熱管理封裝材料第四組

1、熱管理封裝材熱管理封裝材料的現(xiàn)狀及其料的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì) 第四組第四組摘要 電子元器件的微型化及多功能化對(duì)器件的散熱性提出了更高要求。器件的散熱問(wèn)題 已成為迅速發(fā)展的電信產(chǎn)業(yè)面臨的技術(shù)“ 瓶頸” 。介紹了國(guó)內(nèi)外電子工業(yè)中已使用和正在開發(fā)研制的三代熱管理材料的種類和性能特點(diǎn)，總結(jié)了各階段熱管理材料的現(xiàn)狀及其研究進(jìn)展，表明高性能熱管理材料需具備低密度、高導(dǎo)熱、與半導(dǎo)體及芯片材料膨脹匹配、相當(dāng)大的硬度及良好的氣密性等性能特點(diǎn)。 科技的發(fā)展使得電子設(shè)備、系統(tǒng)進(jìn)展迅速。然而，任何電子器件及電路在工作中都不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量的熱，要提高電子產(chǎn)品的性能及可靠性，就必須使產(chǎn)生的熱量降低至最小。運(yùn)用熱力

2、學(xué)原理提高整個(gè)系統(tǒng)或裝置的能量利用率、 減少?gòu)U熱排散、 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性的相關(guān)技術(shù)， 通過(guò)分析和模擬來(lái)管理這些熱量通常稱為熱管理。在需要熱管理解決的眾多問(wèn)題中， 熱管理材料應(yīng)運(yùn)而生。我們將針對(duì)熱管理材料的研究進(jìn)展及其相關(guān)性能進(jìn)行論述 。熱管理材料的定義和性能要求 從熱管理的角度研究電子封裝用的材料，通過(guò)調(diào)整成分增大系統(tǒng)功率輸出的材料稱之為熱管理材料。現(xiàn)代電子封裝的發(fā)展趨勢(shì)是微型化和多功能。根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，在較小封裝內(nèi)放置器件越多，其熱密度越大。以Intel為例，第一代微處理器 4004 只有 2300個(gè)晶體管 ，奔騰 4微處理器有 42107 個(gè)晶體管。另外，工作的電子器件與周

3、圍空氣的溫差是一個(gè)常數(shù)，但器件內(nèi)熱密度的增大導(dǎo)致其本身溫升值變大。而通道尺寸減小引起的功率密度增大會(huì)引發(fā)設(shè)備內(nèi)電子一聲子不平衡。同時(shí)，器件溫度升高通常會(huì)改變其電學(xué)參數(shù)及可靠性。具有高導(dǎo)熱能力的材料可協(xié)調(diào)逐漸增大的功率密度與周圍環(huán)境的溫差，從而達(dá)到高效散熱并降低與芯片材料熱膨脹系數(shù)不匹配性的目的。 綜上所述，高性能的熱管理材料需要有與半導(dǎo)體或芯片材料匹配的熱膨脹系數(shù)，高的熱導(dǎo)率，具有一定硬度且氣密性優(yōu)異，從而實(shí)現(xiàn)提供機(jī)械支持、 與下一級(jí)封裝互連、 形成密封環(huán)境及提供熱量耗散途徑的目的。四個(gè)決定封裝熱阻的因素 封裝的總熱阻幾乎全部由以下所決定: 1.封裝結(jié)構(gòu) 2.封裝尺寸 3.芯片尺寸 4.空氣流

4、動(dòng)率 每個(gè)因素對(duì)熱阻的影響如下： 1. 封裝結(jié)構(gòu) 封裝有不同類型, 每種都有不同的熱阻特性。諸如ABGA和FCBGA,特有的銅蓋設(shè)計(jì)使得芯片直接貼于導(dǎo)熱膏上, 提供了出色的熱阻特性。PGBA的情況, 通過(guò)采用4層基板代替2層基板的方法降低熱阻, 并且可以通過(guò)直接在熱通孔下放置錫球來(lái)進(jìn)一步降低熱阻。 2.封裝尺寸 通常, 封裝尺寸越大, 熱阻就越低。尤其對(duì)于ABGA和TBGA非常正確, 它們擁有一個(gè)銅蓋提供了出色的熱傳導(dǎo)特性。在較低熱傳導(dǎo)性的封裝情況如FPBGA時(shí), 熱阻和封裝尺寸之間的相關(guān)性較弱, 并且如果芯片尺寸相同的話, 不同尺寸的封裝其熱阻相差很小。 3. 芯片尺寸 硅的熱傳導(dǎo)性, 芯片

5、的制作材料, 大約是封入樹脂的100倍, 是封裝基板的10倍; 因此, 芯片本身的表面區(qū)域?qū)ι嶙鞒隽司薮蟮呢暙I(xiàn)。 4. 空氣流通率 空氣流通率對(duì)封裝本身的熱傳導(dǎo)性沒(méi)有直接聯(lián)系, 但是諸如通過(guò)采用風(fēng)扇吹冷風(fēng)的方法, 可以有效地帶走封裝表面或印刷線路版表面的熱量從而降低了熱阻。傳統(tǒng)的熱管理材料 電子元器件內(nèi)存在熱應(yīng)力及變形主要是由熱膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致的。因此，作為熱管理材料，熱膨脹系數(shù)及熱導(dǎo)率是其關(guān)鍵的考察指標(biāo)。半導(dǎo)體芯片材料及陶瓷封裝材料 常用的半導(dǎo)體芯片材料主要是Si和 GaAs。近年來(lái)，開發(fā)了很多新的半導(dǎo)體材料，以使其在更高頻率或溫度范圍內(nèi)獲得更好的性能，如 SiGe、SiC 、InP 、

6、 GaN 等。 GaAs遷移率很高，在高頻領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但是僅當(dāng)電路尺寸非常小時(shí)GaAs才能獲得最好的高頻性能。一般微電子組件中使用的GaAs芯片厚度為 0.05080.1524mm。SiGe是通過(guò)將Ge作為摻雜劑選擇性摻入晶體管基區(qū)的方法制備的。由SiGe制成的半導(dǎo)體高頻性能可與GaAs相比，其熱導(dǎo)率與 Si相近。SiC具有最大電子遷移速率，這允許器件在高頻下工作。 SiC由于其帶隙寬達(dá) 3.1eV (Si的帶隙僅為 1.1eV)，溫升很難破壞SiC半導(dǎo)體的性能，除了寬的帶隙外，SiC 還具有高的熱導(dǎo)率， 25時(shí)為 333W (m K)，200。C 時(shí)為 221W(m K)，因此SiC被用于

7、各種高溫 中。磷化銦(InP)是一種用 于高頻電子和光電子器件的新型化合物半導(dǎo)體材料，其熱導(dǎo)率相當(dāng)高，約為97W(m K)，這使它可用 于大功率密 度的應(yīng)用。氮化鎵(GaN)是一種正在開發(fā)的半導(dǎo)體，其帶隙寬，能夠有效地實(shí)現(xiàn)大功率并在高達(dá) 40G Hz的頻率下工作 ，熱導(dǎo)率為1632W(m K)， 功率密度可以是GaSb和InP的許多倍。第一代熱管理材料 傳統(tǒng)低熱膨脹系數(shù)材料如Cu-W、E LI -m o、CuInvarCu、 CuMoCu等，具有高密度和高熱導(dǎo)率，但不及金屬Cu、Al，被稱為第一代熱管理材料。表1所示為第一代熱管理材料的熱物理性能。由于電子器件質(zhì)量和熱導(dǎo)率是兩個(gè)重要考察指標(biāo)，故

8、定義熱導(dǎo)率與密度的比值為比熱導(dǎo)率，比熱導(dǎo)率越高，材料越優(yōu)異。 1.銅、鋁 在體積相同的情況下，除了銀之外，銅電導(dǎo)率最高 Cu可用于高熱導(dǎo)高電導(dǎo)的封裝 鋁及其合金重量輕、易加工，具有很高的熱導(dǎo)率 銅、鋁與芯片、基板嚴(yán)重的熱失配影響了它們的廣泛使用。 2.鉬 鉬在氣密性封裝中與可伐合金的環(huán)形框焊在一起作為氣密封裝的底座，其CTE為5.3510-6K，與可伐合金和 Al2O3的CTE 非常匹配。熱導(dǎo)率為138w(mK)，可用于很多中功率和大功率密度的器件封裝。鉬底座的主要缺點(diǎn)是表面平整度比較差及重結(jié)晶后出現(xiàn)脆性。 3.可伐合金Silvar合金 可伐合金含54Fe、29N i、17Co，與A I 2O

9、3、BeO、AlN 非常匹配，也稱之為 AMF-15合金，用作低功率密度單芯片 和多芯片的封裝底座。但可伐合金熱導(dǎo)率比較低，30時(shí)為16.5W(m K )，限制了其在大功率密度器件上的應(yīng)用。Silvar是一種由銀和鐵基合金組成的粉末冶金復(fù)合材料。一類Silvar由61 的Invar36和39Ag組成的各向同性可控復(fù)合材料，其CTE 為6510K，熱導(dǎo)率為153W(mK )，另一類Silvar由72可伐合金28Ag組成，其CTE為710-6K，熱導(dǎo)率為110 w(mK)。 4.WCu、MoCu合金 W-Cu 或Mo-Cu兩相復(fù)合材料作為熱沉材料的研究主要包括粉末處理、添加活性劑以提高合金的燒結(jié)密

10、度等。采用純度較高的粉末原料制備的均質(zhì)W-15Cu 合金熱導(dǎo)率可達(dá)200W(m K)， Mo-15Cu合金的可達(dá)160W(mK)。但是，隨著功率密度的進(jìn)一步增大和使用條件的更加苛刻，均質(zhì)W-Cu或Mo-Cu材料已不能滿足要求。日本學(xué)者首先提出了梯度功能結(jié)構(gòu)材料的概念， 并對(duì)W-Cu和MoCu梯度結(jié)構(gòu)功能材料進(jìn)行了大量研究。2000年文獻(xiàn)第一次報(bào)道了采用粉末冶金熔滲工藝制取各相異性鎢銅梯度材料的方法。 表2所示為W-Cu均質(zhì)復(fù)合材料及梯度復(fù)合材料性能表 。從該表可看出，銅含量一定時(shí)，梯度結(jié)構(gòu)功能材料的熱膨脹系數(shù)更小，熱導(dǎo)率更高。先進(jìn)熱管理材料 第一代熱管理材料用于散熱時(shí)，由于兼容設(shè)計(jì)而導(dǎo)致冷卻效

11、率降低。為了使熱應(yīng)力降至最低，聚合熱界面材料應(yīng)運(yùn)而生。熱界面材料是一種用于兩種材料問(wèn)的填充物，主要用于填補(bǔ)兩種材料接觸面問(wèn)的空隙，降低熱阻抗 ，增進(jìn)熱的傳遞效率。研究認(rèn)為，TIM對(duì)系統(tǒng)總熱阻的貢獻(xiàn)比例越來(lái)越大。采用低熱膨脹系數(shù)的“軟”焊料可降低TIM的高熱阻，從而減小器件內(nèi)產(chǎn)生的熱應(yīng)力。熱界面材料應(yīng)當(dāng)具有高熱傳導(dǎo)性、 表面潤(rùn)濕型、 低熱阻尼、適當(dāng)?shù)酿ば约翱芍貜?fù)使用性等特征，通常只有高分子材料能夠滿足以上要求，但是一般的高分子材料熱導(dǎo)率最好的也不超過(guò) 0.10.2w(mK)，往往需要添加導(dǎo)熱率較高的無(wú)機(jī)或金屬粉末來(lái)改善熱傳導(dǎo)Cr。 圖1所示是傳統(tǒng)熱管理材料及先進(jìn)熱管理材料的熱導(dǎo)率與熱膨脹系數(shù)關(guān)系

12、圖。 理想的熱管理材料應(yīng)當(dāng)具有極高的熱導(dǎo)率及與Si、InP、Al2O3、A1N及低溫LT CC等半導(dǎo)體或陶瓷相匹配的熱膨脹系數(shù)。從圖1可知，將金屬基、陶瓷、碳等與高導(dǎo)熱強(qiáng)化體，如特殊的碳纖維(簡(jiǎn)寫為C)、SiC粒子及金剛石顆粒結(jié)合起來(lái)即可制備出具有極高熱導(dǎo)率和寬的熱膨脹系數(shù)范圍的新材料。目前，這些新材料主要有高取向熱解石墨(H O PG )及一些采用碳纖維、硼纖維、Si C顆粒、A1N顆粒等作為增強(qiáng)體制成的復(fù)合材料，如碳纖維碳 (CC)、碳纖維Cu (CCu)、sicCu等，而以金剛石顆粒為增強(qiáng)體的金屬及陶瓷熱導(dǎo)率最高。 根據(jù)熱導(dǎo)率的高低，將先進(jìn)熱管理材料分為第二代和第三代， 其中，第二代熱管

13、理材料的熱導(dǎo)率k滿足300k 400w(mK)， 而第三代熱管理材料的熱導(dǎo)率則不低于400w(mK)。表3、4所示為第二代、第三代熱管理材料的熱物理性能。 另?yè)?jù)相關(guān)報(bào)道，國(guó)外一些公司已開始利用原料價(jià)格較低的金剛石單晶來(lái)制備金剛石塊體材料，已知的產(chǎn)品有金剛石一Ag、金剛石一Al、金剛石一Cu等，其熱導(dǎo)率分別高達(dá)500 650W(mK)、350500W(mK)、400700 w(mK)，熱膨脹系數(shù)分別為(58)10-6K、(79)10-5K、(47)10-6K，密度分別為6gcm3。3gcm3。6gcm3。研究還表明，這些金剛石金屬系列復(fù)合材料機(jī)加工很難，連接性能很好，將來(lái)可被廣泛用于光電子、 微

14、電子、 激光、 功率模塊、 高終端服務(wù)器等。發(fā)展趨勢(shì) 隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，電子元器件的復(fù)雜性和集成度日益提高，對(duì)熱管理材料的要求更為苛刻。熱管理材料發(fā)展方興未艾，潛力巨大。近年來(lái)，國(guó)外一些大公司研制的部分第三代熱管理材料已列入商業(yè)化進(jìn)程，市場(chǎng)前景良好。從表24中定義的比熱導(dǎo)率值可以看到，先進(jìn)熱管理材料將以高導(dǎo)熱、良好熱膨脹匹配、低密度及功能結(jié)構(gòu)一體化為發(fā)展方向。如采用具有低膨脹高熱導(dǎo)且密度小的增強(qiáng)相，如碳纖維、石墨等，可獲得輕型高強(qiáng)高導(dǎo)的復(fù)合材料，從而對(duì)于航空航天飛行器的機(jī)載電子產(chǎn)品減重意義重大。 此外，熱管理材料是大功率散熱應(yīng)用中的關(guān)鍵材料， 國(guó)內(nèi)對(duì)熱管理材料的需求相當(dāng)大，但由于熱管理材料研究發(fā)展起步較晚，相關(guān)的基礎(chǔ)研究也比較缺乏，亟待開發(fā)和完善熱管理