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Anzahl Durchsuchen:0 Autor:Site Editor veröffentlichen Zeit: 2023-02-17 Herkunft:Powered
Mit der kontinuierlichen Entwicklung der Elektroniktechnologie sind die Integration, Miniaturisierung und hohe Leistungsdichte von Chips zu ihrer Hauptentwicklungsrichtung geworden.Dies stellt höhere Anforderungen an Wärmemanagement Technologie.Das Wärmemanagementsystem des Chips ist komplizierter.Neben Geräten wie Kühlkörpern mit hoher Wärmeleitfähigkeit u Temperatur fällt Mit hoher Wärmeableitungseffizienz ist die Reduzierung des thermischen Kontaktwiderstands zwischen elektronischen Komponenten und Kühlkörpern auch ein Thema, auf das man sich bei Chip-Wärmemanagementsystemen konzentrieren muss.
Wenn elektronische Komponenten und Kühlkörper miteinander in Kontakt stehen, existieren Luftspalte an der Festkörper-Kontaktgrenzfläche.Die tatsächliche Kontaktfläche beträgt etwa 10 % der makroskopischen Kontaktfläche, wobei der Großteil der Hohlräume mit Luft gefüllt ist.Luft ist ein schlechter Wärmeleiter und die Wärmeleitfähigkeit von Luft bei Raumtemperatur beträgt nur 0,026 W/(m·K).Das Vorhandensein von Luft behindert die Wärmeübertragung zwischen den Grenzflächen, was zu einer Erhöhung des Wärmewiderstands der Grenzfläche zwischen dem Chip und dem Kühlkörper führt.Daher wird die Wärmeableitungseffizienz des Systems stark reduziert und die Lebensdauer des Chips verkürzt.Um den normalen Betrieb des Heizelements zu gewährleisten, werden Materialien, die Wärme schnell und effektiv leiten können, zwischen das elektronische Heizelement und den Kühlkörper gefüllt.Dieses Material wird Thermal Interface Materials (TIM) genannt.Dabei werden Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher Duktilität verwendet, um die Lücke zwischen den beiden zu füllen, um die Wärmetransportkapazität zu verbessern, den Wärmewiderstand der Grenzfläche effektiv zu reduzieren und die Effizienz des Kühlkörpers zu verbessern.Auf diese Weise wird der effiziente Betrieb des Chips weiter sichergestellt und dessen Lebensdauer verbessert.
Ein ideales TIM sollte Eigenschaften wie geringe Dicke, hohe Wärmeleitfähigkeit und geringen thermischen Kontaktwiderstand aufweisen.Bei der tatsächlichen Auswahl und Gestaltung von TIM sollten neben dem gesamten Wärmewiderstand der Grenzfläche auch andere Faktoren umfassend berücksichtigt werden, wie z. B. elektrische Isolierung, mechanische Festigkeit usw. Mit der kontinuierlichen Entwicklung von TIM sind viele Arten von kommerziellen Produkten entstanden der Markt.Dazu gehören hauptsächlich Wärmeleitpaste, Wärmeleitkleber, Wärmeleitgel, Wärmeleitmaterial und Wärmeleitpad.Herkömmliche Wärmeleitmaterialien auf Polymerbasis machen fast 90 Prozent aller TIM-Produkte aus.Da die Nachfrage nach Wärmeableitung elektronischer Komponenten Jahr für Jahr steigt, sind metallbasierte Wärmeleitmaterialien aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit zu einem heißen Forschungsthema geworden, und auch ihr Marktanteil hat Jahr für Jahr zugenommen.Viele Wissenschaftler haben den aktuellen Stand der TIM-Branche zusammengefasst und die Marktbedingungen verschiedener Arten von TIM analysiert.Es fehlt jedoch an einer systematischen Ausarbeitung metallbasierter thermischer Grenzflächenmaterialien.
Dieser Beitrag stellt systematisch den Forschungsfortschritt von metallbasierten TIMs vor.Metallbasierte TIMs werden unter den Aspekten Materialtyp und Leistungseigenschaften zusammengefasst.Es wird erwartet, dass die zukünftige Entwicklung von TIMs eine Referenz für die Forschung zur Wärmemanagementtechnologie darstellt.
TIMs sind ein wichtiger Bestandteil der Wärmeableitungsstruktur elektronischer Komponenten.Die allgemeine Chip-Wärmeableitungsstruktur und der Wärmeableitungsprozess sind in Abbildung 1 dargestellt.
Aus Abbildung 1 ist ersichtlich, dass TIMs zwischen dem Chip und der Dampfkammer sowie zwischen der Dampfkammer und dem Strahler angeordnet sind.Die vom Chip erzeugte Wärme wird über TIMs1, Dampfkammer, TIMs2 und Kühlkörper an die Umgebung abgegeben.Abbildung 2 ist ein mikroskopisches schematisches Diagramm des Geräteschnittstellenkontakts vor und nach dem Füllen von TIMs.
Abbildung 2(a) zeigt die tatsächliche Situation, in der die elektronischen Komponenten in direktem Kontakt mit dem Kühlkörper stehen.Aus der Figur ist ersichtlich, dass es wenige tatsächliche Kontaktpunkte gibt und der Kontakt unvollständig ist.Abbildung 2(b) zeigt die tatsächliche Situation beim Füllen von TIMs zwischen elektronischen Komponenten und Kühlkörpern.Die gezeigten TIMs sind maximal mit Luftspalten gefüllt, was dichte Geräteverbindungen und maximale Wärmeableitung ermöglicht.Da TIMs nicht vollständig mit elektronischen Komponenten und Kühlkörpern in Kontakt kommen können.Der vorhandene Wärmewiderstand der Grenzfläche macht die jeder Grenzfläche entsprechende Temperaturdifferenz größer.ΔT in der Abbildung ist die Temperaturdifferenz zwischen der Kühlplatte und den elektronischen Komponenten.ΔTKontakt ist die Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeleitmaterial und dem Kühlkörper.ΔTTim ist die Temperaturdifferenz zwischen der oberen und unteren Oberfläche des thermischen Schnittstellenmaterials.Die Dicke der Verbindungslinie in der Abbildung bezieht sich auf die Dicke von TIMs.Die Dicke der Verbindungslinie ist ein wichtiger Parameter, um die Wärmeleitfähigkeit von TIMs zu untersuchen und den Wärmewiderstand an der Grenzfläche zu berechnen.
Aufgrund der Vielfalt an handelsüblichen TIMs hat jedes Produkt seine eigenen Vor- und Nachteile.Die aktuellen kommerziellen TIMs werden hauptsächlich in die folgenden Kategorien eingeteilt.
(1) Wärmeleitpaste
Wärmeleitfähiges Silikonfett ist normalerweise ein pastöses Material, das durch ein Entschäumungsverfahren aus einem hochwärmeleitfähigen Feststoff und einer Flüssigkeit mit guter Fließfähigkeit und einer bestimmten Viskosität hergestellt wird.Es ist in der Industrie weit verbreitet und gehört zu den hochtemperaturbeständigen organischen Materialien.Das wärmeleitfähige Silikonfett haftet besser an der Kontaktfläche und die Dicke kann so gesteuert werden, dass sie sehr dünn ist.Gleichzeitig ist es billig.Der größte Nachteil ist jedoch, dass es das Basismaterial während des Gebrauchs verschmutzt.Da es sich bei der Wärmeleitpaste um eine flüssige Paste handelt, weist sie einen starken Pump-out-Effekt auf.Wenn es mobil ist und lange verwendet wird, fällt es allmählich aus, was die Zuverlässigkeit des Systems verringert.
(2) Thermische Dichtung
Eine wärmeleitfähige Dichtung ist eine Art weiches und elastisches wärmeleitfähiges Zwischenschichtmaterial, das durch Erhitzen und Aushärten mit hochmolekularem Polymermaterial oder anderen Materialien als Matrix gebildet wird, wobei hochwärmeleitfähige Füllstoffe und Additive hinzugefügt werden.Es kann nicht nur die ungleichmäßige Lücke zwischen den elektronischen Komponenten und dem Kühlkörper füllen, Wärme effektiv übertragen, sondern auch die Rolle der Abdichtung, Stoßdämpfung und Isolierung spielen.Aufgrund des hohen Gehalts an wärmeleitenden Partikeln in einigen Produkten verstärkt sich jedoch der Widerspruch zwischen Steifigkeit, Weichheit und Füllgrad des Materials.Daher begrenzt dies die Gesamtleistung des Wärmegrenzflächen-Verbundmaterials.Außerdem sind Wärmeleitpads temperaturempfindlich.Wenn die Temperatur von elektronischen Komponenten und Wärmeleitpads ansteigt, erfahren die Pads eine Spannungsrelaxation.Die Füllfläche wird kleiner und die Wärmeleitwirkung schlechter.
(3) Wärmegrenzflächenmaterialien mit Phasenwechsel
Phasenwechsel-Wärmegrenzflächenmaterialien beziehen sich auf eine Klasse von Materialien, die bei Temperaturänderungen Fest-Flüssig- oder Fest-Fest-Phasenübergänge durchlaufen können.Es hat eine bestimmte Wärmeleitfähigkeit, die den Wärmewiderstand der Grenzfläche verringern und eine Wärmeübertragung realisieren kann.Wärmeleitmaterialien mit Phasenwechsel vereinen die zwei Vorteile von Wärmeleitpads und Wärmeleitpaste.Wenn die Temperatur elektronischer Komponenten während des Betriebs ansteigt, erfährt das Material eine Phasenänderung in einen flüssigen Zustand, wodurch die thermische Grenzfläche effektiv benetzt wird.Es hat die gleiche Füllfähigkeit wie Wärmeleitpaste, die den Grenzflächenspalt maximal ausfüllen kann.Dies verringert den thermischen Grenzflächenwiderstand.Zusätzlich absorbieren und geben Wärmegrenzflächenmaterialien für Phasenwechsel während des Phasenwechselprozesses latente Wärme ab.Es hat die Wirkung einer Energiepufferung, die verhindern kann, dass sich die Arbeitstemperatur elektronischer Komponenten zu schnell ändert.Dies verlängert die Nutzungszeit der elektronischen Komponenten.Die Wärmeleitfähigkeit des Phasenwechsel-Wärmegrenzflächenmaterials ist jedoch durchschnittlich, und die Dicke ist schwer zu kontrollieren.
Zusätzlich zu den oben genannten drei Arten von TIMs enthalten kommerziell erhältliche TIMs auch wärmeleitfähige Gele und Metallbleche.Typische Wärmeleitmaterialien und ihre Wärmeübertragungseigenschaften sind in Tabelle 1 aufgeführt.
(4) Wärmeleitmaterialien auf Metallbasis
Wärmegrenzflächenmaterialien auf Metallbasis umfassen Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt und Metallmatrix-Verbundmaterialien, die Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt als Matrix verwenden und Phasen zur Verbesserung der hohen Wärmeleitfähigkeit hinzufügen.Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Metall selbst übertrifft die inhärente Wärmeleitfähigkeit von hergestellten TIMs die von Polymer-TIMs bei weitem.Die berichtete Wärmeleitfähigkeit von Wärmeleitmaterialien auf Metallbasis liegt zwischen 10 und 40 W/(m·K), was 2 Größenordnungen höher ist als die von herkömmlichen organischen oder anorganischen Materialien.Darüber hinaus können Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt und ihre Verbundmaterialien innerhalb des Temperaturbereichs geschmolzen werden, den der Chip tragen kann.Dies füllt die Grenzflächenlücke vollständig aus und reduziert den Wärmewiderstand der Grenzfläche erheblich, wodurch eine effiziente und stabile Wärmeableitung des Chips sichergestellt werden kann.Daher sind Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt und ihre Verbundstoffe in den letzten Jahren schnell zu einem heißen Forschungsthema auf dem Gebiet der TIMs geworden und haben umfangreiche Aufmerksamkeit erhalten.
Metallbasierte Wärmegrenzflächenmaterialien werden aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit in Halbleitern mit hoher Leistungsdichte bevorzugt.Es handelt sich hauptsächlich um Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt und Metallmatrix-Verbundwerkstoffe.Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt umfassen hauptsächlich Ga, Sn, In, Bi und daraus zusammengesetzte Legierungen als Hauptkomponenten.Diese Art von Material hat viele Vorteile, wie z. B. hohe Wärmeleitfähigkeit, gute Fließfähigkeit, geringer Wärmewiderstand an der Grenzfläche und einfache Realisierung des Fest-Flüssig-Phasenübergangs.Gegenwärtig wird es in vielen Bereichen wie Wärmekontrolle und Energie, additive Fertigung (3D-Druck), Biomedizin und flexible intelligente Maschinen eingesetzt.Dies war in den letzten Jahren sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie ein heißes Thema.Wissenschaftler haben numerische Simulationsmethoden verwendet, um die Wärmeableitung flüssiger Metalle zu untersuchen, was die Weiterentwicklung dieser Art von Materialien vorangetrieben hat.Metallmatrix-Verbundwerkstoffe als TIMs verwenden hauptsächlich Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt als Matrix.Die Verstärkungsphase kann ein anorganisches Nichtmetall wie Keramik, Kohlenstoff, Graphit usw. oder Metallpartikel wie Cu, Zn usw. sein.
Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt beziehen sich auf Metalle und deren Legierungen mit einem Schmelzpunkt unter 300 °C und gelten als potenzielle thermische Grenzflächenmaterialien für Phasenwechsel.Der gemeinsame Nachteil vieler potenzieller Phasenwechselmaterialien ist eine geringe Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise beträgt die Wärmeleitfähigkeit organischer Materialien 0,15 ~ 0．3 W / (m·K), die Wärmeleitfähigkeit der Salzwasserverbindung beträgt 0,4 ~ 0．7W/(m·K).Seine geringe Wärmeleitfähigkeit führt zu einem schlechten Wärmeaustausch zwischen der Wärmeübertragungsflüssigkeit und der Oberfläche der elektronischen Komponente, was zu einem großen thermischen Grenzflächenwiderstand führt.Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt haben viele Vorteile, wie z. B. eine zehnmal höhere Wärmeleitfähigkeit als herkömmliche TIMs, relativ stabile physikalische und chemische Eigenschaften, einen hohen Siedepunkt und keine Korrosion.Metalle mit niedrigen Schmelzpunkten können auch Fest-Flüssig-Phasenübergänge erreichen und Wärme schnell aufnehmen und abgeben.Es hat offensichtliche Vorteile in der Wärmemanagementtechnologie.Tabelle 2 listet typische thermophysikalische Eigenschaften mehrerer Metalle oder Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt auf.Die hochgestellten Werte in der Tabelle geben die Testtemperatur an.a ist 25°C, b ist 200°C, c ist 160°C, d ist 100°C, n ist 50°C und m ist der Schmelzpunkt des Metalls.
Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine starke Fließfähigkeit und einen breiten Flüssigphasen-Arbeitsbereich.Es kann als besseres TIM für die Wärmeableitung von Hochleistungs-Chips verwendet werden, aber eine zu starke Fluidität führt zu Leckagen, die einen Chip-Kurzschluss verursachen können.
Metallmatrix-Verbundwerkstoffe sind Verbundwerkstoffe aus Metall als Matrix und kombiniert mit einer oder mehreren Verstärkungen.Die meisten seiner verstärkenden Phasenmaterialien sind anorganische Nichtmetalle, und es können auch Metalldrähte, Partikel usw. verwendet werden.Zusammen mit Polymer-Matrix-Verbundwerkstoffen und Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffen bildet er ein modernes Verbundwerkstoffsystem.Metallmatrix-Verbundwerkstoffe haben gute umfassende mechanische Eigenschaften wie Scherfestigkeit, Zähigkeit und Ermüdung.Gleichzeitig hat es auch die Vorteile von Wärmeleitfähigkeit, elektrischer Leitfähigkeit, Verschleißfestigkeit, kleinem Wärmeausdehnungskoeffizienten, keiner Alterung und keiner Verschmutzung.
Wenn TIMs hergestellt werden, indem Keramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit oder Kohlenstoffmaterialien zu der Metallmatrix mit niedrigem Schmelzpunkt hinzugefügt werden, wird der Wärmeleitfähigkeitsunterschied zwischen TIMs und Chips u Temperatur fällt verbessert werden, während gleichzeitig die Wärmeleitfähigkeit des Materials verbessert wird.
Bei der Verwendung von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen zur Herstellung von TIMs kann die Zugabe von Partikeln mit hoher Wärmeleitfähigkeit die Wärmeleitfähigkeit des Materials stark erhöhen und die Leistung von TIMs verbessern.Wenn die Betriebstemperatur höher als der Schmelzpunkt der Matrixlegierung ist, kann die hinzugefügte Verstärkungsphase die Viskosität des Materials effektiv erhöhen, die Fließfähigkeit des Materials verringern und das Problem des durch Materialfluss verursachten Spankurzschlusses effektiv verbessern.Es ist ein ideales TIMs.Es gibt jedoch noch viele Probleme bei der Benetzbarkeit der Verstärkungsphase und der Matrix in Metallmatrix-Verbundwerkstoffen.Wie man die Grenzfläche zwischen den beiden verbessert und die Wärmeleitfähigkeit und starke Plastizität des Materials weiter verbessert, ist der Schlüssel zur Entwicklung einer neuen Generation von TIMs.
Metallbasierte Wärmegrenzflächenmaterialien haben aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit breite Anwendungsaussichten in Hochleistungshalbleiter-Wärmemanagementsystemen.In diesem Beitrag werden die in TIMs verwendeten niedrigschmelzenden Metalle und deren Verbundwerkstoffe unter den Aspekten Materialzusammensetzung, Herstellungsprozess und Materialeigenschaften systematisch zusammengefasst.Auf dieser Grundlage werden die folgenden Vorschläge für das Design und die Entwicklung von Wärmegrenzflächenmaterialien auf Metallbasis in der Zukunft unterbreitet.
(1) Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt können die Grenzfläche aufgrund ihrer ausgezeichneten Fließfähigkeit vollständig ausfüllen, aber es gibt auch das Problem der Leckage, die zu Chip-Kurzschlüssen führt.Dies erfordert die Erforschung von Möglichkeiten, ihre Mobilität besser einzuschränken.Gleichzeitig müssen auch die Oxidation von Metallmaterialien während des Langzeitbetriebs und das Ätzen von Materialien auf beiden Seiten der Grenzfläche beachtet werden.
(2) Bei Metallmatrix-Verbundwerkstoffen mit niedrigem Schmelzpunkt sollte sich die zukünftige Forschung auf die Verbesserung der Grenzflächenbindung zwischen der Verstärkungsphase und der Matrix konzentrieren.Um die Leistung des Materials weiter zu verbessern, ist es notwendig, sich auf die Oberflächenmodifikation und die Verbundform der Verstärkungsphase zu konzentrieren.
(3) Um eine solide theoretische Grundlage für das Design von TIMs bereitzustellen, ist es notwendig, die Forschung zum Wärmeleitungsmechanismus von TIMs zu verstärken, um ein geeignetes Wärmeleitfähigkeitsmodell auszuwählen.
