Fortschritte in der Forschung zu metallbasierten Wärmeschnittstellenmaterialien

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der elektronischen Technologie 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 und Temperatur fällt Bei hoher Wärmeableitungseffizienz ist die Reduzierung des Kontaktwärmewiderstands zwischen elektronischen Komponenten und Kühlkörpern auch ein Problem, auf das man sich bei Chip-Wärmemanagementsystemen konzentrieren muss.

Wenn elektronische Komponenten und Kühlkörper miteinander in Kontakt stehen, entstehen an der Festkörper-Kontaktschnittstelle Luftspalte.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 beträgt bei Raumtemperatur nur 0,026 W/(m·K).Die Anwesenheit von Luft behindert die Wärmeübertragung zwischen den Grenzflächen, was zu einer Erhöhung des Grenzflächen-Wärmewiderstands zwischen Chip und Kühlkörper führt.Dadurch wird die Wärmeableitungseffizienz des Systems erheblich verringert und die Lebensdauer des Chips verkürzt.Um den normalen Betrieb des Heizelements sicherzustellen, werden zwischen dem elektronischen Heizelement und dem Kühlkörper Materialien eingefüllt, die Wärme schnell und effektiv leiten können.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, die Wärmetransportkapazität zu verbessern, den Wärmewiderstand der Grenzfläche effektiv zu reduzieren und die Effizienz des Kühlkörpers zu verbessern.Dadurch 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 eigentlichen Auswahl und Konstruktion von TIM sollten neben dem gesamten thermischen Widerstand der Schnittstelle auch andere Faktoren umfassend berücksichtigt werden, wie z. B. elektrische Isolierung, mechanische Festigkeit usw. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von TIM sind viele Arten kommerzieller Produkte entstanden der Markt.Hierzu zählen vor allem Wärmeleitpaste, Wärmeleitkleber, Wärmegel, Wärmephasenwechselmaterial und Wärmeleitpads.Fast 90 Prozent aller TIM-Produkte sind herkömmliche thermische Schnittstellenmaterialien auf Polymerbasis.Da der Bedarf an Wärmeableitung elektronischer Komponenten von Jahr zu Jahr steigt, sind metallbasierte Wärmeschnittstellenmaterialien aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit zu einem heißen Forschungsthema geworden, und auch ihr Marktanteil ist von Jahr zu Jahr gestiegen.Viele Wissenschaftler haben den aktuellen Stand der TIM-Branche zusammengefasst und die Marktbedingungen verschiedener TIM-Typen analysiert.Es mangelt jedoch an einer systematischen Ausarbeitung metallbasierter Wärmeschnittstellenmaterialien.

Dieser Artikel stellt systematisch den Forschungsfortschritt metallbasierter TIMs vor.Metallbasierte TIMs werden unter den Gesichtspunkten Materialtyp und Leistungsmerkmale zusammengefasst.Die zukünftige Entwicklung von TIMs soll als Referenz für die Forschung im Bereich der Wärmemanagementtechnologie dienen.

TIMs sind ein wichtiger Bestandteil der Wärmeableitungsstruktur elektronischer Komponenten.Die übliche 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 Kühler platziert sind.Die vom Chip erzeugte Wärme wird über TIMs1, Dampfkammer, TIMs2 und Kühlkörper an die Umgebung übertragen.Abbildung 2 ist ein mikroskopisches schematisches Diagramm des Geräteschnittstellenkontakts vor und nach dem Befüllen von TIMs.

Abbildung 2(a) zeigt die tatsächliche Situation, in der die elektronischen Komponenten in direktem Kontakt mit dem Kühlkörper stehen.Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass es nur 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 keinen vollständigen Kontakt zu elektronischen Bauteilen und Kühlkörpern haben.Der vorhandene thermische Widerstand der Grenzfläche vergrößert den Temperaturunterschied, der jeder Grenzfläche entspricht.ΔT in der Abbildung ist der Temperaturunterschied zwischen der Kühlplatte und den elektronischen Bauteilen.ΔT_Kontakt ist der Temperaturunterschied zwischen dem Wärmeleitmaterial und dem Kühlkörper.ΔT_TIM ist der Temperaturunterschied zwischen der Ober- und Unterseite des Wärmeleitmaterials.Die Dicke der Verbindungslinie in der Abbildung bezieht sich auf die Dicke der TIMs.Die Dicke der Verbindungslinie ist ein wichtiger Parameter zur Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit von TIMs und zur Berechnung des thermischen Grenzflächenwiderstands.

Aufgrund der Vielfalt der kommerziell erhältlichen TIMs hat jedes Produkt seine eigenen Vor- und Nachteile.Die aktuellen kommerziellen TIMs sind hauptsächlich in die folgenden Kategorien unterteilt.

(1) Wärmeleitpaste

Wärmeleitendes Silikonfett ist normalerweise ein Pastenmaterial, das aus einem hochwärmeleitenden Feststoff und einer Flüssigkeit mit guter Fließfähigkeit und einer bestimmten Viskosität durch ein Entschäumungsverfahren hergestellt wird.Es ist in der Industrie weit verbreitet und gehört zu den hochtemperaturbeständigen organischen Materialien.Das wärmeleitende Silikonfett haftet besser auf der Kontaktfläche und die Dicke kann so gesteuert werden, dass sie sehr dünn ist.Gleichzeitig ist es günstig.Der größte Nachteil besteht jedoch darin, dass es während des Gebrauchs Flecken auf dem Grundmaterial hinterlässt.Da es sich bei der Wärmeleitpaste um eine flüssige Paste handelt, weist sie einen starken Auspumpeffekt auf.Wenn es mobil ist und über einen längeren Zeitraum verwendet wird, fällt es nach und nach aus, was die Zuverlässigkeit des Systems verringert.

(2) Thermodichtung

Eine wärmeleitende Dichtung ist eine Art weiches und elastisches wärmeleitendes Grenzschichtmaterial, das durch Erhitzen und Aushärten mit hochmolekularem Polymermaterial oder anderen Materialien als Matrix unter Zugabe von hochwärmeleitenden Füllstoffen und Zusatzstoffen gebildet wird.Es kann nicht nur den ungleichmäßigen Spalt zwischen den elektronischen Komponenten und dem Kühlkörper füllen und Wärme effektiv übertragen, sondern auch die Rolle der Abdichtung, Stoßdämpfung und Isolierung spielen.Aufgrund des hohen Anteils an wärmeleitenden Partikeln in einigen Produkten erhöht sich jedoch der Widerspruch zwischen Steifigkeit, Weichheit und Füllgrad des Materials.Dies schränkt daher die Gesamtleistung des Verbundmaterials für die thermische Schnittstelle ein.Darüber hinaus sind Wärmeleitpads temperaturempfindlich.Wenn die Temperatur elektronischer Komponenten und Wärmeleitpads steigt, kommt es zu einer Spannungsrelaxation der Pads.Die Füllfläche verringert sich und die Wärmeleitungswirkung verschlechtert sich.

(3) Phasenwechsel-Wärmeschnittstellenmaterialien

Phasenwechsel-Wärmeschnittstellenmaterialien beziehen sich auf eine Klasse von Materialien, die bei Temperaturänderungen Fest-Flüssig- oder Fest-Fest-Phasenübergänge durchlaufen können.Es verfügt über eine bestimmte Wärmeleitfähigkeit, die den Wärmewiderstand der Grenzfläche verringern und eine Wärmeübertragung ermöglichen kann.Phasenwechsel-Wärmeschnittstellenmaterialien vereinen die doppelten Vorteile von Wärmeleitpads und Wärmeleitpaste.Wenn die Temperatur elektronischer Komponenten während des Betriebs ansteigt, geht das Material in einen flüssigen Zustand über und benetzt so effektiv die thermische Grenzfläche.Es hat die gleiche Füllfähigkeit wie Wärmeleitpaste, die die Grenzflächenlücke maximal ausfüllen kann.Dies verringert den thermischen Grenzflächenwiderstand.Darüber hinaus absorbieren Phasenwechsel-Wärmeschnittstellenmaterialien während des Phasenwechselprozesses latente Wärme und geben diese ab.Es hat den Effekt einer Energiepufferung, die verhindern kann, dass sich die Arbeitstemperatur elektronischer Komponenten zu schnell ändert.Dies verlängert die Nutzungsdauer der elektronischen Komponenten.Allerdings ist die Wärmeleitfähigkeit des Phasenwechsel-Wärmeschnittstellenmaterials durchschnittlich und die Dicke lässt sich nur schwer kontrollieren.

Zusätzlich zu den oben genannten drei Arten von TIMs umfassen im Handel erhältliche TIMs auch wärmeleitende Gele und Metallfolien.Typische Wärmeschnittstellenmaterialien und ihre Wärmeübertragungseigenschaften sind in Tabelle 1 aufgeführt.

(4) Wärmeschnittstellenmaterialien auf Metallbasis

Zu den thermischen Schnittstellenmaterialien auf Metallbasis gehören Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt und Metallmatrix-Verbundmaterialien, die Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt als Matrix verwenden und Phasen zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit hinzufügen.Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit des Metalls selbst übersteigt die inhärente Wärmeleitfähigkeit vorbereiteter TIMs die von Polymer-TIMs bei weitem.Die berichtete Wärmeleitfähigkeit metallbasierter Wärmeleitmaterialien liegt zwischen 10 und 40 W/(m K) und ist damit zwei Größenordnungen höher als die herkömmlicher organischer oder anorganischer Materialien.Darüber hinaus können niedrig schmelzende Metalle und deren Verbundwerkstoffe innerhalb des Temperaturbereichs, den der Chip aushält, geschmolzen werden.Dadurch wird die Schnittstellenlücke vollständig ausgefüllt und der thermische Widerstand der Schnittstelle erheblich verringert, wodurch eine effiziente und stabile Wärmeableitung des Chips gewährleistet werden kann.Daher sind Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt und ihre Verbundwerkstoffe in den letzten Jahren schnell zu einem heißen Forschungsthema auf dem Gebiet der TIMs geworden und haben große Aufmerksamkeit erhalten.

Metallbasierte Wärmeschnittstellenmaterialien werden aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit in Halbleitern mit hoher Leistungsdichte bevorzugt.Es handelt sich hauptsächlich um Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt und Metallmatrix-Verbundwerkstoffe.Zu den Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt gehören hauptsächlich Ga, Sn, In, Bi und Legierungen, die aus diesen als Hauptbestandteilen bestehen.Diese Art von Material hat viele Vorteile, wie z. B. eine hohe Wärmeleitfähigkeit, gute Fließfähigkeit, einen geringen thermischen Grenzflächenwiderstand und eine einfache Realisierung des Fest-Flüssig-Phasenübergangs.Derzeit wird es in vielen Bereichen eingesetzt, beispielsweise in der Wärmekontrolle und Energie, der additiven Fertigung (3D-Druck), der Biomedizin und flexiblen intelligenten Maschinen.Dies war in den letzten Jahren sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie ein heißes Thema.Wissenschaftler haben mithilfe numerischer Simulationsmethoden die Wärmeableitung flüssiger Metalle untersucht, was die Weiterentwicklung dieser Art von Materialien vorangetrieben hat.Metallmatrix-Verbundwerkstoffe wie TIMs verwenden hauptsächlich Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt als Matrix.Die Verstärkungsphase kann 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 Phasenwechsel-Wärmeschnittstellenmaterialien.Der gemeinsame Nachteil vieler potenzieller Phasenwechselmaterialien ist die 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 des elektronischen Bauteils, 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 niedrigem Schmelzpunkt können auch Phasenübergänge zwischen fest und flüssig erreichen und dabei Wärme schnell aufnehmen und abgeben.Es bietet 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 großen Arbeitsbereich in der flüssigen Phase.Es kann als besseres TIM für die Hochleistungs-Chip-Wärmeableitung verwendet werden, aber eine zu starke Fließfähigkeit führt zu Leckagen, die zu einem Chip-Kurzschluss führen 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 Polymermatrix-Verbundwerkstoffen und Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen bildet es ein modernes Verbundwerkstoffsystem.Metallmatrix-Verbundwerkstoffe weisen gute umfassende mechanische Eigenschaften wie Scherfestigkeit, Zähigkeit und Ermüdung auf.Gleichzeitig bietet es die Vorteile Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Verschleißfestigkeit, kleiner Wärmeausdehnungskoeffizient, keine Alterung und keine Umweltverschmutzung.

Wenn TIMs durch Zugabe von Keramik oder Kohlenstoffmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit zur Metallmatrix mit niedrigem Schmelzpunkt hergestellt werden, verringert sich der Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit zwischen TIMs und Chips Temperatur fällt kann verbessert werden und gleichzeitig die Wärmeleitfähigkeit des Materials verbessert werden.

Bei der Verwendung von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen zur Herstellung von TIMs kann die Zugabe von Partikeln mit hoher Wärmeleitfähigkeit die Wärmeleitfähigkeit des Materials erheblich erhöhen und die Leistung von TIMs verbessern.Wenn die Betriebstemperatur höher ist als der Schmelzpunkt der Matrixlegierung, kann die hinzugefügte Verstärkungsphase die Viskosität des Materials effektiv erhöhen, die Fließfähigkeit des Materials verringern und das Problem des durch Materialfluss verursachten Chip-Kurzschlusses wirksam verbessern.Es ist ein ideales TIMs.Allerdings gibt es bei Metallmatrix-Verbundwerkstoffen immer noch viele Probleme hinsichtlich der Benetzbarkeit der Verstärkungsphase und der Matrix.Der Schlüssel zur Entwicklung einer neuen Generation von TIMs liegt darin, die Grenzfläche zwischen beiden zu verbessern und die Wärmeleitfähigkeit und starke Plastizität des Materials weiter zu verbessern.

Metallbasierte Wärmeschnittstellenmaterialien haben aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit breite Anwendungsaussichten in Hochleistungs-Halbleiter-Wärmemanagementsystemen.In dieser Arbeit werden die in TIMs verwendeten niedrigschmelzenden Metalle und ihre Verbundwerkstoffe systematisch unter den Gesichtspunkten Materialzusammensetzung, Herstellungsprozess und Materialeigenschaften zusammengefasst.Auf dieser Grundlage werden die folgenden Vorschläge für die Gestaltung und Entwicklung metallbasierter Wärmeschnittstellenmaterialien in der Zukunft unterbreitet.

(1) Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt können aufgrund ihrer hervorragenden Fließfähigkeit die Grenzfläche vollständig ausfüllen, es besteht jedoch auch das Problem einer Leckage, die zu Chip-Kurzschlüssen führt.Dies erfordert die Erforschung von Möglichkeiten, ihre Mobilität besser einzuschränken.Gleichzeitig muss auch auf die Oxidation von Metallmaterialien während des Langzeitbetriebs und das Ätzen von Materialien auf beiden Seiten der Grenzfläche geachtet 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 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 intensivieren, um ein geeignetes Wärmeleitfähigkeitsmodell auszuwählen.