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功率器件散热新方案!高导热三明治结构热界面材料

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来源:网络

01 背景介绍


随着第三代半导体功率器件的快速发展,其功率密度显著提升,亟需高效热管理方案保障可靠性。热界面材料(TIM)作为核心组件,可填充器件与散热器间的空气间隙,提升热接触均匀性并降低热阻,但现有 TIM 存在明显缺陷:聚合物基 TIM由 Cu、BN 等导热填料分散于硅树脂 / 环氧树脂基体构成,热导率 <10.0 W/(m⋅K),无法满足高功率需求;碳基 TIM面内热导率达 100~1500 W/(m⋅K),但穿面热导率 < 30.0 W/(m⋅K),不适用于 “器件 - 散热器” 的垂直导热场景;液态金属基 TIM虽流动性好、界面热阻低,但易泄漏,限制高功率应用;传统无铅焊料 TIM存在两大问题 ——①回流温度 > 250℃,易致器件翘曲、接触面积减小;②与器件、散热器的 CTE 失配,引发热应力与开裂。
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02 成果掠影

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近日,大连理工大学黄明亮团队开发了一种由Sn-58Bi/Cu 泡沫 - Sn 复合焊料 / Sn-58Bi构成的新型三明治结构热界面材料(TIM),以解决高功率器件的散热问题。该 TIM 实现了92.3 W/(m⋅K) 的高热导率(比传统 Sn-3.0Ag-0.5Cu 焊料高 60%)和17.8×10⁻⁶/K 的低热膨胀系数(CTE)(比 Sn-3.0Ag-0.5Cu 低 19%),核心机制包括三维连续 Cu 骨架提供电子主导的导热路径、Cu₆Sn₅金属间化合物(IMC)降低界面热阻、低 CTE Bi 相约束热膨胀;同时通过控制 Bi 再分布,实现160℃低温组装且重熔温度超 200℃,器件级测试中热阻低至 0.115 K/W(比商用硅脂 TIM 低 23.3%),1000 次热冲击循环后热阻仅增加 8.7%(低于 20% 失效阈值),展现出优异的热管理性能和可靠性。研究成果“Sandwich-structured thermal interface material based on Cu foam for advanced thermal management in high-power devices”为题发表在《Journal of Alloys and Compounds》。


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