選擇正確的熱界面材料

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。選擇合適的材料來填充芯片和散熱器間的界面對半導(dǎo)體器件的性能和可靠性都十分重要。界面材料通過填充氣孔和密貼接合面不光滑表面形貌來降低發(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常用的辨別條件；其它因素，例如能否達到所需的粘合層厚度，能否提供低的界面或接觸熱阻，和是否擁有長期的性能可靠性也都相當重要。根據(jù)應(yīng)用和熱界面材料類型的不同，其結(jié)構(gòu)強度、介電性能、揮發(fā)物含量及成本都可能需要成為選擇熱界面材

2、料的考慮因素。 熱界面材料一個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)點和缺點。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，對粘合材料系統(tǒng)的一個實例進行了詳細的討論，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TIM-1和TIM-2層熱粘合劑：熱粘合劑是充滿顆粒的，由一或

3、兩種材料組成，其典型的應(yīng)用方法是通過孔分散或模板印刷。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)點在于它們提供了結(jié)構(gòu)支撐，因此不再需要進行額外的機械加固。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間后，硅脂性能有可能發(fā)生退化、吸出或干透，這些都會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

4、材料在芯片工作條件下處于液態(tài)相。相變材料具有幾個優(yōu)點，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)填充劑的非強化的硅樹脂來壓模制造。導(dǎo)熱墊的增強體包括了玻璃織物、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入材料后傳導(dǎo)熱量的能力。然而，表觀或?qū)崟r熱導(dǎo)率考慮的是熱界面材料TIM層與各界面間的界面熱阻或接觸熱阻，表觀或?qū)崟r熱導(dǎo)率是熱界面材料層TIM層性能的一個更精確的反映。熱阻和熱阻抗可互換使

5、用，然而二者都表示了熱流通過界面的阻力。描述熱阻或熱阻抗的單位是/W 或 mm2 K/W （或 in.2 C/W），單位mm2 K/W （or in.2 C/W）是/W的值在整個接觸區(qū)域歸一化的結(jié)果。整個熱界面材料TIM層的熱阻是它在器件中所表現(xiàn)熱性能的一個精確描述。熱界面材料TIM層的總熱阻（或?qū)崟r熱阻）由體熱阻和接觸熱阻組成。圖2為兩個表層間熱界面材料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

6、及在界面處形成無空洞和無填充料耗盡的TIM層的特性。另外一個對界面熱阻有貢獻的因素是聲子散射，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)率都可減小整個界面材料層系統(tǒng)的熱阻。圖2. 熱界面材料層的剖面圖實時熱性能的測量在研究和使用熱界面材料時，需要一種合適的測量系統(tǒng)來對熱界面材料的性能進行精確的系統(tǒng)級的或?qū)崟r的測量。一個僅僅能提供熱界面材料體熱導(dǎo)率的測量系統(tǒng)不能完全認識在最終使用環(huán)境下熱界面材料的性能。在圖3顯示的例子中，標繪了五種熱界面材料的實時熱阻和體熱導(dǎo)率，所有這些熱界面材料都是在相似的條件下進行組裝并測量的。隨著體熱導(dǎo)率的上升，預(yù)

7、期中時熱阻會不斷下降，然而實際的情況并不是一直如此。TIM-C的實時熱阻比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的實時熱阻相似，但TIM-D的體熱導(dǎo)率卻接近于TIM-B的兩倍。圖3. 實時熱阻和體熱導(dǎo)率已經(jīng)有一些基于美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）標準的商業(yè)化儀器和某些公司專用的熱測量系統(tǒng)。全面認識熱測量系統(tǒng)的測量能力和其相關(guān)不確定性對于精確分析熱數(shù)據(jù)并推廣至實際的器件環(huán)境中是很重要的。一種激光閃爍擴散率法（基于ASTM E-1461標準）可以確定實時熱導(dǎo)率和熱阻的數(shù)值。這個瞬態(tài)方法可測量單層或多層的樣品。熱界面材料的實時或有效熱阻可采用一種 “三明治

8、”結(jié)構(gòu)的樣品進行測定。熱界面材料施加于兩塊8mm8mm的試片之間，可以表征出器件中接合層面的特性。用一束瞬時的激光脈沖加熱樣品，并用一個紅外探測器來測定背面隨之發(fā)生的溫升。通過分析最終的溫度時間曲線，可以確定熱界面材料的熱擴散率。熱擴散率的數(shù)值常用來計算熱界面材料層的實時熱阻。PN結(jié)到外殼間的熱阻（jc）在工業(yè)上廣泛用來衡量電子封裝的散熱性能，其典型應(yīng)用是用jc值來比較相似IC器件在不同電子封裝外殼下的熱性能，或者相似電子封裝外殼下的不同IC器件的熱性能（EIA/JESD51-1）。熱測試芯片上帶有二極管溫度敏感電路用來獲取jc值，熱測試芯片通過在一對母線間的硅摻雜阱上加載一驅(qū)動電流來進行加熱

9、，測量一系列二極管上的電壓可以獲得結(jié)點的溫度。二極管電路的電壓作為結(jié)點溫度的函數(shù)要進行校正以獲得二極管的校準系數(shù)。當加熱功率施加于器件時，在穩(wěn)定狀態(tài)下測得外殼溫度（散熱器上表面的溫度）。結(jié)點和外殼的溫度差除以加熱功率就可以求得熱阻jc。界面材料的性能參數(shù)對熱界面材料系統(tǒng)級性能（熱、機械、電，及其它）的多種影響參數(shù)進行全面的認識對材料的發(fā)展是非常寶貴的。圖4所示的簡明的“魚骨”圖，提出了對系統(tǒng)級性能有影響的熱界面材料的一些重要參數(shù)，選擇合適的性能量度相當重要，熱界面材料層的實時熱阻（體熱阻和接觸熱阻之和）是一個比熱界面材料的體熱阻更精準的、合適的性能量度。例如，接合面的特性或組裝條件對熱界面材料

10、層的體熱導(dǎo)率沒有影響，然而它們卻是決定界面熱阻和粘合層厚度BLT的主要因素。圖4. 影響熱界面材料系統(tǒng)級性能的因素圖5標繪的是三種熱界面材料在不同條件下組裝后的實時熱阻與體熱阻的比較。這些熱界面材料有相似的體熱導(dǎo)率，但填料和樹脂材料的特性不同。雖然這些熱界面材料擁有相似的體熱導(dǎo)率，然而在不同的組裝條件下得到的體熱阻卻不同，同時也具有不同的界面熱阻，因而在實時熱阻的數(shù)值上表現(xiàn)出相當大的差別。填料影響實時熱阻性能的重要因素有填料類型、形態(tài)和尺寸，還有填料含量和熱界面材料形成過程中的填料處理條件。樹脂類材料對粒子和表面的浸潤能力，以及樹脂和填料的互相作用也會影響到熱界面材料的實時性能。圖5. 填料和

11、樹脂特性的影響對一個給定的熱界面材料，已有一套完整的組裝工藝條件用來降低熱界面材料層的總熱阻。圖6顯示了六種不同的熱界面材料的實時熱阻，它們在組裝時分別使用了“標準”組裝條件和“優(yōu)化”了的組裝條件。熱性能在優(yōu)化了的組裝條件下有非常大的提升。不同熱界面材料對組裝條件的反應(yīng)也不同。例如，在使用標準組裝條件時，TIM-1的熱阻比TIM-2，TIM-4和TIM-5都高。然而，當每種熱界面材料都使用優(yōu)化條件組裝時，TIM-1 的熱阻比TIM-2，TIM-4和TIM-5都要低。在選擇一種熱界面材料前，必須設(shè)定用于微電子封裝的組裝工藝條件及其可接受工藝條件的變動范圍。高含量熱導(dǎo)填料的熱界面材料系統(tǒng)擁有高的熱

12、導(dǎo)率，但它們具有更高的粘度，不能在低組裝壓力下達到薄的粘結(jié)厚度BLTs而呈現(xiàn)出高熱阻通道效應(yīng)。圖6. 組裝工藝條件的影響上述例子充分說明了在不同組裝條件下對熱界面材料層和器件（或封裝）各表面間的熱阻進行實時測量的重要性。雖然圖4所示的一些因素各自影響著熱界面材料層的性能，但在兩種或更多因素間的相互作用對熱界面材料層系統(tǒng)的性能也有巨大的影響。可靠性在器件工作時，硅器件和散熱器/熱沉間的熱界面材料層會受到熱應(yīng)力和機械應(yīng)力，這是因為硅器件和散熱器材料的熱膨脹系數(shù)不同。根據(jù)熱界面材料系統(tǒng)的類型，會產(chǎn)生不同的失效機制。粘合性熱界面材料層可能會出現(xiàn)分層，導(dǎo)致在熱界面材料的界面和接合層中形成空隙，從而引起熱

13、阻增大。硅脂層可能會在器件使用壽命期內(nèi)吸出，外流，或干透。凝膠可能會固化，并不再與散熱器表面形貌緊密結(jié)合。在器件工作壽命內(nèi)熱界面材料層的退化會縮短器件的壽命并降低它的性能。加速可靠性測試（空氣中的熱沖擊，施加溫度/濕度，高溫存儲等）可以確定熱界面材料層的可靠性。會有一些因素影響熱界面材料層的可靠性：除工作條件之外，還有熱界面材料層的幾何形狀（粘合厚度，接觸面積）、樹脂材料、散熱器和芯片的表面特性等，填料的類型和含量也會對熱界面材料層的可靠性有一定影響。選擇合適的材料特定應(yīng)用中熱界面材料的選擇要考慮多種因素，其中性能、可制造性和成本是首要因素。所期望的熱界面材料特性包括： 低實時熱阻；高體熱導(dǎo)率；能在實際組裝條件下實現(xiàn)低粘結(jié)厚度BLT；以及實際（最終使用）應(yīng)用時各層面間能保持低的界面熱阻。 如果需要作為結(jié)構(gòu)支撐時應(yīng)有足夠的粘合力。 能夠在整個器件壽命期間保持其熱性能和機械性能。 在目前的制造環(huán)境中容易加工。 其它考慮的因素還有如低揮發(fā)性，介電性質(zhì)，存儲條件，保存期限，罐裝期限，毒性等。結(jié)論芯片散熱器間和散熱器熱沉間的熱界面材料層對微電子器件的性能和可靠性都很重要。全面認識熱界面