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1、热管理封装材热管理封装材料的现状及其料的现状及其发展趋势发展趋势 第四组第四组摘要电子元器件的微型化及多功能化对器件的散热性提出了更高要求。器件的散热问题已成为迅速发展的电信产业面临的技术“瓶颈”。介绍了国内外电子工业中已使用和正在开发研制的三代热管理材料的种类和性能特点，总结了各阶段热管理材料的现状及其研究进展，表明高性能热管理材料需具备低密度、高导热、与半导体及芯片材料膨胀匹配、相当大的硬度及良好的气密性等性能特点。科技的发展使得电子设备、系统进展迅速。然而，任何电子器件及电路在工作中都不可避免地会产生大量的热，要提高电子产品的性能及可靠性，就必须使产生的热量降低至最小。运用热力学原理提高
2、整个系统或装置的能量利用率、减少废热排散、提高系统的稳定性和可靠性的相关技术，通过分析和模拟来管理这些热量通常称为热管理。在需要热管理解决的众多问题中，热管理材料应运而生。我们将针对热管理材料的研究进展及其相关性能进行论述。热管理材料的定义和性能要求从热管理的角度研究电子封装用的材料，通过调整成分增大系统功率输出的材料称之为热管理材料。现代电子封装的发展趋势是微型化和多功能。根据热力学第二定律可知，在较小封装内放置器件越多，其热密度越大。以Intel为例，第一代微处理器4004只有2300个晶体管，奔腾4微处理器有42107个晶体管。另外，工作的电子器件与周围空气的温差是一个常数，但器件内热密
3、度的增大导致其本身温升值变大。而通道尺寸减小引起的功率密度增大会引发设备内电子一声子不平衡。同时，器件温度升高通常会改变其电学参数及可靠性。具有高导热能力的材料可协调逐渐增大的功率密度与周围环境的温差，从而达到高效散热并降低与芯片材料热膨胀系数不匹配性的目的。综上所述，高性能的热管理材料需要有与半导体或芯片材料匹配的热膨胀系数，高的热导率，具有一定硬度且气密性优异，从而实现提供机械支持、与下一级封装互连、形成密封环境及提供热量耗散途径的目的。四个决定封装热阻的因素封装的总热阻几乎全部由以下所决定:1.封装结构2.封装尺寸3.芯片尺寸4.空气流动率每个因素对热阻的影响如下：1.封装结构封装有不同
4、类型,每种都有不同的热阻特性。诸如ABGA和FCBGA,特有的铜盖设计使得芯片直接贴于导热膏上,提供了出色的热阻特性。PGBA的情况,通过采用4层基板代替2层基板的方法降低热阻,并且可以通过直接在热通孔下放置锡球来进一步降低热阻。2.封装尺寸通常,封装尺寸越大,热阻就越低。尤其对于ABGA和TBGA非常正确,它们拥有一个铜盖提供了出色的热传导特性。在较低热传导性的封装情况如FPBGA时,热阻和封装尺寸之间的相关性较弱,并且如果芯片尺寸相同的话,不同尺寸的封装其热阻相差很小。3.芯片尺寸硅的热传导性,芯片的制作材料,大约是封入树脂的100倍,是封装基板的10倍;因此,芯片本身的表面区域对散热作出
5、了巨大的贡献。4.空气流通率空气流通率对封装本身的热传导性没有直接联系,但是诸如通过采用风扇吹冷风的方法,可以有效地带走封装表面或印刷线路版表面的热量从而降低了热阻。传统的热管理材料电子元器件内存在热应力及变形主要是由热膨胀系数的差异导致的。因此，作为热管理材料，热膨胀系数及热导率是其关键的考察指标。半导体芯片材料及陶瓷封装材料常用的半导体芯片材料主要是Si和GaAs。近年来，开发了很多新的半导体材料，以使其在更高频率或温度范围内获得更好的性能，如SiGe、SiC、InP、GaN等。GaAs迁移率很高，在高频领域应用广泛。但是仅当电路尺寸非常小时GaAs才能获得最好的高频性能。一般微电子组件中
6、使用的GaAs芯片厚度为0.05080.1524mm。SiGe是通过将Ge作为掺杂剂选择性掺入晶体管基区的方法制备的。由SiGe制成的半导体高频性能可与GaAs相比，其热导率与Si相近。SiC具有最大电子迁移速率，这允许器件在高频下工作。SiC由于其带隙宽达3.1eV(Si的带隙仅为1.1eV)，温升很难破坏SiC半导体的性能，除了宽的带隙外，SiC还具有高的热导率，25时为333W(mK)，200。C时为221W(mK)，因此SiC被用于各种高温中。磷化铟(InP)是一种用于高频电子和光电子器件的新型化合物半导体材料，其热导率相当高，约为97W(mK)，这使它可用于大功率密度的应用。氮化镓(
7、GaN)是一种正在开发的半导体，其带隙宽，能够有效地实现大功率并在高达40GHz的频率下工作，热导率为1632W(mK)，功率密度可以是GaSb和InP的许多倍。第一代热管理材料传统低热膨胀系数材料如Cu-W、ELI-mo、CuInvarCu、CuMoCu等，具有高密度和高热导率，但不及金属Cu、Al，被称为第一代热管理材料。表1所示为第一代热管理材料的热物理性能。由于电子器件质量和热导率是两个重要考察指标，故定义热导率与密度的比值为比热导率，比热导率越高，材料越优异。1.铜、铝在体积相同的情况下，除了银之外，铜电导率最高Cu可用于高热导高电导的封装铝及其合金重量轻、易加工，具有很高的热导率铜
8、、铝与芯片、基板严重的热失配影响了它们的广泛使用。2.钼钼在气密性封装中与可伐合金的环形框焊在一起作为气密封装的底座，其CTE为5.3510-6K，与可伐合金和Al2O3的CTE非常匹配。热导率为138w(mK)，可用于很多中功率和大功率密度的器件封装。钼底座的主要缺点是表面平整度比较差及重结晶后出现脆性。3.可伐合金Silvar合金可伐合金含54Fe、29Ni、17Co，与AI2O3、BeO、AlN非常匹配，也称之为AMF-15合金，用作低功率密度单芯片和多芯片的封装底座。但可伐合金热导率比较低，30时为16.5W(mK)，限制了其在大功率密度器件上的应用。Silvar是一种由银和铁基合金组
9、成的粉末冶金复合材料。一类Silvar由61的Invar36和39Ag组成的各向同性可控复合材料，其CTE为6510K，热导率为153W(mK)，另一类Silvar由72可伐合金28Ag组成，其CTE为710-6K，热导率为110w(mK)。4.WCu、MoCu合金W-Cu或Mo-Cu两相复合材料作为热沉材料的研究主要包括粉末处理、添加活性剂以提高合金的烧结密度等。采用纯度较高的粉末原料制备的均质W-15Cu合金热导率可达200W(mK)，Mo-15Cu合金的可达160W(mK)。但是，随着功率密度的进一步增大和使用条件的更加苛刻，均质W-Cu或Mo-Cu材料已不能满足要求。日本学者首先提出了
10、梯度功能结构材料的概念，并对W-Cu和MoCu梯度结构功能材料进行了大量研究。2000年文献第一次报道了采用粉末冶金熔渗工艺制取各相异性钨铜梯度材料的方法。表2所示为W-Cu均质复合材料及梯度复合材料性能表。从该表可看出，铜含量一定时，梯度结构功能材料的热膨胀系数更小，热导率更高。先进热管理材料第一代热管理材料用于散热时，由于兼容设计而导致冷却效率降低。为了使热应力降至最低，聚合热界面材料应运而生。热界面材料是一种用于两种材料问的填充物，主要用于填补两种材料接触面问的空隙，降低热阻抗，增进热的传递效率。研究认为，TIM对系统总热阻的贡献比例越来越大。采用低热膨胀系数的“软”焊料可降低TIM的高
11、热阻，从而减小器件内产生的热应力。热界面材料应当具有高热传导性、表面润湿型、低热阻尼、适当的黏性及可重复使用性等特征，通常只有高分子材料能够满足以上要求，但是一般的高分子材料热导率最好的也不超过0.10.2w(mK)，往往需要添加导热率较高的无机或金属粉末来改善热传导Cr。图1所示是传统热管理材料及先进热管理材料的热导率与热膨胀系数关系图。理想的热管理材料应当具有极高的热导率及与Si、InP、Al2O3、A1N及低温LTCC等半导体或陶瓷相匹配的热膨胀系数。从图1可知，将金属基、陶瓷、碳等与高导热强化体，如特殊的碳纤维(简写为C)、SiC粒子及金刚石颗粒结合起来即可制备出具有极高热导率和宽的热
12、膨胀系数范围的新材料。目前，这些新材料主要有高取向热解石墨(HOPG)及一些采用碳纤维、硼纤维、SiC颗粒、A1N颗粒等作为增强体制成的复合材料，如碳纤维碳(CC)、碳纤维Cu(CCu)、sicCu等，而以金刚石颗粒为增强体的金属及陶瓷热导率最高。根据热导率的高低，将先进热管理材料分为第二代和第三代，其中，第二代热管理材料的热导率k满足300k400w(mK)，而第三代热管理材料的热导率则不低于400w(mK)。表3、4所示为第二代、第三代热管理材料的热物理性能。另据相关报道，国外一些公司已开始利用原料价格较低的金刚石单晶来制备金刚石块体材料，已知的产品有金刚石一Ag、金刚石一Al、金刚石一C
13、u等，其热导率分别高达500650W(mK)、350500W(mK)、400700w(mK)，热膨胀系数分别为(58)10-6K、(79)10-5K、(47)10-6K，密度分别为6gcm3。3gcm3。6gcm3。研究还表明，这些金刚石金属系列复合材料机加工很难，连接性能很好，将来可被广泛用于光电子、微电子、激光、功率模块、高终端服务器等。发展趋势随着信息技术的不断进步和发展，电子元器件的复杂性和集成度日益提高，对热管理材料的要求更为苛刻。热管理材料发展方兴未艾，潜力巨大。近年来，国外一些大公司研制的部分第三代热管理材料已列入商业化进程，市场前景良好。从表24中定义的比热导率值可以看到，先进
14、热管理材料将以高导热、良好热膨胀匹配、低密度及功能结构一体化为发展方向。如采用具有低膨胀高热导且密度小的增强相，如碳纤维、石墨等，可获得轻型高强高导的复合材料，从而对于航空航天飞行器的机载电子产品减重意义重大。此外，热管理材料是大功率散热应用中的关键材料，国内对热管理材料的需求相当大，但由于热管理材料研究发展起步较晚，相关的基础研究也比较缺乏，亟待开发和完善热管理材料制备工艺、相关理论、导热机制和性能表征与评价方法。同时，由于微电子器件的超薄和微型化，必然对热管理材料的尺寸提出更高的要求。因此需要系统研究将热管理材料的净成型工艺及其与基片和芯片等电子元件整体结合的工艺。一种全固态热容激光器的热管理方法及其热管理结构，利用本发明改善激光发射阶段增益介质内温度梯度，对增益介质进行有效冷却，保证冷却过程中增益介质内的应力处在安全应力范围。金刚石热管理材料已成为目前电子工业理想的散热材料之一。谢谢观赏
