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(lái)填充芯片和散熱器間的界面對(duì)半導(dǎo)體器件的性能和可靠性都十分重要。界面材料通過(guò)填充氣孔和密貼接合面不光滑表面形貌來(lái)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(huì)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(gè)常用的辨別條件；其它因素，例如能否達(dá)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(zhǎng)期的性能可靠性也都相當(dāng)重要。根據(jù)應(yīng)用和熱界面材料類(lèi)型的不同，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(gè)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(diǎn)和缺點(diǎn)。大部分熱界面材料都含一種聚合物基體，如環(huán)氧樹(shù)脂或硅樹(shù)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(duì)粘合材料系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例進(jìn)行了詳細(xì)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

3、-2層熱粘合劑：熱粘合劑是充滿顆粒的，由一或兩種材料組成，其典型的應(yīng)用方法是通過(guò)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(diǎn)在于它們提供了結(jié)構(gòu)支撐，因此不再需要進(jìn)行額外的機(jī)械加固。熱硅脂：典型的熱硅脂是在硅樹(shù)脂油中摻入熱導(dǎo)填充劑。熱硅脂不需要固化，它的流動(dòng)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(shí)間后，硅脂性能有可能發(fā)生退化、吸出或干透，這些都會(huì)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(lèi)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

4、料在熱應(yīng)用中經(jīng)歷了從固態(tài)到半固態(tài)的轉(zhuǎn)變。這種材料在芯片工作條件下處于液態(tài)相。相變材料具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)化的硅樹(shù)脂來(lái)壓模制造。導(dǎo)熱墊的增強(qiáng)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(duì)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(shí)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(jìn)入材料后傳導(dǎo)熱量的能力。然而，表觀或?qū)崟r(shí)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(shí)熱導(dǎo)率是熱界面材料層TIM層性

5、能的一個(gè)更精確的反映。熱阻和熱阻抗可互換使用，然而二者都表示了熱流通過(guò)界面的阻力。描述熱阻或熱阻抗的單位是。C/W或mm2K/W（或C/W），單位mm2K/W（orC/W）是C/W的值在整個(gè)接觸區(qū)域歸一化的結(jié)果。整個(gè)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(gè)精確描述。熱界面材料TIM層的總熱阻（或?qū)崟r(shí)熱阻）由體熱阻和接觸熱阻組成。圖2為兩個(gè)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

6、貌密接性，以及在界面處形成無(wú)空洞和無(wú)填充料耗盡的TIM層的特性。另外一個(gè)對(duì)界面熱阻有貢獻(xiàn)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(guò)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(gè)界面材料層系統(tǒng)的熱阻。6圖2.熱界面材料層的剖面圖實(shí)時(shí)熱性能的測(cè)量在研究和使用熱界面材料時(shí)，需要一種合適的測(cè)量系統(tǒng)來(lái)對(duì)熱界面材料的性能進(jìn)行精確的系統(tǒng)級(jí)的或?qū)崟r(shí)的測(cè)量。一個(gè)僅僅能提供熱界面材料體熱導(dǎo)率的測(cè)量系統(tǒng)不能完全認(rèn)識(shí)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(biāo)繪了五種熱界面材料的實(shí)時(shí)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(jìn)行組裝并測(cè)量的。隨

7、著體熱導(dǎo)率的上升，預(yù)期中時(shí)熱阻會(huì)不斷下降，然而實(shí)際的情況并不是一直如此。TIM-C的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)熱阻和體熱導(dǎo)率已經(jīng)有一些基于美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)化儀器和某些公司專(zhuān)用的熱測(cè)量系統(tǒng)。全面認(rèn)識(shí)熱測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量能力和其相關(guān)不確定性對(duì)于精確分析熱數(shù)據(jù)并推廣至實(shí)際的器件環(huán)境中是很重要的。一種激光閃爍擴(kuò)散率法（基于ASTME-1461標(biāo)準(zhǔn)）可以確定實(shí)時(shí)熱導(dǎo)率和熱阻的數(shù)值。這個(gè)瞬態(tài)方法可測(cè)量單層或多層的樣品。熱界面材料的實(shí)時(shí)或有效熱阻可采

8、用一種“三明治”結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行測(cè)定。熱界面材料施加于兩塊8mmX8mm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(shí)的激光脈沖加熱樣品，并用一個(gè)紅外探測(cè)器來(lái)測(cè)定背面隨之發(fā)生的溫升。通過(guò)分析最終的溫度時(shí)間曲線，可以確定熱界面材料的熱擴(kuò)散率。熱擴(kuò)散率的數(shù)值常用來(lái)計(jì)算熱界面材料層的實(shí)時(shí)熱阻。PN結(jié)到外殼間的熱阻（0jc）在工業(yè)上廣泛用來(lái)衡量電子封裝的散熱性能，其典型應(yīng)用是用Qjc值來(lái)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(cè)試芯片上帶有二極管溫度敏感電路用來(lái)獲取Qjc值，熱測(cè)試芯片通過(guò)在一對(duì)母線間的硅摻雜阱上加

9、載一驅(qū)動(dòng)電流來(lái)進(jìn)行加熱，測(cè)量一系列二極管上的電壓可以獲得結(jié)點(diǎn)的溫度。二極管電路的電壓作為結(jié)點(diǎn)溫度的函數(shù)要進(jìn)行校正以獲得二極管的校準(zhǔn)系數(shù)。當(dāng)加熱功率施加于器件時(shí)，在穩(wěn)定狀態(tài)下測(cè)得外殼溫度（散熱器上表面的溫度）。結(jié)點(diǎn)和外殼的溫度差除以加熱功率就可以求得熱阻Qjc。界面材料的性能參數(shù)對(duì)熱界面材料系統(tǒng)級(jí)性能（熱、機(jī)械、電，及其它）的多種影響參數(shù)進(jìn)行全面的認(rèn)識(shí)對(duì)材料的發(fā)展是非常寶貴的。圖4所示的簡(jiǎn)明的“魚(yú)骨”圖，提出了對(duì)系統(tǒng)級(jí)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(dāng)重要，熱界面材料層的實(shí)時(shí)熱阻（體熱阻和接觸熱阻之和）是一個(gè)比熱界面材料的體熱阻更精準(zhǔn)的、合適的性能量度。例如，接合面的特

10、性或組裝條件對(duì)熱界面材料層的體熱導(dǎo)率沒(méi)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(jí)性能的因素圖5標(biāo)繪的是三種熱界面材料在不同條件下組裝后的實(shí)時(shí)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(shù)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(shí)也具有不同的界面熱阻，因而在實(shí)時(shí)熱阻的數(shù)值上表現(xiàn)出相當(dāng)大的差別。填料影響實(shí)時(shí)熱阻性能的重要因素有填料類(lèi)型、形態(tài)和尺寸，還有填料含量和熱界面材料形成過(guò)程中的填料處理?xiàng)l件。樹(shù)脂類(lèi)材料對(duì)粒子和表面的浸潤(rùn)能力，以及樹(shù)脂和填料的互相作用也會(huì)影響到熱界面材料的實(shí)

11、時(shí)性能。圖5.填料和樹(shù)脂特性的影響對(duì)一個(gè)給定的熱界面材料，已有一套完整的組裝工藝條件用來(lái)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(shí)時(shí)熱阻，它們?cè)诮M裝時(shí)分別使用了“標(biāo)準(zhǔn)”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(duì)組裝條件的反應(yīng)也不同。例如，在使用標(biāo)準(zhǔn)組裝條件時(shí)，TIM-1的熱阻比TIM-2，TIM-4和TIM-5都高。然而，當(dāng)每種熱界面材料都使用優(yōu)化條件組裝時(shí)，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(dòng)范圍。高含量熱導(dǎo)填料的熱界面

12、材料系統(tǒng)擁有高的熱導(dǎo)率，但它們具有更高的粘度，不能在低組裝壓力下達(dá)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(shuō)明了在不同組裝條件下對(duì)熱界面材料層和器件（或封裝）各表面間的熱阻進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)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(duì)熱界面材料層系統(tǒng)的性能也有巨大的影響?？煽啃栽谄骷ぷ鲿r(shí)，硅器件和散熱器/熱沉間的熱界面材料層會(huì)受到熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，這是因?yàn)楣杵骷蜕崞鞑牧系臒崤蛎浵禂?shù)不同。根據(jù)熱界面材料系統(tǒng)的類(lèi)型，會(huì)產(chǎn)生不同的失效機(jī)制。粘合性熱界面材料層可能會(huì)出現(xiàn)分層，導(dǎo)致在熱界面材料的界面和接合層中形成

13、空隙，從而引起熱阻增大。硅脂層可能會(huì)在器件使用壽命期內(nèi)吸出，外流，或干透。凝膠可能會(huì)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(huì)縮短器件的壽命并降低它的性能。加速可靠性測(cè)試（空氣中的熱沖擊，施加溫度/濕度，高溫存儲(chǔ)等）可以確定熱界面材料層的可靠性。會(huì)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(shù)脂材料、散熱器和芯片的表面特性等，填料的類(lèi)型和含量也會(huì)對(duì)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(shí)時(shí)熱阻；高體熱導(dǎo)率；能在實(shí)際組裝條件下實(shí)現(xiàn)低粘結(jié)厚度BLT；以及實(shí)際（最終使用）應(yīng)用時(shí)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(shí)應(yīng)有足夠的粘合力。 能夠在整個(gè)器件壽命期間保持其熱性能和機(jī)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(chǔ)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(duì)微電子器件的性能和