选择正确的热界面材料.doc

选择正确的热界面材料微电子器件的热控制中，芯片和散热器间的热界面材料层是高功耗器件封装中热流的最大障碍。选择合适的材料来填充芯片和散热器间的界面对半导体器件的性能和可靠性都十分重要。界面材料通过填充气孔和密贴接合面不光滑表面形貌来降低发热和散热单元间接合面的接触热阻。在器件中有一些因素会影响到热界面材料（TIM）层的性能，而热界面材料的体热导率是微电子应用中选择热界面材料的一个常用的辨别条件；其它因素，例如能否达到所需的粘合层厚度，能否提供低的界面或接触热阻，和是否拥有长期的性能可靠性也都相当重要。根据应用和热界面材料类型的不同，其结构强度、介电性能、挥发物含量及成本都可能需要成为选择热界面材料的考虑因素。热界面材料一个附有热沉及散热器的倒扣芯片器件的剖面如图1所示。芯片和散热器间的热界面层特别定义为“TIM-1”，散热器和热沉间的热界面层通常定义为“TIM-2”。一些液状材料如：粘合剂、硅脂、凝胶、相变材料和垫料都可具有TIM-1或TIM-2的功能，每一种液状热界面材料都有各自相应的优点和缺点。大部分热界面材料都含一种聚合物基体，如环氧树脂或硅树脂，以及导热填充材料如氮化硼、氧化铝、铝、氧化锌以及银。在本文中，对粘合材料系统的一个实例进行了详细的讨论，然而，其原理也适用于其它的热界面材料系统。图1.倒扣芯片器件中的TIM-1和TIM-2层热粘合剂：热粘合剂是充满颗粒的，由一或两种材料组成，其典型的应用方法是通过孔分散或模板印刷。聚合物的交联使粘合剂产生固化，从而提供了粘合性能。热粘合剂的优点在于它们提供了结构支撑，因此不再需要进行额外的机械加固。热硅脂：典型的热硅脂是在硅树脂油中掺入热导填充剂。热硅脂不需要固化，它的流动性使其与其它界面密接，而且形成的热界面层还具有可返修性。在经历随后的工艺和一定时间后，硅脂性能有可能发生退化、吸出或干透，这些都会使使硅脂热界面材料系统的导热性能受到很大的影响。热凝胶：凝胶是低杨氏模量、弱交联的糊状材料。它与热硅脂类似具有良好的与界面密接性，但减少了材料吸出量。相变材料（PCM）：相变材料在热应用中经历了从固态到半固态的转变。这种材料在芯片工作条件下处于液态相。相变材料具有几个优点，包括与接合面的密接性和不凝固性等。热垫：热垫通常用掺热导填充剂的非强化的硅树脂来压模制造。导热垫的增强体包括了玻璃织物、金属薄片及聚合物薄膜。热垫是预先按规格裁剪并具有填充间隙的功能。它们拥有有限的导热性能，然而对外加压力很敏感。热界面材料的性能度量热界面材料导热性能的参数有表观或实时的热导率、热阻和热阻抗等。热导率是材料的一种性质，它描述一种材料在热量进入材料后传导热量的能力。然而，表观或实时热导率考虑的是热界面材料TIM层与各界面间的界面热阻或接触热阻，表观或实时热导率是热界面材料层TIM层性能的一个更精确的反映。热阻和热阻抗可互换使用，然而二者都表示了热流通过界面的阻力。描述热阻或热阻抗的单位是℃/W或mm2K/W（或C/W），单位mm2K/W（orC/W）是℃/W的值在整个接触区域归一化的结果。整个热界面材料TIM层的热阻是它在器件中所表现热性能的一个精确描述。热界面材料TIM层的总热阻（或实时热阻）由体热阻和接触热阻组成。图2为两个表层间热界面材料TIM层的剖面，显示了体和界面接触部分。体热阻是热界面材料粘合层厚度（BLT）和体热导率的函数。接触热阻存在于热界面材料与半导体器件之间，以及热界面材料与散热器之间的界面。界面（接触）热阻决定于接合面的表面特性、热界面材料与表面形貌密接性，以及在界面处形成无空洞和无填充料耗尽的TIM层的特性。另外一个对界面热阻有贡献的因素是声子散射，它由两种界面连接材料不同的材料性质引起。通过降低TIM粘合层厚度、减小界面热阻和增加界面材料的体热导率都可减小整个界面材料层系统的热阻。图2.热界面材料层的剖面图实时热性能的测量在研究和使用热界面材料时，需要一种合适的测量系统来对热界面材料的性能进行精确的系统级的或实时的测量。一个仅仅能提供热界面材料体热导率的测量系统不能完全认识在最终使用环境下热界面材料的性能。在图3显示的例子中，标绘了五种热界面材料的实时热阻和体热导率，所有这些热界面材料都是在相似的条件下进行组装并测量的。随着体热导率的上升，预期中时热阻会不断下降，然而实际的情况并不是一直如此。TIM-C的实时热阻比TIM-D和TIM-E的小，但后两者的体热导率都更大。另外，TIM-B和TIM-D的实时热阻相似，但TIM-D的体热导率却接近于TIM-B的两倍。图3.实时热阻和体热导率已经有一些基于美国材料与试验协会（ASTM）标准的商业化仪器和某些公司专用的热测量系统。全面认识热测量系统的测量能力和其相关不确定性对于精确分析热数据并推广至实际的器件环境中是很重要的。一种激光闪