Достижения в исследованиях материалов для термоинтерфейса на металлической основе

С непрерывным развитием электронных технологий основным направлением ее развития стали интеграция, миниатюризация и высокая удельная мощность микросхем.Это предъявляет более высокие требования к управление температурным режимом технологии.Система терморегулирования чипа более сложная.Помимо таких устройств, как радиаторы с высокой теплопроводностью и радиаторы с высокой эффективностью рассеивания тепла снижение контактного теплового сопротивления между электронными компонентами и радиаторами также является проблемой, на которой необходимо сосредоточиться в системах управления температурой чипа.

Когда электронные компоненты и радиаторы соприкасаются друг с другом, на поверхности контакта между твердыми телами существуют воздушные зазоры.Фактическая площадь контакта составляет около 10% макроскопической площади контакта, при этом основная часть пустот заполнена воздухом.Воздух плохо проводит тепло, и теплопроводность воздуха при комнатной температуре составляет всего 0,026 Вт/(м·К).Наличие воздуха затрудняет теплообмен между интерфейсами, что приводит к увеличению теплового сопротивления интерфейса между чипом и радиатором.Следовательно, это значительно снижает эффективность рассеивания тепла системой и сокращает срок службы чипа.Для обеспечения нормальной работы нагревательного элемента между нагревательным электронным элементом и радиатором размещены материалы, способные быстро и эффективно проводить тепло.Этот материал называется материалами для термоинтерфейса (TIM).При этом используются материалы с высокой теплопроводностью и высокой пластичностью, чтобы заполнить зазор между ними, чтобы улучшить теплопередачу, эффективно снизить тепловое сопротивление интерфейса и повысить эффективность радиатора.Таким образом дополнительно обеспечивается эффективная работа микросхемы и увеличивается срок ее службы.

Идеальный ТИМ должен иметь такие характеристики, как малая толщина, высокая теплопроводность и низкое контактное термическое сопротивление.При фактическом выборе и разработке TIM, в дополнение к общему термическому сопротивлению интерфейса, следует всесторонне учитывать другие факторы, такие как электрическая изоляция, механическая прочность и т. д. С непрерывным развитием TIM появилось много видов коммерческих продуктов. магазин.В основном это термопаста, термоклей, термогель, материал с фазовым переходом и термопрокладка.Традиционные термоинтерфейсные материалы на полимерной основе составляют почти 90% всей продукции TIM.Поскольку спрос на теплоотвод электронных компонентов увеличивается с каждым годом, материалы для теплового интерфейса на основе металлов стали горячей темой исследований из-за их высокой теплопроводности, и их доля на рынке также увеличивается с каждым годом.Многие ученые обобщили текущее состояние индустрии ТИМ и проанализировали рыночные условия различных типов ТИМ.Тем не менее, отсутствует систематическая разработка материалов для тепловых интерфейсов на основе металлов.

В этой статье систематически представлены результаты исследований ТИМ на основе металлов.TIM на основе металлов резюмируются с точки зрения типа материала и эксплуатационных характеристик.Ожидается, что будущее развитие TIM послужит отправной точкой для исследований в области технологий управления температурным режимом.

TIM являются важной частью конструкции рассеивания тепла электронных компонентов.Общая структура отвода тепла чипа и процесс отвода тепла показаны на рисунке 1.

Из рис. 1 видно, что ТИМы размещены между чипом и испарительной камерой, а также между испарительной камерой и радиатором.Тепло, выделяемое чипом, передается в окружающую среду через ТИМ1, испарительную камеру, ТИМ2 и радиатор.На рис. 2 представлена ​​микроскопическая схема контакта интерфейса устройства до и после заполнения ТИМов.

На рис. 2(а) показана реальная ситуация, когда электронные компоненты находятся в непосредственном контакте с радиатором.Из рисунка видно, что реальных точек контакта мало и контакт неполный.На рис. 2(b) показана реальная ситуация заполнения ТИМов между электронными компонентами и радиаторами.Показанные ТИМы максимально заполнены воздушными зазорами, что обеспечивает герметичность соединений устройств и максимальный отвод тепла.Так как ТИМы не могут полностью контактировать с электронными компонентами и радиаторами.Существующее тепловое сопротивление интерфейса увеличивает разницу температур, соответствующую каждому интерфейсу.ΔT на рисунке — это разница температур между охлаждающей пластиной и электронными компонентами.ΔТ_{контакт} это разница температур между материалом термоинтерфейса и радиатором.ΔТ_ТИМ – разность температур верхней и нижней поверхностей материала теплового интерфейса.Толщина линии склеивания на рисунке относится к толщине TIM.Толщина линии связи является важным параметром для изучения теплопроводности ТИМ и расчета межфазного термического сопротивления.

Из-за разнообразия коммерчески доступных ТИМ каждый продукт имеет свои преимущества и недостатки.Текущие коммерческие TIM в основном делятся на следующие категории.

(1) Термопаста

Теплопроводящая силиконовая смазка обычно представляет собой пастообразный материал, состоящий из твердого вещества с высокой теплопроводностью и жидкости с хорошей текучестью и определенной вязкостью, полученной методом пеногашения.Он широко используется в промышленности и относится к устойчивым к высоким температурам органическим материалам.Теплопроводящая силиконовая смазка имеет лучшую адгезию к контактной поверхности, а ее толщину можно контролировать, чтобы она была очень тонкой.В то же время это дешево.Но его самый большой недостаток в том, что он окрашивает основной материал во время использования.Поскольку термопаста представляет собой жидкую пасту, она проявляет серьезный эффект откачки.Если она мобильна и используется длительное время, то постепенно выходит из строя, что снижает надежность системы.

(2) Термическая прокладка

Теплопроводная прокладка представляет собой разновидность мягкого и эластичного теплопроводного материала промежуточного слоя, образованного путем нагревания и отверждения с использованием высокомолекулярных полимерных материалов или других материалов в качестве матрицы с добавлением наполнителей и добавок с высокой теплопроводностью.Он может не только заполнять неравномерный зазор между электронными компонентами и радиатором, эффективно передавать тепло, но также играть роль уплотнения, амортизации и изоляции.Однако из-за высокого содержания теплопроводных частиц в некоторых продуктах усиливается противоречие между жесткостью, мягкостью и скоростью наполнения материала.Следовательно, это ограничивает общую производительность композитного материала теплового интерфейса.Кроме того, термопрокладки чувствительны к температуре.Если температура электронных компонентов и термопрокладок повысится, прокладки испытают релаксацию напряжений.Площадь заполнения уменьшается, а эффект теплопроводности ухудшается.

(3) Материалы теплового интерфейса с фазовым переходом

Материалы теплового интерфейса с фазовым переходом относятся к классу материалов, которые могут подвергаться фазовым переходам твердое-жидкое или твердое-твердое при изменении температуры.Он имеет определенную теплопроводность, которая может снизить тепловое сопротивление интерфейса и реализовать теплообмен.Материалы для термоинтерфейса с фазовым переходом сочетают в себе двойные преимущества термопрокладок и термопасты.При повышении температуры электронных компонентов во время работы материал претерпевает фазовый переход в жидкое состояние, эффективно смачивая термоинтерфейс.Обладает той же заполняющей способностью, что и термопаста, которая может максимально заполнить межфазный зазор.Это снижает межфазное термическое сопротивление.Кроме того, материалы теплового интерфейса с фазовым переходом поглощают и выделяют скрытую теплоту в процессе фазового перехода.Он имеет эффект буферизации энергии, который может предотвратить слишком быстрое изменение рабочей температуры электронных компонентов.Это продлевает срок службы электронных компонентов.Однако теплопроводность материала термоинтерфейса с фазовым переходом является средней, а толщину трудно контролировать.

В дополнение к вышеупомянутым трем типам ТИМ коммерчески доступные ТИМ также включают теплопроводные гели и металлические листы.Типичные материалы теплового интерфейса и их свойства теплопередачи показаны в таблице 1.

(4) Материалы теплового интерфейса на металлической основе

Материалы теплового интерфейса на основе металлов включают металлы с низкой температурой плавления и композитные материалы с металлической матрицей, которые используют металлы с низкой температурой плавления в качестве матрицы и добавляют фазы, улучшающие теплопроводность.Из-за высокой теплопроводности самого металла собственная теплопроводность готовых ТИМ значительно превышает теплопроводность полимерных ТИМ.Заявленная теплопроводность материалов теплового интерфейса на основе металлов составляет от 10 до 40 Вт/(м·К), что на 2 порядка выше, чем у традиционных органических или неорганических материалов.Более того, легкоплавкие металлы и их композиционные материалы могут плавиться в диапазоне температур, выдерживаемом стружкой.Это полностью заполняет интерфейсный зазор и значительно снижает тепловое сопротивление интерфейса, что может обеспечить эффективный и стабильный отвод тепла чипа.Поэтому в последние годы легкоплавкие металлы и их композиты быстро стали горячей темой исследований в области ТИМ и получили широкое внимание.

Материалы теплового интерфейса на основе металлов предпочтительны в полупроводниках с высокой плотностью мощности из-за их превосходной теплопроводности.В основном это низкоплавкие металлы и композиты с металлической матрицей.К легкоплавким металлам в качестве основных компонентов относятся в основном Ga, Sn, In, Bi и сплавы на их основе.Этот тип материала имеет много преимуществ, таких как высокая теплопроводность, хорошая текучесть, низкое термическое сопротивление поверхности раздела и легкая реализация фазового перехода твердое тело-жидкость.В настоящее время он применяется во многих областях, таких как терморегуляция и энергетика, аддитивное производство (3D-печать), биомедицина и гибкие интеллектуальные машины.В последние годы это была горячая тема как в научных кругах, так и в промышленности.Ученые использовали методы численного моделирования для изучения теплоотдачи жидких металлов, что способствовало дальнейшему развитию этого типа материалов.Композиты с металлической матрицей в качестве ТИМ в основном используют в качестве матрицы легкоплавкие металлы.Армирующей фазой может быть неорганический неметалл, такой как керамика, углерод, графит и т. д., или металлические частицы, такие как Cu, Zn и т. д.

К металлам с низкой температурой плавления относятся металлы и их сплавы с температурой плавления ниже 300 °C, и они считаются материалами теплового интерфейса с потенциальными фазовыми переходами.Общим недостатком многих потенциальных материалов с фазовым переходом является низкая теплопроводность, например, теплопроводность органических материалов составляет 0,15 ~ 0．3 Вт/(м·К), теплопроводность соединения соленой воды составляет 0,4 ~ 0．7 Вт/(м·К).Его низкая теплопроводность приведет к плохому теплообмену между теплоносителем и поверхностью электронного компонента, что приведет к большому межфазному тепловому сопротивлению.Легкоплавкие металлы имеют много преимуществ, таких как теплопроводность в десятки раз выше, чем у традиционных ТИМов, относительно стабильные физико-химические свойства, высокая температура кипения и неагрессивность.Металлы с низкой температурой плавления также могут совершать фазовые переходы из твердого состояния в жидкое, быстро поглощая и выделяя тепло.Он имеет очевидные преимущества в технологии управления температурой.В таблице 2 перечислены типичные теплофизические свойства нескольких металлов или сплавов с низкой температурой плавления.Верхние индексы значений в таблице указывают на температуру испытания.a – 25°C, b – 200°C, c – 160°C, d – 100°C, n – 50°C, m – температура плавления металла.

Металлы с низкой температурой плавления обладают высокой теплопроводностью, сильной текучестью и широкой рабочей зоной жидкой фазы.Его можно использовать в качестве лучших ТИМов для мощного рассеивания тепла чипа, но слишком сильная текучесть вызовет утечку, что может привести к короткому замыканию чипа.

Композиты с металлической матрицей представляют собой композиционные материалы, изготовленные из металла в качестве матрицы и объединенные с одним или несколькими армирующими элементами.Большинство материалов его армирующей фазы представляют собой неорганические неметаллы, также могут использоваться металлические проволоки, частицы и т. д.Вместе с композитами с полимерной матрицей и композитами с керамической матрицей он представляет собой современную систему композитных материалов.Композиты с металлической матрицей обладают хорошими комплексными механическими свойствами, такими как прочность на сдвиг, ударная вязкость и усталостная прочность.В то же время он также обладает преимуществами теплопроводности, электропроводности, износостойкости, небольшого коэффициента теплового расширения, отсутствия старения и загрязнения.

Когда ТИМ изготавливают путем добавления керамики с высокой теплопроводностью или углеродных материалов к металлической матрице с низкой температурой плавления, разница в теплопроводности между ТИМ и чипами и радиаторы может быть улучшена при одновременном улучшении теплопроводности материала.

При использовании композитов с металлической матрицей для изготовления ТИМ добавление частиц с высокой теплопроводностью может значительно увеличить теплопроводность материала и улучшить характеристики ТИМ.Когда рабочая температура выше, чем температура плавления матричного сплава, добавленная армирующая фаза может эффективно увеличить вязкость материала, уменьшить текучесть материала и эффективно решить проблему короткого замыкания стружки, вызванную течением материала.Это идеальный ТИМ.Однако все еще существует много проблем, связанных со смачиваемостью армирующей фазы и матрицы в композитах с металлической матрицей.Способы улучшения интерфейса между ними и дальнейшего улучшения теплопроводности и высокой пластичности материала являются ключом к разработке ТИМ нового поколения.

Материалы термоинтерфейса на основе металлов имеют широкие перспективы применения в мощных полупроводниковых системах терморегулирования благодаря их высокой теплопроводности.В этой статье легкоплавкие металлы и их композиты, используемые в ТИМ, систематически обобщаются с точки зрения состава материала, процесса получения и свойств материала.На этой основе выдвигаются следующие предложения по проектированию и разработке термоинтерфейсных материалов на основе металлов в будущем.

(1) Металлы с низкой температурой плавления могут полностью заполнить интерфейс из-за их превосходной текучести, но также существует проблема утечки, приводящая к короткому замыканию чипа.Это требует исследования способов лучшего ограничения их мобильности.В то же время следует обратить внимание на окисление металлических материалов при длительной эксплуатации и травление материалов с обеих сторон интерфейса.

(2) Для композитов с металлической матрицей с низкой температурой плавления будущие исследования должны быть сосредоточены на улучшении межфазной связи между армирующей фазой и матрицей.Для дальнейшего улучшения характеристик материала необходимо сосредоточить внимание на модификации поверхности и композиционной форме армирующей фазы.

(3) Чтобы обеспечить прочную теоретическую основу для проектирования ТИМ, необходимо усилить исследования механизма теплопроводности ТИМ для выбора подходящей модели теплопроводности.