一個重要問題。另一個需要考慮的是TIM能否作為粘合劑，或是否需要外部壓力。

液態(tài)TIM在操作過程中需要施加壓力與整個器件系統(tǒng)結(jié)合在一起，同時也取決于TIM的粘度。固態(tài)TIMs在處理和操作過程中通常都需要很大的壓力才能使其與基底符合。另一方面，也有TIMs作為兩個基片的粘合劑，盡管會有分層導(dǎo)致的可靠性問題，但在操作過程中不需要任何外部壓力。