热管理封装材料第四组

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

2、生的热量 降低至最小。运用热力学原理提高整个系 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

3、 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

4、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

5、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。

6、 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

7、能，除了宽的带隙外， SiC 还具有高的热导率， 25时为 333W (m K)，200。C 时为 221W(m K)，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(m K)，这使它可用 于大功率密 度的应用。氮化镓(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 40G Hz的频率下工作 ，热导率为 1632W(m K)， 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、E LI -m o、 CuInvarCu、 CuMoCu等，

8、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、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

9、 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、29N i、17Co，与A I 2O3、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(m K )，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 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

10、合金28Ag组 成，其CTE为710-6K，热导率为110 w (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(m K)， 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

11、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 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

12、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LT CC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(H O PG

13、 )及一些采用碳纤维、硼纤维、Si C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300k 400w(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 Cu等，其热导率分别高达500

14、 650W(mK)、 350500W(mK)、400700 w(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