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热界面材料的最新进展(一)

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原文链接:http://www.espublisher.com/journals/articledetails/260/      

致谢:感谢周永存老师等,仅供学习使用,不当之处敬请指正!

近年来,小型化、集成化已成为电子设备的发展趋势。随着电子设备功率的不断增加,产生的热量急剧增加。

热界面材料(Thermal Interface Material, TIM)能够有效改善两个固体界面之间的传热,对电子设备的性能、使用寿命和稳定性起着重要的作用。在这种情况下,对热管理提出了更高的要求,TIM的创新和优化也备受关注。

本文综述了TIM的最新研究进展,讨论了应用广泛的高分子材料的流变性建模与设计,讨论了导热填料对复合材料性能的影响。许多研究表明,一些高热导率和低损耗陶瓷填充聚合物很适合用于电子器件封装。

制备用于电子封装的高导热高分子复合材料一直是人们关注的问题。最后对存在的问题进行了讨论,并对未来的研究方向进行了展望。

关键词:热界面材料;热导率;热管理;建模


介绍

什么是热界面材料?

近年来,小型化、集成化已成为电子设备的发展趋势。随着电子设备功率的不断增加,产生的热量急剧增加[1-5]。

由于形貌上的粗糙度,当两个实体表面相连接时,只有表面的一小部分有实际接触[6-10],其余的区域将被一个充满空气的空隙隔开,由于空气的导热系数(0.026 W/mK)比金属的导热系数低4个数量级,所以通过空气的界面传热可以忽略不计。

大量的热流将通过实际的接触点,这是一个严重的热瓶颈,即使是非常低粗糙度的基板。如图1所示,其本身表现为界面上的温度差。因此,TIM被放置在两个相匹配的表面之间,以增加界面上的热导。

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图1 TIM的工作原理示意图。

缺少TIM的界面会有非常集中的热流,导致界面具有大幅度温差。TIM填补了空隙,降低了界面上的温差。

TIM通常由一种柔顺的材料制成,可以填充两个表面之间的空隙,从而增加有效接触面积。

理想的TIM只会用导热材料填充界面上的现有空隙,而实际应用中,TIM层会在两个接触面之间产生间隙,但与环境流体相比,TIM导热系数的提高仍然会对界面传热有很大的改善。

在电子封装中,TIMs通常用于两种固体材料之间的所有接触界面。通常这些界面产生在发热器件和集成散热器(IHS)之间,以及IHS和散热片之间。这两个TIM的应用分别称为TIM1和TIM2,如图2所示。

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图2 具有两个TIMs的典型球栅阵列(BGA)电子封装示意图。

热量通过BGA芯片的背面传导,芯片和IHS之间,以及IHS和散热器之间都存在TIMs。不同应用的TIM分别称为TIM1和TIM2。

封装类型有TIM直接连接裸片和散热器的封装,及芯片和散热器之间有两种以上TIM的封装[11]。TIM的热性能通常根据其界面热阻(RTIM)来评估,界面热阻是衡量热在界面上消散困难程度的指标。根据傅里叶定律,与界面上的温度差(∆T)有关,为∆T=RTIM Q,其中Q为热通量。界面热阻的最小化是TIM发展的一个主要目标。

界面热阻可被划分为阻性元件,对于一个典型的TIM:

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RTIM 是总界面热阻,Rc1和Rc2分别是TIM两面和基片之间的接触热阻,λTIM为TIM的导热系数,BLT为粘结层厚度,如TIM的厚度。根据TIM的类型和应用,方程的不同项或多或少会对总体性能产生影响,在选择或设计TIM时,确定要优化哪些参数非常重要。

Rc—在基片和TIM之间,有一个取决于热接触的热阻。这种接触热阻取决于TIM与衬底的贴合程度和空隙填充的程度,它受TIM的顺应性以及对基片的浸润程度的影响,并可以非常依赖于对TIM施加的压力。两种不同的材料,即使具有原子级光滑的表面,由于界面上的声子或电子散射也会存在边界热阻,这种效应被称为卡皮查热阻。

TIM 的BLT是两个表面分离程度的度量,即TIM的厚度。由于TIM的导热系数仍然明显低于任何一种基底,因此希望尽量减少BLT,更低的BLT意味着更少的材料使用,通常也会花费更低的成本。

理想情况下,TIM只填充原始界面中的空白,但在实际操作中,由于不均匀的TIM覆盖,以及由于热膨胀系数(CTE)不匹配导致的热循环过程中的可靠性问题,很薄的粘合层可能导致空洞。

对于液体形式的TIMs,BLT不仅受到材料数量的影响,还受到材料粘度和夹紧压力的影响。此外,对于填充了固体颗粒的TIM,填充剂的大小可以限制BLT的厚度;对于作为衬垫应用的TIM, BLT受到操作和机械要求的限制。

TIM的导热系数(λ)是衡量材料本身导热性能的参数,高导热系数的重要性与BLT成正比,即对于非常低的粘结层厚度,接触热阻占主导地位,而对于较厚的TIMs导热系数成为一个关键参数。

近年来,行业内对降低RTIM有很大的动力,芯片的热流是不均匀的[13,14],因为内核和缓存都在同一个裸片上。大部分能量从芯片的一个非常小的区域——内核消散,但即使在内核内部,热通量(q)也是不均匀的。

Mahajan[13]等讨论了裸片热通量不均匀的问题,并证明冷却方案不仅需要保持芯片平均温度值低于设计点,同样重要的是维持最热处的温度值也低于一定的设计点。因此,芯片附近的热问题非常严重。非均匀发热的总热阻可以写成[15]:

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Ψj-a是结到环境热阻, Rjc为裸片均匀发热情况下结到封装热阻, Ψcs为封装到散热片的热阻, Ψsa散热片到环境的热阻。式(2)中的DF称为“密度因子”,它可以解释q和裸片尺寸的不均匀性。DF的单位是cm-2,对于1cm2均匀发热的芯片,DF等于1。

对于大多数微处理器来说,由于q的高度不均匀性和裸片尺寸小的原因,DF通常大于1;但是理论上,对于尺寸非常大的裸片,DF可以接近零。根据式(2), Rjc和DF的减少会导致Ψj-a降低;如果DF大于1, Rjc的降低会导致Ψj-a更大的降低。由于Rjc主要是TIM的热阻,这使得电子器件冷却行业又更大的动力开发更好的TIMs。

理想的TIM应该由具有高导热性和低接触热阻的薄粘结层材料组成。然而,除了界面热阻之外,在选择或设计TIM时还需要考虑许多其他参数。如TIM是否具有电绝缘性、机械性能相关的参数,这些参数将影响其操作性和可靠性。TIM可以是液态或固态,可以有不同的操作方式。

液态状TIM有点不好处理和BLT不确定, 但如果粘度足够低,通常能够渗入孔隙;而作为衬垫应用就非常简单,但可能无法与基底很好的吻合。一致性参数的重要性取决于衬底的粗糙度和平整度。

操作过程中,液态TIMs的易受影响对其可靠性有负面效果。在热循环过程中,封装会发生机械形变,导致TIM进一步扩散,材料最终从表层间挤出,这种泵出效应是TIM的一个重要问题。另一个需要考虑的是TIM能否作为粘合剂,或是否需要外部压力。

液态TIM在操作过程中需要施加压力与整个器件系统结合在一起,同时也取决于TIM的粘度。固态TIMs在处理和操作过程中通常都需要很大的压力才能使其与基底符合。另一方面,也有TIMs作为两个基片的粘合剂,尽管会有分层导致的可靠性问题,但在操作过程中不需要任何外部压力。

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