集成電路封裝材料-熱界面材料

熱界面材料包封保護材料-環(huán)氧模塑料復(fù)習(xí)：包封保護材料-底部填充料包封保護材料-NCP/NCFThermal

Management:熱管理學(xué)科專門研究各種電子設(shè)備的安全散熱方式、散熱裝置及所使用的材料。

散熱問題成為限制功率密度和可靠性的瓶頸。TIM：一般也稱為導(dǎo)熱界面材料和界面導(dǎo)熱材料，是一種廣泛應(yīng)用于IC熱管理的材料。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，兩種異質(zhì)材料接觸面或結(jié)合面會產(chǎn)生微空隙、界面表面會有凹凸不平的孔洞等幾何缺陷，TIM可以填充這些空隙及孔洞，減小傳熱的接觸熱阻，達到提高散熱目的。TIM一般由彈性體材料混合填充導(dǎo)熱填料制成，是基于高分子（大分子）的復(fù)合材料。目錄5.1TIM在先進封裝中的應(yīng)用5.2TIM類別和材料特性5.3新技術(shù)與材料發(fā)展5.1

TIM在先進封裝中的應(yīng)用微觀表面粗糙度固體表面大部分區(qū)域是被空氣隔開的，空氣熱導(dǎo)率0.024W/(m·K)接觸熱阻較大，不易將熱量排散圖5-1熱界面材料的工作原理及分類5.1

TIM在先進封裝中的應(yīng)用根據(jù)所處位置，分為TIM1和TIM2TIM1又稱一級TIM，是芯片與封裝外殼之間的熱界面材料，與發(fā)熱量極大的芯片直接接觸，要求TIM1材料具有低熱阻和高熱導(dǎo)率，CTE與硅片匹配。TIM2又稱二級TIM，是封裝外殼與熱沉之間的TIM。TIM2相對TIM1要求低。

TIM1需要具備電絕緣性能，以防止電子元器件短路，一般多為聚合物基復(fù)合材料；

TIM2沒有電絕緣性能要求，一般多為碳基TIM。5.1

TIM在先進封裝中的應(yīng)用高熱導(dǎo)率是選擇TIM的初始考量參數(shù)。其次是黏接性能及浸潤性能。使用溫度范圍也非常重要，其使用溫度范圍應(yīng)大于電子元器件的工作溫度范圍。同時要保證TIM在電子元器件工作溫度范圍內(nèi)具有好的穩(wěn)定性和高的可靠性。使用時施加一定壓力，降低接觸電阻；使用時空氣能非常容易地從TIM逸出；TIM與固體界面的黏接力學(xué)性能，易返修性能。5.1

TIM在先進封裝中的應(yīng)用TIM1，主流產(chǎn)品一般是高導(dǎo)熱性能粉體填充于含硅或非硅聚合物液體或相變聚合物，形成漿狀、泥狀、膏狀或薄膜狀復(fù)合材料，如導(dǎo)熱膏、導(dǎo)熱膠、相變材料。報道材料，低于10W/(m·K)，界面熱阻大于0.05K·cm2/W，商業(yè)化一般低于6W/(m·K)，熱阻大于0.1K·cm2/W，不能滿足高功率密度電子元器件散熱需求。5.1

TIM在先進封裝中的應(yīng)用陣列式填料，CNT，石墨烯，金屬納米線，與高分子聚合物復(fù)合，其熱導(dǎo)率達數(shù)百W/(m·K)，且可重復(fù)使用。缺點是熱阻高，絕緣性差。分為導(dǎo)電和非導(dǎo)電兩種類型，適合不同的應(yīng)用場合。高壓、高功率電子元器件散熱一般要求TIM具有高導(dǎo)熱性、低熱阻同時滿足絕緣要求，避免工作時電擊穿、信號衰減。5.1

TIM在先進封裝中的應(yīng)用TIM2，常用材料包括石墨片、金剛石等碳基高導(dǎo)熱性材料，石墨片、金剛石熱導(dǎo)率達1000~2000W/(m·K)。有報道稱單層石墨烯橫向熱導(dǎo)率可達5000W/(m·K)，當(dāng)其附著于基板時，會降低到600W/(m·K)，大大限制散熱效果。要研究碳基材與基板間的傳熱機理，提高橫向TIM的整體熱導(dǎo)率。

5.1

TIM在先進封裝中的應(yīng)用TIM廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域，如計算機、消費類設(shè)備、電信基礎(chǔ)設(shè)施、LED照片產(chǎn)品、可再生能源、汽車、軍事/工業(yè)設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備等。TIM材料企業(yè)：漢高（Henkel）和固美麗（Parker-Chomerics），約占一半市場份額。漢高、固美麗、萊爾德科技（Laird

Technologies）、貝格斯（BERGQUIST，2014被沒高收購）、陶氏化學(xué)（DowChemical）、日本信越（ShinEstu）、富士電機（FujiElectric）。5.1

TIM在先進封裝中的應(yīng)用萊爾德科技、貝格斯產(chǎn)品線設(shè)備齊全；固美麗主要做相變材料；富士電機側(cè)重模組應(yīng)用，產(chǎn)品熱導(dǎo)率高；陶氏化學(xué)主要做導(dǎo)熱硅脂。國外產(chǎn)品幾乎壟斷高端產(chǎn)品市場。國內(nèi)：煙臺德邦科技有限公司、深圳傲川科技有限公司、浙江三元電子科技有限公司、依美集團，技術(shù)及產(chǎn)品目前處于初級發(fā)展階段，產(chǎn)品各有側(cè)重。5.2

TIM類別和材料特性按導(dǎo)電性：分絕緣型和導(dǎo)電型按組成：單組分和雙組分按構(gòu)成成分：有機型、無機型和金屬型；按特性差異及發(fā)展：導(dǎo)熱膏、導(dǎo)熱墊片、相變材料、導(dǎo)熱凝膠、導(dǎo)熱灌封膠、導(dǎo)熱膠帶和黏接劑。導(dǎo)熱膏、導(dǎo)熱墊片、相變材料市場產(chǎn)量高，應(yīng)用廣泛。5.2

TIM類別和材料特性圖5-2常用的熱界面材料5.2

TIM類別和材料特性圖5-3熱界面材料分類5.2

TIM類別和材料特性分類熱導(dǎo)率/［W/（m·K）］鍵合厚度/μm界面熱阻（10－2K·cm2/W）可重復(fù)性可替代性導(dǎo)熱膏0.4～420～15010～200否中導(dǎo)熱墊片0.8～3200～1000100～300是優(yōu)相變材料0.7～1.520～15030～70否中導(dǎo)熱凝膠2～575～25040～80否中導(dǎo)熱膠帶1～250～20015～100否差表5-1典型熱界面材料及其特性5.2.1

導(dǎo)熱膏5.2.2導(dǎo)熱墊片5.2.3相變材料5.2.4導(dǎo)熱凝膠5.2.5導(dǎo)熱膠帶5.2.6導(dǎo)熱灌封膠5.2

TIM類別和材料特性5.2.1

導(dǎo)熱膏又稱導(dǎo)熱硅脂（ThermalGrease），是一種傳統(tǒng)的散熱材料，界面熱阻為0.2~1.0K·cm2/W。呈液態(tài)或膏狀，具有一定流動性，在一定壓強下（100~400Pa）下可以在兩個固體表面間形成一層很薄的膜，能極大地降低異質(zhì)表面間的熱阻?？捎糜谖⒉ㄍㄐ拧⑽⒉▊鬏斣O(shè)備、微波專用電源等微波器件及晶體管、中央處理器、熱敏電阻、溫度傳感器等。5.2.1

導(dǎo)熱膏除導(dǎo)熱外，還起到防潮、防塵、減震等作用。圖5-4輔助中央處理器散熱的導(dǎo)熱膏5.2.1

導(dǎo)熱膏常用基體，聚二甲基硅氧烷和多元醇酯。導(dǎo)熱填料：AlN或ZnO，也可以選BN，Al2O3，SiC或銀，石墨，鋁粉及鑫剛石粉末。導(dǎo)熱膏工藝操作簡單，不需要固化，成本較低。使用前，首先通過靜置、加壓或真空排泡等去除導(dǎo)熱膏中夾帶的少量空氣，然后將被涂覆元器件表面擦洗干凈至無雜質(zhì)，用刮刀、刷子等工具直接涂覆導(dǎo)熱膏即可。5.2.1

導(dǎo)熱膏市場份額最大，導(dǎo)熱率高；使用過程需要很小的扣合壓力；與基材潤濕性好，有利于空氣排出，達到提高整體導(dǎo)熱性目換。問題：具有流動性，容易溢出污染，且不易清潔，對使用者親和力差；多次循環(huán)后基體材料容易出現(xiàn)分離，出現(xiàn)溢油現(xiàn)象，易隨時間干涸。5.2.2

導(dǎo)熱墊片又稱導(dǎo)熱硅膠片、導(dǎo)熱硅膠墊、電絕緣導(dǎo)熱片或軟性散熱墊等，通常以硅橡膠為高分子聚合物基體，以高導(dǎo)熱性的無機顆粒為填料合成的片狀熱界面材料。主要應(yīng)用于填充發(fā)熱元器件和散熱片或金屬底座之間的空隙，完成兩者之間的熱傳遞，同時起減震、絕緣、密封作用。5.2.2

導(dǎo)熱墊片圖5-5電子元器件中的導(dǎo)熱墊片5.2.2

導(dǎo)熱墊片材料組成，高分子聚合物基體以有機硅聚合物為主，高溫下介電性能比較穩(wěn)定、耐氧化、絕緣性好、耐水阻燃，同時具有易加工特點。填料：多為氮化物AlN,BN，或金屬氧化物ZnO,

Al2O3，填充量及配比會影響導(dǎo)熱墊片的熱導(dǎo)率。如對絕緣性要求不高，可多添加高導(dǎo)熱性、非緣緣性填料，可獲得更高的熱導(dǎo)率。5.2.2

導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱墊片需具備如下性能：（1）良好的彈性，能適應(yīng)壓力變化，不因壓力或緊固力造成損傷。（2）柔韌性好，與兩個接觸面均能很好地貼合。（3）不污染工藝介質(zhì)。（4）在低溫時不硬化，收縮量小。（5）加工性能好，安裝、壓緊方便。（6）不黏接密封面，拆卸容易。（7）價格便宜，使用壽命長。5.2.2

導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱墊片工藝厚度可以自由裁剪，范圍0.5~5mm，每0.5mm一級。特殊要求可增至15mm。存在問題：隨著時間推移和溫度升高，發(fā)熱元器件熱量逐漸積累，導(dǎo)熱墊片會發(fā)生蠕變、應(yīng)力松弛等現(xiàn)象，導(dǎo)致機械強度降低，影響互連界面密封性。5.2.3

相變材料通常狀態(tài)下為薄膜片狀固態(tài)，在超過一定溫度時會吸熱熔融成為液態(tài)，可充分潤濕熱傳遞界面，加強傳熱，當(dāng)溫度降低后，恢復(fù)為固態(tài)。圖5-6相變材料實物圖5.2.3

相變材料圖5-7相變材料的工作原理5.2.3

相變材料相變材料結(jié)合了導(dǎo)熱膏和導(dǎo)熱墊片各自優(yōu)點：電子元器件剛開始運行時溫度比較低，低于相變材料的熔點，此時為與導(dǎo)熱墊片類似固態(tài)，具有良好的彈性和恢復(fù)性，裝配容易且不會出現(xiàn)擠出現(xiàn)象。溫度升高，當(dāng)超過相變材料的熔點時，由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭闪鲃訝顟B(tài)，浸潤部件與熱沉（或電路卡組件）之間界面，像導(dǎo)電膏一樣盡可能填充所有空隙，進而減少材料界面間的接觸熱阻。浸潤后，發(fā)熱元器件恢復(fù)到正常工作溫度，相變材料恢復(fù)固態(tài)。5.2.3

相變材料圖5-8相變材料溫度隨時間變化的曲線5.2.3

相變材料相變材料具有能量緩沖效果，通過相變過程中熱量吸收或釋放，額外增加熱耗散路徑，有利于余熱的傳播和擴散，防止溫度急劇上升，元器件工作溫度得到緩解，從而延長使用壽命。5.2.3

相變材料相變材料及其載體材料的總熱導(dǎo)率取決于載體材料的熱導(dǎo)率。根據(jù)載體材料不同，相變材料分為以下兩大類：（1）有機相變材料，或高分子相變材料。熔融溫度在50~80oC，熱塑性樹脂，如石蠟、酯類、醇類有機物，具有性能穩(wěn)定、成本低的優(yōu)點。高分子聚合物基體，導(dǎo)熱性不佳，需要添加高導(dǎo)熱材料。浸潤性不如導(dǎo)熱膏，多次循環(huán)后不能有效填充界面空隙。（2）無機相變材料，主要包含合金和熔融鹽，金屬本身（如Al）具有高導(dǎo)熱性，不需要導(dǎo)熱材料的加入，但容易被氧化與腐蝕，填充界面空隙能力較差。5.2.3

相變材料相變材料的介電強度取決于載體性質(zhì)及厚度，如PI載體厚度為25.4mm時，相變材料的耐壓為3900V。載體化學(xué)組分不同，相變材料的熔點可以進高調(diào)整，常用的相變材料的溫度范圍48~130oC之間。5.2.3

相變材料有機相變材料不足：熱導(dǎo)率及接觸熱阻比導(dǎo)熱膏差；由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時，會釋放熱量從而產(chǎn)生熱應(yīng)力；相變時容易發(fā)生相分離，填料顆粒與相變材料基體分離，從而影響使用，其穩(wěn)定性和工藝重現(xiàn)性差。解決方案：（1）采用導(dǎo)熱強化的微膠囊封裝技術(shù)，可提高導(dǎo)熱性和穩(wěn)定性，有效防止相變過程的相分離。（2）在有機相變材料中混合添加一些高導(dǎo)熱性的填料，如石墨烯。5.2.4

導(dǎo)熱凝膠又稱導(dǎo)熱彈性膠，是一種凝膠狀的導(dǎo)熱材料，通常是在具有較好的彈性或塑性基體（硅膠、石蠟）中添加具有高熱導(dǎo)率的顆粒，并經(jīng)過固化交聯(lián)反應(yīng)制造而成的。熱導(dǎo)率3~4W/(m·K)，施加較大壓力的情況下，厚度可達0.1mm，界面熱阻低至0.8K·cm2/W.具有良好的彈性和變形性，施加壓力，能緊密地與固體表面結(jié)合，更好地順應(yīng)固體表面的粗糙度而填充空隙，進而排擠出界面之間的空氣，達到降低熱阻目的。與導(dǎo)熱膏比，不存在溢出或相分離情況，也不會污染電路板和環(huán)境，使用和處理都很方便。與導(dǎo)熱墊片比，導(dǎo)熱凝膠更加柔軟，表面親和性更強，幾乎沒有硬度，裝配應(yīng)力小，有交提高元器件的穩(wěn)定性。5.2.4

導(dǎo)熱凝膠缺點：需要增加固化交聯(lián)反應(yīng)步驟，熱導(dǎo)率比導(dǎo)熱膏低。導(dǎo)熱凝膠與固體表面通過力的作用接觸在一起，相互之間黏接強度較弱，如果壓力達不到要求，導(dǎo)熱凝膠很難填充界面之間空隙，不能實現(xiàn)有效散熱。圖5-9導(dǎo)熱凝膠實物圖5.2.5

導(dǎo)熱膠帶用作散熱元器件的貼合材料，具有高導(dǎo)熱性、絕緣、固定功能，兼有柔軟、服帖、強黏等特性。導(dǎo)熱膠帶與普通膠帶或雙面膠帶大致相同，是在聚酰亞胺膜、金屬箔帶等支撐材料單面或雙面涂覆導(dǎo)熱膠的膠帶。操作方便，相比其它液態(tài)導(dǎo)電膏，簡化了工藝，能適應(yīng)接觸面的不規(guī)則形狀，不會溢出污染元器件，穩(wěn)固性好，不會輕易移動。導(dǎo)熱膠帶中填充導(dǎo)熱顆粒有限，熱導(dǎo)率相對較低，通常為1~2

W/(m·K)，僅應(yīng)用于黏接，更加適用于小功率元器件。5.2.5

導(dǎo)熱膠帶圖5-10導(dǎo)熱膠帶實物圖5.2.6

導(dǎo)熱灌封膠灌封指按照要求把構(gòu)成電子元器件的各個組分合理組裝、鍵合、與環(huán)境隔離和保護等封裝操作，可起到防塵、防潮、防震的作用，可延長電子元器件的使用壽命。導(dǎo)熱灌封膠是在普通灌封膠基礎(chǔ)上添加導(dǎo)熱填料形成的，如SiO2、Al2O3、AlN、BN等，不同的導(dǎo)熱填料可得到不同的熱導(dǎo)率，普通的可達0.6~2.0

W/(m·K)，高熱導(dǎo)率可達到4.0

W/(m·K)。導(dǎo)熱灌封膠固化速度與溫度有關(guān)，可在室溫下固化，如果加熱，那么固化速度更快。導(dǎo)熱灌封膠優(yōu)點：黏度低、流平性好、抗沖擊性好、附著力強、絕緣、防潮、耐化學(xué)腐蝕性好。缺點：需要配膠、有操作時間限制、內(nèi)應(yīng)力較高。5.2.6

導(dǎo)熱灌封膠圖5-11導(dǎo)熱灌封膠實物圖5.3

新技術(shù)與材料發(fā)展3.0

W/(m·K)占絕大部分市場國外熱界材料技術(shù)成熟，產(chǎn)品已經(jīng)系列化、產(chǎn)業(yè)化，市場占有率高，產(chǎn)品隨技術(shù)進步不斷更新?lián)Q代，已全面實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)；國內(nèi)：技術(shù)尚不成熟，多為中低端產(chǎn)品，多數(shù)研發(fā)中的產(chǎn)品，硬度高，柔韌性差，與國外產(chǎn)品有明顯差距。未來向高導(dǎo)熱性、高穩(wěn)定性發(fā)展。5.3

新技術(shù)與材料發(fā)展熱導(dǎo)率高低主要取決于熱界面材料中填料的傳熱性能，因素包括：填料容積比、類型、及填充顆粒的尺寸、形狀和規(guī)格。一般情況下，填料含量越多，傳熱特性越好；填充顆粒越小，熱界面材料的熱阻越低。5.3

新技術(shù)與材料發(fā)展圖5-12熱界面材料技術(shù)發(fā)展路線圖5.3

新技術(shù)與材料發(fā)展高導(dǎo)熱性、低熱阻、高可靠性及低成本是主要發(fā)展方向3

W/(m·K)向10

W/(m·K)發(fā)展，甚至更高水平，具體實現(xiàn)方式從主要依靠填料技術(shù)向納米技術(shù)過渡，在發(fā)展過程中面臨工藝上的挑戰(zhàn)。目前新材料開發(fā)主要集中在填料技術(shù)和納米技術(shù)的TIM應(yīng)用上。5.3

新技術(shù)與材料發(fā)展5.3.1填料技術(shù)在TIM中的應(yīng)用5.3.2納米技術(shù)在TIM中的應(yīng)用5.3.1填料技術(shù)在TIM中的應(yīng)用TIM具有高導(dǎo)熱性的高分子聚合物材料。一般高分子聚合物材料熱導(dǎo)率<0.5

W/(m·K)，屬于熱的不良導(dǎo)體。5.3.1填料技術(shù)在TIM中的應(yīng)用高分子聚合物基體熱導(dǎo)率/［W/（m·K）］聚乙烯（PE）0.16～0.24聚酰胺（PA）0.18～0.29聚氯乙烯（PVC）0.13～0.17聚己二酸己二胺（PA66）0.25聚四氟乙烯（PTFE）0.27聚丙烯（PP）0.19聚苯乙烯（PS）0.08聚丁二烯（PB）0.23環(huán)氧樹脂（EP）0.18表5-2常見高分子聚合物基體的熱導(dǎo)率5.3.1填料技術(shù)在TIM中的應(yīng)用高分子聚合物具有材料密度低、電緣性和良好的加工性等特點，制得到導(dǎo)熱聚合物能很好地結(jié)合這些優(yōu)異的物理性能。填充型導(dǎo)熱聚合物材料成本低，制造容易實現(xiàn)，占據(jù)主要市場地位，成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要方向。國內(nèi)導(dǎo)熱型聚合物材料研究主要集中在填充型導(dǎo)熱聚合物材料方向。導(dǎo)熱填料主要可以分為：金屬填料、陶瓷填料、碳類填料、混合填料（或雜化填料）、定向排列填料。5.3.1填料技術(shù)在TIM中的應(yīng)用導(dǎo)熱填料熱導(dǎo)率［W/（m·K）］導(dǎo)熱填料熱導(dǎo)率［W/（m·K）］Cu398BN125～280Ag427BeO200～270Au315SiC80～260Al237Si3N4180Mg103MgO36Fe63Al2O330石墨200～600ZnO26碳納米管1000～5000TiO213C105～500SiO210AlN80～320——表5-3常見導(dǎo)熱填料的熱導(dǎo)率5.3.1填料技術(shù)在TIM中的應(yīng)用（1）金屬填料，如Cu、Ag、Au、Al等。熱導(dǎo)率優(yōu)良、加工性能好、CTE低，是TIM中常見的導(dǎo)熱填料。高度取向Ag導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)獲得極大提高。連續(xù)金屬基TIM、液態(tài)金屬填料、金屬納米線是近年來研究熱點。相同填料占比下，Cu納米線比Ag納米線表現(xiàn)更優(yōu)異的導(dǎo)熱增強效果。液態(tài)金屬填料成分為金屬Ga及其合金，具有低熔點，低界面熱阻、芯片潤濕性好的優(yōu)點，缺點是容易溢出。5.3.1填料技術(shù)在TIM中的應(yīng)用（2）陶瓷填料，如BN、AlN、SiC等。具有非常高的熱導(dǎo)率，成為熱管理研究中的熱門研究對象。具有優(yōu)異的絕緣性能，適合要求電絕緣的工作環(huán)境。5.3.1填料技術(shù)在TIM中的應(yīng)用（3）碳類填料，從石墨、金剛石到碳納米管、石墨烯這類碳納米材料，應(yīng)用于TIM材料的的填料研究。柔性石墨又稱膨脹石墨，和天然石墨結(jié)構(gòu)相同。采用多層高質(zhì)量石墨作為TIM，可望具有更好的散熱性能。Panosonic開發(fā)的柔性熱解石墨膜（PyrolyticGraphiteSheetPGS）已實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，由石墨片和高導(dǎo)熱性樹脂復(fù)合，熱導(dǎo)率可達700~1950

W/(m·K)，柔軟易加工，僅需粘貼膜產(chǎn)品即中得到散熱效果。5.3.2納米技術(shù)在TIM中的應(yīng)用碳納米顆粒個有高的導(dǎo)率，