集成電路封裝材料-熱界面材料

熱界面材料包封保護材料-環(huán)氧模塑料復習：包封保護材料-底部填充料包封保護材料-NCP/NCFThermal

Management:熱管理學科專門研究各種電子設備的安全散熱方式、散熱裝置及所使用的材料。

散熱問題成為限制功率密度和可靠性的瓶頸。TIM：一般也稱為導熱界面材料和界面導熱材料，是一種廣泛應用于IC熱管理的材料。系統(tǒng)結構中，兩種異質材料接觸面或結合面會產(chǎn)生微空隙、界面表面會有凹凸不平的孔洞等幾何缺陷，TIM可以填充這些空隙及孔洞，減小傳熱的接觸熱阻，達到提高散熱目的。TIM一般由彈性體材料混合填充導熱填料制成，是基于高分子（大分子）的復合材料。目錄5.1TIM在先進封裝中的應用5.2TIM類別和材料特性5.3新技術與材料發(fā)展5.1

TIM在先進封裝中的應用微觀表面粗糙度固體表面大部分區(qū)域是被空氣隔開的，空氣熱導率0.024W/(m·K)接觸熱阻較大，不易將熱量排散圖5-1熱界面材料的工作原理及分類5.1

TIM在先進封裝中的應用根據(jù)所處位置，分為TIM1和TIM2TIM1又稱一級TIM，是芯片與封裝外殼之間的熱界面材料，與發(fā)熱量極大的芯片直接接觸，要求TIM1材料具有低熱阻和高熱導率，CTE與硅片匹配。TIM2又稱二級TIM，是封裝外殼與熱沉之間的TIM。TIM2相對TIM1要求低。

TIM1需要具備電絕緣性能，以防止電子元器件短路，一般多為聚合物基復合材料；

TIM2沒有電絕緣性能要求，一般多為碳基TIM。5.1

TIM在先進封裝中的應用高熱導率是選擇TIM的初始考量參數(shù)。其次是黏接性能及浸潤性能。使用溫度范圍也非常重要，其使用溫度范圍應大于電子元器件的工作溫度范圍。同時要保證TIM在電子元器件工作溫度范圍內(nèi)具有好的穩(wěn)定性和高的可靠性。使用時施加一定壓力，降低接觸電阻；使用時空氣能非常容易地從TIM逸出；TIM與固體界面的黏接力學性能，易返修性能。5.1

TIM在先進封裝中的應用TIM1，主流產(chǎn)品一般是高導熱性能粉體填充于含硅或非硅聚合物液體或相變聚合物，形成漿狀、泥狀、膏狀或薄膜狀復合材料，如導熱膏、導熱膠、相變材料。報道材料，低于10W/(m·K)，界面熱阻大于0.05K·cm2/W，商業(yè)化一般低于6W/(m·K)，熱阻大于0.1K·cm2/W，不能滿足高功率密度電子元器件散熱需求。5.1

TIM在先進封裝中的應用陣列式填料，CNT，石墨烯，金屬納米線，與高分子聚合物復合，其熱導率達數(shù)百W/(m·K)，且可重復使用。缺點是熱阻高，絕緣性差。分為導電和非導電兩種類型，適合不同的應用場合。高壓、高功率電子元器件散熱一般要求TIM具有高導熱性、低熱阻同時滿足絕緣要求，避免工作時電擊穿、信號衰減。5.1

TIM在先進封裝中的應用TIM2，常用材料包括石墨片、金剛石等碳基高導熱性材料，石墨片、金剛石熱導率達1000~2000W/(m·K)。有報道稱單層石墨烯橫向熱導率可達5000W/(m·K)，當其附著于基板時，會降低到600W/(m·K)，大大限制散熱效果。要研究碳基材與基板間的傳熱機理，提高橫向TIM的整體熱導率。

5.1

TIM在先進封裝中的應用TIM廣泛應用于各工業(yè)領域，如計算機、消費類設備、電信基礎設施、LED照片產(chǎn)品、可再生能源、汽車、軍事/工業(yè)設備和醫(yī)療設備等。TIM材料企業(yè)：漢高（Henkel）和固美麗（Parker-Chomerics），約占一半市場份額。漢高、固美麗、萊爾德科技（Laird

Technologies）、貝格斯（BERGQUIST，2014被沒高收購）、陶氏化學（DowChemical）、日本信越（ShinEstu）、富士電機（FujiElectric）。5.1

TIM在先進封裝中的應用萊爾德科技、貝格斯產(chǎn)品線設備齊全；固美麗主要做相變材料；富士電機側重模組應用，產(chǎn)品熱導率高；陶氏化學主要做導熱硅脂。國外產(chǎn)品幾乎壟斷高端產(chǎn)品市場。國內(nèi)：煙臺德邦科技有限公司、深圳傲川科技有限公司、浙江三元電子科技有限公司、依美集團，技術及產(chǎn)品目前處于初級發(fā)展階段，產(chǎn)品各有側重。5.2

TIM類別和材料特性按導電性：分絕緣型和導電型按組成：單組分和雙組分按構成成分：有機型、無機型和金屬型；按特性差異及發(fā)展：導熱膏、導熱墊片、相變材料、導熱凝膠、導熱灌封膠、導熱膠帶和黏接劑。導熱膏、導熱墊片、相變材料市場產(chǎn)量高，應用廣泛。5.2

TIM類別和材料特性圖5-2常用的熱界面材料5.2

TIM類別和材料特性圖5-3熱界面材料分類5.2

TIM類別和材料特性分類熱導率/［W/（m·K）］鍵合厚度/μm界面熱阻（10－2K·cm2/W）可重復性可替代性導熱膏0.4～420～15010～200否中導熱墊片0.8～3200～1000100～300是優(yōu)相變材料0.7～1.520～15030～70否中導熱凝膠2～575～25040～80否中導熱膠帶1～250～20015～100否差表5-1典型熱界面材料及其特性5.2.1

導熱膏5.2.2導熱墊片5.2.3相變材料5.2.4導熱凝膠5.2.5導熱膠帶5.2.6導熱灌封膠5.2

TIM類別和材料特性5.2.1

導熱膏又稱導熱硅脂（ThermalGrease），是一種傳統(tǒng)的散熱材料，界面熱阻為0.2~1.0K·cm2/W。呈液態(tài)或膏狀，具有一定流動性，在一定壓強下（100~400Pa）下可以在兩個固體表面間形成一層很薄的膜，能極大地降低異質表面間的熱阻?？捎糜谖⒉ㄍㄐ?、微波傳輸設備、微波專用電源等微波器件及晶體管、中央處理器、熱敏電阻、溫度傳感器等。5.2.1

導熱膏除導熱外，還起到防潮、防塵、減震等作用。圖5-4輔助中央處理器散熱的導熱膏5.2.1

導熱膏常用基體，聚二甲基硅氧烷和多元醇酯。導熱填料：AlN或ZnO，也可以選BN，Al2O3，SiC或銀，石墨，鋁粉及鑫剛石粉末。導熱膏工藝操作簡單，不需要固化，成本較低。使用前，首先通過靜置、加壓或真空排泡等去除導熱膏中夾帶的少量空氣，然后將被涂覆元器件表面擦洗干凈至無雜質，用刮刀、刷子等工具直接涂覆導熱膏即可。5.2.1

導熱膏市場份額最大，導熱率高；使用過程需要很小的扣合壓力；與基材潤濕性好，有利于空氣排出，達到提高整體導熱性目換。問題：具有流動性，容易溢出污染，且不易清潔，對使用者親和力差；多次循環(huán)后基體材料容易出現(xiàn)分離，出現(xiàn)溢油現(xiàn)象，易隨時間干涸。5.2.2

導熱墊片又稱導熱硅膠片、導熱硅膠墊、電絕緣導熱片或軟性散熱墊等，通常以硅橡膠為高分子聚合物基體，以高導熱性的無機顆粒為填料合成的片狀熱界面材料。主要應用于填充發(fā)熱元器件和散熱片或金屬底座之間的空隙，完成兩者之間的熱傳遞，同時起減震、絕緣、密封作用。5.2.2

導熱墊片圖5-5電子元器件中的導熱墊片5.2.2

導熱墊片材料組成，高分子聚合物基體以有機硅聚合物為主，高溫下介電性能比較穩(wěn)定、耐氧化、絕緣性好、耐水阻燃，同時具有易加工特點。填料：多為氮化物AlN,BN，或金屬氧化物ZnO,

Al2O3，填充量及配比會影響導熱墊片的熱導率。如對絕緣性要求不高，可多添加高導熱性、非緣緣性填料，可獲得更高的熱導率。5.2.2

導熱墊片導熱墊片需具備如下性能：（1）良好的彈性，能適應壓力變化，不因壓力或緊固力造成損傷。（2）柔韌性好，與兩個接觸面均能很好地貼合。（3）不污染工藝介質。（4）在低溫時不硬化，收縮量小。（5）加工性能好，安裝、壓緊方便。（6）不黏接密封面，拆卸容易。（7）價格便宜，使用壽命長。5.2.2

導熱墊片導熱墊片工藝厚度可以自由裁剪，范圍0.5~5mm，每0.5mm一級。特殊要求可增至15mm。存在問題：隨著時間推移和溫度升高，發(fā)熱元器件熱量逐漸積累，導熱墊片會發(fā)生蠕變、應力松弛等現(xiàn)象，導致機械強度降低，影響互連界面密封性。5.2.3

相變材料通常狀態(tài)下為薄膜片狀固態(tài)，在超過一定溫度時會吸熱熔融成為液態(tài)，可充分潤濕熱傳遞界面，加強傳熱，當溫度降低后，恢復為固態(tài)。圖5-6相變材料實物圖5.2.3

相變材料圖5-7相變材料的工作原理5.2.3

相變材料相變材料結合了導熱膏和導熱墊片各自優(yōu)點：電子元器件剛開始運行時溫度比較低，低于相變材料的熔點，此時為與導熱墊片類似固態(tài)，具有良好的彈性和恢復性，裝配容易且不會出現(xiàn)擠出現(xiàn)象。溫度升高，當超過相變材料的熔點時，由固態(tài)轉變?yōu)榭闪鲃訝顟B(tài)，浸潤部件與熱沉（或電路卡組件）之間界面，像導電膏一樣盡可能填充所有空隙，進而減少材料界面間的接觸熱阻。浸潤后，發(fā)熱元器件恢復到正常工作溫度，相變材料恢復固態(tài)。5.2.3

相變材料圖5-8相變材料溫度隨時間變化的曲線5.2.3

相變材料相變材料具有能量緩沖效果，通過相變過程中熱量吸收或釋放，額外增加熱耗散路徑，有利于余熱的傳播和擴散，防止溫度急劇上升，元器件工作溫度得到緩解，從而延長使用壽命。5.2.3

相變材料相變材料及其載體材料的總熱導率取決于載體材料的熱導率。根據(jù)載體材料不同，相變材料分為以下兩大類：（1）有機相變材料，或高分子相變材料。熔融溫度在50~80oC，熱塑性樹脂，如石蠟、酯類、醇類有機物，具有性能穩(wěn)定、成本低的優(yōu)點。高分子聚合物基體，導熱性不佳，需要添加高導熱材料。浸潤性不如導熱膏，多次循環(huán)后不能有效填充界面空隙。（2）無機相變材料，主要包含合金和熔融鹽，金屬本身（如Al）具有高導熱性，不需要導熱材料的加入，但容易被氧化與腐蝕，填充界面空隙能力較差。5.2.3

相變材料相變材料的介電強度取決于載體性質及厚度，如PI載體厚度為25.4mm時，相變材料的耐壓為3900V。載體化學組分不同，相變材料的熔點可以進高調整，常用的相變材料的溫度范圍48~130oC之間。5.2.3

相變材料有機相變材料不足：熱導率及接觸熱阻比導熱膏差；由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)時，會釋放熱量從而產(chǎn)生熱應力；相變時容易發(fā)生相分離，填料顆粒與相變材料基體分離，從而影響使用，其穩(wěn)定性和工藝重現(xiàn)性差。解決方案：（1）采用導熱強化的微膠囊封裝技術，可提高導熱性和穩(wěn)定性，有效防止相變過程的相分離。（2）在有機相變材料中混合添加一些高導熱性的填料，如石墨烯。5.2.4

導熱凝膠又稱導熱彈性膠，是一種凝膠狀的導熱材料，通常是在具有較好的彈性或塑性基體（硅膠、石蠟）中添加具有高熱導率的顆粒，并經(jīng)過固化交聯(lián)反應制造而成的。熱導率3~4W/(m·K)，施加較大壓力的情況下，厚度可達0.1mm，界面熱阻低至0.8K·cm2/W.具有良好的彈性和變形性，施加壓力，能緊密地與固體表面結合，更好地順應固體表面的粗糙度而填充空隙，進而排擠出界面之間的空氣，達到降低熱阻目的。與導熱膏比，不存在溢出或相分離情況，也不會污染電路板和環(huán)境，使用和處理都很方便。與導熱墊片比，導熱凝膠更加柔軟，表面親和性更強，幾乎沒有硬度，裝配應力小，有交提高元器件的穩(wěn)定性。5.2.4

導熱凝膠缺點：需要增加固化交聯(lián)反應步驟，熱導率比導熱膏低。導熱凝膠與固體表面通過力的作用接觸在一起，相互之間黏接強度較弱，如果壓力達不到要求，導熱凝膠很難填充界面之間空隙，不能實現(xiàn)有效散熱。圖5-9導熱凝膠實物圖5.2.5

導熱膠帶用作散熱元器件的貼合材料，具有高導熱性、絕緣、固定功能，兼有柔軟、服帖、強黏等特性。導熱膠帶與普通膠帶或雙面膠帶大致相同，是在聚酰亞胺膜、金屬箔帶等支撐材料單面或雙面涂覆導熱膠的膠帶。操作方便，相比其它液態(tài)導電膏，簡化了工藝，能適應接觸面的不規(guī)則形狀，不會溢出污染元器件，穩(wěn)固性好，不會輕易移動。導熱膠帶中填充導熱顆粒有限，熱導率相對較低，通常為1~2

W/(m·K)，僅應用于黏接，更加適用于小功率元器件。5.2.5

導熱膠帶圖5-10導熱膠帶實物圖5.2.6

導熱灌封膠灌封指按照要求把構成電子元器件的各個組分合理組裝、鍵合、與環(huán)境隔離和保護等封裝操作，可起到防塵、防潮、防震的作用，可延長電子元器件的使用壽命。導熱灌封膠是在普通灌封膠基礎上添加導熱填料形成的，如SiO2、Al2O3、AlN、BN等，不同的導熱填料可得到不同的熱導率，普通的可達0.6~2.0

W/(m·K)，高熱導率可達到4.0

W/(m·K)。導熱灌封膠固化速度與溫度有關，可在室溫下固化，如果加熱，那么固化速度更快。導熱灌封膠優(yōu)點：黏度低、流平性好、抗沖擊性好、附著力強、絕緣、防潮、耐化學腐蝕性好。缺點：需要配膠、有操作時間限制、內(nèi)應力較高。5.2.6

導熱灌封膠圖5-11導熱灌封膠實物圖5.3

新技術與材料發(fā)展3.0

W/(m·K)占絕大部分市場國外熱界材料技術成熟，產(chǎn)品已經(jīng)系列化、產(chǎn)業(yè)化，市場占有率高，產(chǎn)品隨技術進步不斷更新?lián)Q代，已全面實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)；國內(nèi)：技術尚不成熟，多為中低端產(chǎn)品，多數(shù)研發(fā)中的產(chǎn)品，硬度高，柔韌性差，與國外產(chǎn)品有明顯差距。未來向高導熱性、高穩(wěn)定性發(fā)展。5.3

新技術與材料發(fā)展熱導率高低主要取決于熱界面材料中填料的傳熱性能，因素包括：填料容積比、類型、及填充顆粒的尺寸、形狀和規(guī)格。一般情況下，填料含量越多，傳熱特性越好；填充顆粒越小，熱界面材料的熱阻越低。5.3

新技術與材料發(fā)展圖5-12熱界面材料技術發(fā)展路線圖5.3

新技術與材料發(fā)展高導熱性、低熱阻、高可靠性及低成本是主要發(fā)展方向3

W/(m·K)向10

W/(m·K)發(fā)展，甚至更高水平，具體實現(xiàn)方式從主要依靠填料技術向納米技術過渡，在發(fā)展過程中面臨工藝上的挑戰(zhàn)。目前新材料開發(fā)主要集中在填料技術和納米技術的TIM應用上。5.3

新技術與材料發(fā)展5.3.1填料技術在TIM中的應用5.3.2納米技術在TIM中的應用5.3.1填料技術在TIM中的應用TIM具有高導熱性的高分子聚合物材料。一般高分子聚合物材料熱導率<0.5

W/(m·K)，屬于熱的不良導體。5.3.1填料技術在TIM中的應用高分子聚合物基體熱導率/［W/（m·K）］聚乙烯（PE）0.16～0.24聚酰胺（PA）0.18～0.29聚氯乙烯（PVC）0.13～0.17聚己二酸己二胺（PA66）0.25聚四氟乙烯（PTFE）0.27聚丙烯（PP）0.19聚苯乙烯（PS）0.08聚丁二烯（PB）0.23環(huán)氧樹脂（EP）0.18表5-2常見高分子聚合物基體的熱導率5.3.1填料技術在TIM中的應用高分子聚合物具有材料密度低、電緣性和良好的加工性等特點，制得到導熱聚合物能很好地結合這些優(yōu)異的物理性能。填充型導熱聚合物材料成本低，制造容易實現(xiàn)，占據(jù)主要市場地位，成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要方向。國內(nèi)導熱型聚合物材料研究主要集中在填充型導熱聚合物材料方向。導熱填料主要可以分為：金屬填料、陶瓷填料、碳類填料、混合填料（或雜化填料）、定向排列填料。5.3.1填料技術在TIM中的應用導熱填料熱導率［W/（m·K）］導熱填料熱導率［W/（m·K）］Cu398BN125～280Ag427BeO200～270Au315SiC80～260Al237Si3N4180Mg103MgO36Fe63Al2O330石墨200～600ZnO26碳納米管1000～5000TiO213C105～500SiO210AlN80～320——表5-3常見導熱填料的熱導率5.3.1填料技術在TIM中的應用（1）金屬填料，如Cu、Ag、Au、Al等。熱導率優(yōu)良、加工性能好、CTE低，是TIM中常見的導熱填料。高度取向Ag導熱網(wǎng)絡獲得極大提高。連續(xù)金屬基TIM、液態(tài)金屬填料、金屬納米線是近年來研究熱點。相同填料占比下，Cu納米線比Ag納米線表現(xiàn)更優(yōu)異的導熱增強效果。液態(tài)金屬填料成分為金屬Ga及其合金，具有低熔點，低界面熱阻、芯片潤濕性好的優(yōu)點，缺點是容易溢出。5.3.1填料技術在TIM中的應用（2）陶瓷填料，如BN、AlN、SiC等。具有非常高的熱導率，成為熱管理研究中的熱門研究對象。具有優(yōu)異的絕緣性能，適合要求電絕緣的工作環(huán)境。5.3.1填料技術在TIM中的應用（3）碳類填料，從石墨、金剛石到碳納米管、石墨烯這類碳納米材料，應用于TIM材料的的填料研究。柔性石墨又稱膨脹石墨，和天然石墨結構相同。采用多層高質量石墨作為TIM，可望具有更好的散熱性能。Panosonic開發(fā)的柔性熱解石墨膜（PyrolyticGraphiteSheetPGS）已實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，由石墨片和高導熱性樹脂復合，熱導率可達700~1950

W/(m·K)，柔軟易加工，僅需粘貼膜產(chǎn)品即中得到散熱效果。5.3.2納米技術在TIM中的應用碳納米顆粒個有高的導率，