选择正确的热界面材料

1、选择正确的热界面材料微电子器件的热控制中，芯片和散热器间的热界面材料层是高功耗器件封装中热流的最大障碍。选择合适的材料来填充芯片和散热器间的界面对半导体器件的性能和可靠性都十分重要。界面材料通过填充气孔和密贴接合面不光滑表面形貌来降低发热和散热单元间接合面的接触热阻。在器件中有一些因素会影响到热界面材料（TIM）层的性能，而热界面材料的体热导率是微电子应用中选择热界面材料的一个常用的辨别条件；其它因素，例如能否达到所需的粘合层厚度，能否提供低的界面或接触热阻，和是否拥有长期的性能可靠性也都相当重要。根据应用和热界面材料类型的不同，其结构强度、介电性能、挥发物含量及成本都可能需要成为选择热界面材

2、料的考虑因素。 热界面材料一个附有热沉及散热器的倒扣芯片器件的剖面如图1所示。芯片和散热器间的热界面层特别定义为“TIM-1”，散热器和热沉间的热界面层通常定义为“TIM-2”。一些液状材料如：粘合剂、硅脂、凝胶、相变材料和垫料都可具有TIM-1或TIM-2的功能，每一种液状热界面材料都有各自相应的优点和缺点。大部分热界面材料都含一种聚合物基体，如环氧树脂或硅树脂，以及导热填充材料如氮化硼、氧化铝、铝、氧化锌以及银。在本文中，对粘合材料系统的一个实例进行了详细的讨论，然而，其原理也适用于其它的热界面材料系统。图1.  倒扣芯片器件中的TIM-1和TIM-2层热粘合剂：热粘合剂是充满颗

3、粒的，由一或两种材料组成，其典型的应用方法是通过孔分散或模板印刷。聚合物的交联使粘合剂产生固化，从而提供了粘合性能。热粘合剂的优点在于它们提供了结构支撑，因此不再需要进行额外的机械加固。热硅脂：典型的热硅脂是在硅树脂油中掺入热导填充剂。热硅脂不需要固化，它的流动性使其与其它界面密接，而且形成的热界面层还具有可返修性。在经历随后的工艺和一定时间后，硅脂性能有可能发生退化、吸出或干透，这些都会使使硅脂热界面材料系统的导热性能受到很大的影响。热凝胶：凝胶是低杨氏模量、弱交联的糊状材料。它与热硅脂类似具有良好的与界面密接性，但减少了材料吸出量。相变材料（PCM）：相变材料在热应用中经历了从固态到半固态

4、的转变。这种材料在芯片工作条件下处于液态相。相变材料具有几个优点，包括与接合面的密接性和不凝固性等。 热垫：热垫通常用掺热导填充剂的非强化的硅树脂来压模制造。导热垫的增强体包括了玻璃织物、金属薄片及聚合物薄膜。热垫是预先按规格裁剪并具有填充间隙的功能。它们拥有有限的导热性能，然而对外加压力很敏感。热界面材料的性能度量热界面材料导热性能的参数有表观或实时的热导率、热阻和热阻抗等。热导率是材料的一种性质，它描述一种材料在热量进入材料后传导热量的能力。然而，表观或实时热导率考虑的是热界面材料TIM层与各界面间的界面热阻或接触热阻，表观或实时热导率是热界面材料层TIM层性能的一个更精确的反映。热阻和热

5、阻抗可互换使用，然而二者都表示了热流通过界面的阻力。描述热阻或热阻抗的单位是/W 或 mm2 K/W （或 in.2 C/W），单位mm2 K/W （or in.2 C/W）是/W的值在整个接触区域归一化的结果。整个热界面材料TIM层的热阻是它在器件中所表现热性能的一个精确描述。热界面材料TIM层的总热阻（或实时热阻）由体热阻和接触热阻组成。图2为两个表层间热界面材料TIM层的剖面，显示了体和界面接触部分。体热阻是热界面材料粘合层厚度（BLT）和体热导率的函数。接触热阻存在于热界面材料与半导体器件之间，以及热界面材料与散热器之间的界面。界面（接触）热阻决定于接合面的表面特性、热界面材料与表面形

6、貌密接性，以及在界面处形成无空洞和无填充料耗尽的TIM层的特性。另外一个对界面热阻有贡献的因素是声子散射，它由两种界面连接材料不同的材料性质引起。通过降低TIM粘合层厚度、减小界面热阻和增加界面材料的体热导率都可减小整个界面材料层系统的热阻。图2.  热界面材料层的剖面图实时热性能的测量在研究和使用热界面材料时，需要一种合适的测量系统来对热界面材料的性能进行精确的系统级的或实时的测量。一个仅仅能提供热界面材料体热导率的测量系统不能完全认识在最终使用环境下热界面材料的性能。在图3显示的例子中，标绘了五种热界面材料的实时热阻和体热导率，所有这些热界面材料都是在相似的条件下进行组装并测量的

7、。随着体热导率的上升，预期中时热阻会不断下降，然而实际的情况并不是一直如此。TIM-C的实时热阻比TIM-D和TIM-E的小，但后两者的体热导率都更大。另外，TIM-B和TIM-D的实时热阻相似，但TIM-D的体热导率却接近于TIM-B的两倍。图3. 实时热阻和体热导率已经有一些基于美国材料与试验协会（ASTM）标准的商业化仪器和某些公司专用的热测量系统。全面认识热测量系统的测量能力和其相关不确定性对于精确分析热数据并推广至实际的器件环境中是很重要的。一种激光闪烁扩散率法（基于ASTM E-1461标准）可以确定实时热导率和热阻的数值。这个瞬态方法可测量单层或多层的样品。热界面材料的实时或有效

8、热阻可采用一种 “三明治”结构的样品进行测定。热界面材料施加于两块8mm×8mm的试片之间，可以表征出器件中接合层面的特性。用一束瞬时的激光脉冲加热样品，并用一个红外探测器来测定背面随之发生的温升。通过分析最终的温度时间曲线，可以确定热界面材料的热扩散率。热扩散率的数值常用来计算热界面材料层的实时热阻。PN结到外壳间的热阻（jc）在工业上广泛用来衡量电子封装的散热性能，其典型应用是用jc值来比较相似IC器件在不同电子封装外壳下的热性能，或者相似电子封装外壳下的不同IC器件的热性能（EIA/JESD51-1）。热测试芯片上带有二极管温度敏感电路用来获取jc值，热测试芯片通过在一对母线间

9、的硅掺杂阱上加载一驱动电流来进行加热，测量一系列二极管上的电压可以获得结点的温度。二极管电路的电压作为结点温度的函数要进行校正以获得二极管的校准系数。当加热功率施加于器件时，在稳定状态下测得外壳温度（散热器上表面的温度）。结点和外壳的温度差除以加热功率就可以求得热阻jc。 界面材料的性能参数对热界面材料系统级性能（热、机械、电，及其它）的多种影响参数进行全面的认识对材料的发展是非常宝贵的。图4所示的简明的“鱼骨”图，提出了对系统级性能有影响的热界面材料的一些重要参数，选择合适的性能量度相当重要，热界面材料层的实时热阻（体热阻和接触热阻之和）是一个比热界面材料的体热阻更精准的、合适的性

10、能量度。例如，接合面的特性或组装条件对热界面材料层的体热导率没有影响，然而它们却是决定界面热阻和粘合层厚度BLT的主要因素。图4. 影响热界面材料系统级性能的因素图5标绘的是三种热界面材料在不同条件下组装后的实时热阻与体热阻的比较。这些热界面材料有相似的体热导率，但填料和树脂材料的特性不同。虽然这些热界面材料拥有相似的体热导率，然而在不同的组装条件下得到的体热阻却不同，同时也具有不同的界面热阻，因而在实时热阻的数值上表现出相当大的差别。填料影响实时热阻性能的重要因素有填料类型、形态和尺寸，还有填料含量和热界面材料形成过程中的填料处理条件。树脂类材料对粒子和表面的浸润能力，以及树脂和填料的互相作

11、用也会影响到热界面材料的实时性能。图5. 填料和树脂特性的影响对一个给定的热界面材料，已有一套完整的组装工艺条件用来降低热界面材料层的总热阻。图6显示了六种不同的热界面材料的实时热阻，它们在组装时分别使用了“标准”组装条件和“优化”了的组装条件。热性能在优化了的组装条件下有非常大的提升。不同热界面材料对组装条件的反应也不同。例如，在使用标准组装条件时，TIM-1的热阻比TIM-2，TIM-4和TIM-5都高。然而，当每种热界面材料都使用优化条件组装时，TIM-1 的热阻比TIM-2，TIM-4和TIM-5都要低。在选择一种热界面材料前，必须设定用于微电子封装的组装工艺条件及其可接受工艺条件的变

12、动范围。高含量热导填料的热界面材料系统拥有高的热导率，但它们具有更高的粘度，不能在低组装压力下达到薄的粘结厚度BLTs而呈现出高热阻通道效应。图6. 组装工艺条件的影响上述例子充分说明了在不同组装条件下对热界面材料层和器件（或封装）各表面间的热阻进行实时测量的重要性。虽然图4所示的一些因素各自影响着热界面材料层的性能，但在两种或更多因素间的相互作用对热界面材料层系统的性能也有巨大的影响。可靠性在器件工作时，硅器件和散热器/热沉间的热界面材料层会受到热应力和机械应力，这是因为硅器件和散热器材料的热膨胀系数不同。根据热界面材料系统的类型，会产生不同的失效机制。粘合性热界面材料层可能会出现分层，导致

13、在热界面材料的界面和接合层中形成空隙，从而引起热阻增大。硅脂层可能会在器件使用寿命期内吸出，外流，或干透。凝胶可能会固化，并不再与散热器表面形貌紧密结合。在器件工作寿命内热界面材料层的退化会缩短器件的寿命并降低它的性能。加速可靠性测试（空气中的热冲击，施加温度/湿度，高温存储等）可以确定热界面材料层的可靠性。会有一些因素影响热界面材料层的可靠性：除工作条件之外，还有热界面材料层的几何形状（粘合厚度，接触面积）、树脂材料、散热器和芯片的表面特性等，填料的类型和含量也会对热界面材料层的可靠性有一定影响。选择合适的材料特定应用中热界面材料的选择要考虑多种因素，其中性能、可制造性和成本是首要因素。所期望的热界面材料特性包括：   低实时热阻；高体热导率；能在实际组装条件下实现低粘结厚度BLT；以及实际（最终使用）应用时各层面间能保持低的界面热阻。   如果需要作为结构支撑时应有足够的粘合力。   能够在整个器件寿命期间保持其热性能和机械性能。   在目前的制造环境中容易加工。   其它考虑的因素还有如低挥发性，介电性质，存储条件，保存期限，罐装期限，毒性等。结论芯片散热器间和散热器热沉间的热界面材料层对微电子器件的性能和可靠性都很重要。全面认