功率器件热界面材料研究进展.docx

摘要：随着功率器件向微型化、集成化快速发展，其产生的功率密度随之显著增加，对散热技术也提出了更高的要求。热界面材料用于填充固体界面间的气体空隙，减小界面接触热阻，因而在功率器件热管理中发挥着重要的作用。本文综述了近年来国内外热界面材料的研究进展，包括单一基体的热界面材料、聚合物基复合热界面材料和金属基热界面材料等，讨论了各类界面材料的强化换热效果及机理。总结了热界面材料发展过程中面临的问题，并展望未来的研究方向。 0 引 言 随着第三代半导体和微电子集成技术的快速发展，功率器件及其设备，如相控阵雷达、大功率 LED、 高性能数据中心、智能手机、医疗设备等体现出性 能高、体积小、集成度高的发展特点。但高密度的封装使功率器件内部热流密度大幅升高，局部发热功率增大，对器件的性能和寿命造成严重影响， 因而需要通过散热器将这部分热量及时导出。由于固体表面粗糙度的影响，芯片与散热器、封装外壳与散热器之间会存在大量充满空气的间隙，而空气的导热系数只有 0.01～0.04 W·m?1?·K?1，大大降低了导热效率，因此需要填充具有高热导率的热界面材料来构造有效的导热通路。 本文通过综述热界面材料的研究现状，分析不同种类热界面材料的导热机理和影响因素，最后展望热界面材料未来的发展方向。 1 热界面材料导热过程简介 功率芯片的散热方式分为直接式和间接式， 如图 1 所示。直接式是通过热沉直接将芯片所产生的热量与外部环境进行热交换；间接式先将芯片的热量传递到封装外壳，由外壳将热量传递至热沉，再与外界进行热量交换。在功率器件与散热器直接接触时，由于固体表面不是绝对光滑的，二者的实际接触面积仅为表观接触面积的 1%～2%，界面之间存在大量的间隙，而这些间隙会被导热率极低的空气填充，增加了界面热阻。 图 1 芯片的两种散热方式 (箭头为主要热流方向)  热界面材料 (Thermal Interface Materials, TIM) 是一种用于填充固体材料间气体空隙的材料，如图 2 所 示，可以提高界面导热系数，优化功率器件热管理性能， 从而提升功率器件可靠性，延长使用寿命。 图 2 热界面材料的热阻示意图   在实际应用中，热界面材料的润湿性有限，无法完全填充界面处的空隙，故热界面材料的总热阻 RTIM 由三部分组成，分别是热界面材料的热阻 Rbulk，热界面材料与封装热源的接触热阻 Rc1?和热 界面材料与热沉的接触热阻 Rc2，如式 (1-1) 所示： 热界面材料的热阻 Rbulk?如式 (1-2) 所示： 式中，δ 为材料的厚度。 随着热界面材料产业化发展，材料种类也在不断增加，常见材料有导热硅脂、导热垫片、导热凝胶、导热相变材料、导热胶、液态金属等。其中，以聚合物为基底的复合热界面材料在市场中占比接近 90%，新兴的液态金属材料虽然占比较少，但其份 额正在逐渐扩大。杨斌等对热界面材料产量及市场份额、主要应用领域的需求量及其在通信等领域的应用进行分析和总结，并提出发展对策。表 1 总结了常见热界面材料的特点和导热性能。 表 1 常见热界面材料的导热性能   2 热界面材料发展 热界面材料用于填充在发热器件和散热器件之间，降低二者的接触热阻。理想的热界面材料应该具有导热率高、柔韧性好、绝缘性好、便于安装、与基体材料热膨胀系数相适应等特点。本节从单一类型的材料、聚合物基复合材料、金属基复合材料三种类型的热界面材料进行介绍。 2.1单一类型热界面材料 2.1.1 单一聚合物材料 聚合物分子、原子间通过晶格振动来传递能量， 这种能量被量化为声子，通常非结晶聚合物在常温无外力情况下的结构规整性差，内部无有效的导热通路，易发生声子散射，因而单一聚合物材料导热率 较低，一般为 0.1～0.5 W·m?1?·K?1。吴遵红等采用 3ω 方法搭建了热导率测量系统，测试了不同温度下 PI 膜的热导率。他们测得薄膜在室温下的热导率为 0.212?W·m?1?·K?1，且薄膜热导率随着温度升高而降低，与文献中的结果接近。Smith等人利用氧化气相沉积法制备了纳米级的聚 (3,4- 亚乙基二氧噻吩)(PEDOT) 薄膜。对于厚度范围为 50-100 nm 的 PEDOT 薄膜，在室温下导热系数达到 0.16 W·m?1?·K?1，电导率从 1 S/cm 变化到 30 S/cm。验证了该材料中，声子导热占主导地位，而电子对导热的贡献非常小。常用单一聚合物的物性参数如表 2。 表 2 常用单一聚合物导热材料的物性参数   2.1.2 金属材料 金属材料中含有大量的自由电子，具有优异的导热和导电性能。常见的金属及合金材料如铜、铝、Invar 合金、Kovar 合金等易于加工，被最早应用于低功率器件的热管理中，常用金属的物性参数如表 3。由于纯金属的热膨胀系数(Co