微電子封裝熱界面材料研究綜述

摘要：隨著半導(dǎo)體器件向著微型化、髙度集成化及高功率密度方向發(fā)展，其發(fā)熱量急劇增大，熱失效已經(jīng)成為阻礙微電子封裝器件性能和壽命的首要問(wèn)題。高性能的熱管理材料能有效提高微電子封裝內(nèi)部元器件散熱能力，其中封裝結(jié)構(gòu)散熱路徑上的熱界面材料（Thermal Interface Material,TIM）便是熱管理中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。通過(guò)熱界面材料填充器件熱源和散熱單元之間的空隙，可以大幅度降低接觸熱阻，增加熱量的傳遞效率。對(duì)微電子封裝而言,高性能的熱界面材料不僅需要高的導(dǎo)熱系數(shù)以降低封裝熱阻，還需具備一定的壓縮性以彌補(bǔ)封裝的裝配偏差，然而通常很難兼顧上述兩種特性。本文重點(diǎn)關(guān)注微電子封裝中熱界面材料，系統(tǒng)地梳理了目前熱界面材料的常見(jiàn)類(lèi)型、應(yīng)用存在問(wèn)題、關(guān)注研究熱點(diǎn)和國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：微電子封裝；熱管理；熱界面材料；導(dǎo)熱系數(shù)；熱阻

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引言

隨著微電子封裝技術(shù)不斷發(fā)展，高密度的三維集成技術(shù)應(yīng)用愈加廣泛，由此帶來(lái)的高熱流密度環(huán)境對(duì)微電子封裝的熱管理帶來(lái)極大考驗(yàn)，選擇優(yōu)異性能的熱管理材料來(lái)增強(qiáng)電子器件散熱能力成為研究重點(diǎn)。而對(duì)于微電子封裝的熱管理而言，在散熱路徑上各結(jié)構(gòu)之間填充熱界面材料可有效排出空隙間的空氣，通過(guò)增加接觸面積加快熱點(diǎn)熱量傳導(dǎo)。因此，熱界面材料是微電子封裝散熱管理的關(guān)鍵之一。

在電子器件的散熱過(guò)程中，熱傳導(dǎo)需要在兩個(gè)固體表面?zhèn)鬏?，但是界面處不是理想的平面，而是存在少量小尺度凹凸界面，在?shí)際應(yīng)用中界面位置也僅依靠凸起結(jié)構(gòu)接觸,大部分空隙由空氣填充。由于空氣導(dǎo)熱系數(shù)很低，僅有 0.026 W/（m·K），與上百的金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)相比低了近 4 個(gè)數(shù)量級(jí)，因此可忽略通過(guò)空氣傳導(dǎo)的熱量，進(jìn)而大幅降低了傳導(dǎo)散熱效率，界面位置也成為了微電子封裝的傳導(dǎo)散熱瓶頸。

因此選擇使用合適的熱界面材料來(lái)填充界面之間的空氣間隙，可有效降低不同結(jié)構(gòu)之間的接觸熱阻，實(shí)現(xiàn)芯片熱量的快速傳遞。實(shí)際的熱界面狀態(tài)及熱流方向上通過(guò)固體-界面材料-固體結(jié)構(gòu)的熱阻示意如圖 1 所示。

圖 1 實(shí)際熱界面狀態(tài)及熱流方向上熱阻示意圖

由圖 1 可知，熱界面材料位于上下兩個(gè)固體之間，實(shí)際并不是完全的接觸，熱量由下往上分別經(jīng)固體 1、熱界面材料和固體 2，進(jìn)而產(chǎn)生溫差。假設(shè)上述散熱路徑為均勻的一維傳導(dǎo)，由傅里葉導(dǎo)熱定律，可知熱量經(jīng)過(guò)熱界面材料的體熱阻 Rbulk為：

（1）

熱界面材料總熱阻可表示為：

（2）

式中，Rtot為熱界面材料總熱阻；BLT 為熱界面材料的粘合層厚度；kTIM為熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)；Rc1和 Rc2為熱界面材料與上下兩個(gè)固體表面的界面接觸熱阻。通過(guò)公式可得出影響到界面材料總熱阻 Rtot的參數(shù)包括以下三個(gè)方面。

（1）接觸熱阻：在固體與熱界面材料之間存在接觸熱阻,這種接觸熱阻大小主要取決于材料的表面浸潤(rùn)性、材料表面粗糙度、粘度和界面之間壓力等。

（2）粘合層厚度：熱界面材料的粘合層厚度是衡量?jī)蓚€(gè)表面分離的程度，由于熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)通常較低，所以粘合層厚度越小其熱阻越小。熱界面材料在理論上只填充界面空隙，而實(shí)際粘合層過(guò)薄也會(huì)導(dǎo)致間隙，這是由于熱界面材料涂抹不均勻和熱循環(huán)過(guò)程熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的可靠性問(wèn)題。

對(duì)于液態(tài)熱界面材料，粘合層厚度不僅受材料用量影響，還受到材料的粘度和加持壓力影響。對(duì)于填充固體顆粒熱界面材料，填充劑尺寸可能會(huì)限制到粘合層厚度。對(duì)于襯墊型熱界面材料，粘合層厚度受到裝配操作和機(jī)械要求限制。

（3）導(dǎo)熱系數(shù)：熱界面材料導(dǎo)熱系數(shù)是衡量材料內(nèi)部導(dǎo)熱性能的指標(biāo)。當(dāng)粘合層厚度較小時(shí)，接觸熱阻在總熱阻中起主導(dǎo)作用，但對(duì)于較厚粘合層的熱界面材料，導(dǎo)熱系數(shù)成為關(guān)鍵參數(shù)。

隨著微電子封裝產(chǎn)品對(duì)散熱要求的不斷提高，熱界面材料成為熱管理研究的熱點(diǎn)。本文綜述了微電子封裝中熱界面材料的研究現(xiàn)狀，梳理介紹了目前行業(yè)內(nèi)常用的熱界面材料以及新型熱界面材料類(lèi)型、功能特點(diǎn)、應(yīng)用現(xiàn)狀和存在問(wèn)題，并展望了未來(lái)的研究方向，為從事微電子封裝熱管理的研究人員了解熱界面材料應(yīng)用注意事項(xiàng)和應(yīng)用方案選取提供參考。

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微電子封裝熱界面材料特性

圖 2 為典型微電子封裝器件的散熱路徑示意圖，高功耗芯片一般采取倒扣焊工藝通過(guò)向上散熱通道將熱量及時(shí)傳至外部散熱器，因此“芯片－TIM－封裝－TIM－散熱器”是封裝內(nèi)芯片工作時(shí)的主要散熱路徑。微電子封裝理想的熱界面材料應(yīng)是由一種兼顧低粘合層厚度、高柔韌性、高導(dǎo)熱系數(shù)和低接觸熱阻的材料組成。

圖 2 典型微電子封裝器件散熱路徑

在熱界面材料的應(yīng)用選型和設(shè)計(jì)中，除界面接觸熱阻外，還有其他參數(shù)需要考慮，比如電氣絕緣性和機(jī)械強(qiáng)度，這將影響到熱界面材料在微電子封裝中的裝配操作和封裝可靠性。

熱界面材料可以是液態(tài)（通常為粘度非常高的粘稠體）或固態(tài)形式，在應(yīng)用時(shí)也不必保持相同形態(tài)。使用液態(tài)熱界面材料可能會(huì)導(dǎo)致某些混亂狀態(tài)和不確定的粘合層厚度，因此還需擴(kuò)大其適用性，使其既能填充小間隙，又可填充大縫隙，通常只要熱界面材料粘度足夠低，都能較好滲入空隙。襯墊熱界面材料的應(yīng)用工藝更為簡(jiǎn)單，但可能與基板的匹配性一般，這主要取決于基板的粗糙度和平整度。

在實(shí)際操作過(guò)程中，液態(tài)熱界面材料可能也會(huì)對(duì)封裝的可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響，在溫度循環(huán)過(guò)程中，封裝體將發(fā)生機(jī)械變形，導(dǎo)致熱界面材料向外擴(kuò)散，最終從界面之間溢出，這種泵出效應(yīng)是使用液態(tài)熱界面材料面臨的重要問(wèn)題。

在微電子封裝的微組裝工藝過(guò)程中，熱界面材料不僅要充當(dāng)消除接觸熱阻的功能，還需考慮微組裝過(guò)程中不同結(jié)構(gòu)的偏差匹配問(wèn)題。如圖 2 所示的微電子封裝結(jié)構(gòu)，各層結(jié)構(gòu)高度都存在一定偏差范圍，尤其是焊球經(jīng)過(guò)回流焊之后會(huì)有塌陷，在最終的微組裝后不同結(jié)構(gòu)之間會(huì)產(chǎn)生較大高度累積偏差。這種結(jié)構(gòu)偏差需要具備一定壓縮性的材料來(lái)彌補(bǔ)以提高微電子封裝的裝配適應(yīng)性和可靠性，而具有一定柔韌性的熱界面材料是封裝內(nèi)具備上述特征的理想材料。因此熱界面材料的高柔韌性也是微電子封裝應(yīng)用時(shí)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一。

另一個(gè)需要考慮的是熱界面材料能否充當(dāng)粘合劑或者使用時(shí)是否需要外部壓力。液態(tài)熱界面材料在使用過(guò)程中需要施加一定壓力與基體良好接觸，這取決于熱界面材料粘度。而固態(tài)熱界面材料在操作使用過(guò)程中通常需要很大壓力使熱界面材料與基體貼合。

而有些熱界面材料同時(shí)也作為粘合劑使用，可無(wú)需任何外部壓力便可將兩個(gè)基材粘合，但它也可能產(chǎn)生分層，這會(huì)帶來(lái)新的可靠性問(wèn)題。如果兩個(gè)基體是不同 CTE（熱膨脹系數(shù)）材料，那么熱界面材料必須能夠吸收由于 CTE 不匹配而產(chǎn)生的應(yīng)變，否則可能導(dǎo)致界面開(kāi)裂和破壞，對(duì)液態(tài)熱界面材料通常不會(huì)有該問(wèn)題，而對(duì)固態(tài)熱界面材料來(lái)說(shuō)，這可能是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，特別是在粘合層很薄的時(shí)候更應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

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常見(jiàn)熱界面材料

市場(chǎng)上常見(jiàn)熱界面材料主要分為高分子基復(fù)合材料、金屬基熱界面材料及處于前沿探索階段的新型熱界面材料。常見(jiàn) TIM 類(lèi)型和典型特性見(jiàn)表 1。本章節(jié)重點(diǎn)對(duì)下列常用熱界面材料加以介紹：高分子基復(fù)合材料包括導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱凝膠、導(dǎo)熱膠、導(dǎo)熱墊及導(dǎo)熱相變材料等；金屬基熱界面材料以低熔點(diǎn)焊料、液態(tài)金屬材料等為代表；新型的熱界面材料則以導(dǎo)熱高分子、石墨烯和碳納米管陣列等為代表。

表 1 常見(jiàn) TIM 類(lèi)型和典型特性

3.1 高分子基熱界面材料
（1）導(dǎo)熱硅脂

導(dǎo)熱硅脂是一種膏狀熱界面材料，一般用作高功率電子器件散熱，由于它可直接減少接觸面之間的空氣間隙而具備優(yōu)異導(dǎo)熱特性而得到廣泛應(yīng)用。導(dǎo)熱硅脂通常是將較高導(dǎo)熱系數(shù)的無(wú)機(jī)填料與硅油基體進(jìn)行混合脫泡加工而成。基體中填充的無(wú)機(jī)填料決定了導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱性能。

無(wú)機(jī)填料主要是在聚合物基體中添加 Al、Ag 等金屬或 Al2O3、AlN、BN、SiC、ZnO 等陶瓷導(dǎo)熱顆粒。導(dǎo)熱硅脂的優(yōu)點(diǎn)是流變穩(wěn)定性良好，其粘合層厚度非常小，高等級(jí)的導(dǎo)熱油脂其熱界面熱阻可低至 10 Kmm2/W；缺點(diǎn)是泵出效應(yīng)明顯，使用時(shí)易發(fā)生溢出及相分離現(xiàn)象，長(zhǎng)期使用過(guò)程中導(dǎo)熱硅脂也會(huì)由于溶劑的揮發(fā)而變干，大大降低了導(dǎo)熱硅脂的可靠性。

此外硅油的導(dǎo)熱系數(shù)偏低，其導(dǎo)熱系數(shù)通常不高于 10W/（m·K），所以很難制備出高導(dǎo)熱性能的導(dǎo)熱硅脂。因此，由于導(dǎo)熱硅脂不具備壓縮性、操作使用難度大、長(zhǎng)期使用易失效以及其泵出效應(yīng)帶來(lái)的可靠性問(wèn)題，使其在微電子封裝領(lǐng)域應(yīng)用受限。

（2）導(dǎo)熱凝膠

導(dǎo)熱凝膠是一種粒子填充型聚合物，其基體材料硅樹(shù)脂一般進(jìn)行弱交聯(lián)固化處理，以此來(lái)增強(qiáng)材料的內(nèi)聚力。

導(dǎo)熱凝膠可兼具液體與固體特性，像液體一樣分散，其特點(diǎn)是高導(dǎo)熱性、低表面能和良好的一致性，從而降低了接觸熱阻，在固化后可形成一個(gè)更堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)，在保證了低熱阻的同時(shí)消除了泵出效應(yīng)問(wèn)題，另外低模量特性也可吸收應(yīng)力。

優(yōu)異的導(dǎo)熱性能、良好的可壓縮性和力學(xué)可靠性，使得導(dǎo)熱凝膠在微電子封裝應(yīng)用前景較好，但相比而言，導(dǎo)熱凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)不高，未來(lái)研究重點(diǎn)在于材料導(dǎo)熱性能的提高。

（3）導(dǎo)熱膠

導(dǎo)熱膠是將液態(tài)高分子物質(zhì)材料涂抹在微電子封裝內(nèi)部的散熱元件上，在常溫或加熱的固化條件下產(chǎn)生的熱固高分子材料，其導(dǎo)熱性能良好，可實(shí)現(xiàn)熱量在界面之間的快速傳導(dǎo)。

導(dǎo)熱膠在固化過(guò)程中并不需外部壓力作用便可自然產(chǎn)生強(qiáng)烈鍵合作用。導(dǎo)熱膠是在環(huán)氧樹(shù)脂聚合物基體中添加導(dǎo)熱填料制備而成，與導(dǎo)熱凝膠類(lèi)似，導(dǎo)熱膠同時(shí)具備液態(tài)和固態(tài)兩種物態(tài)，由于其在固態(tài)時(shí)更堅(jiān)硬，其粘合力也更強(qiáng)。

此外，也有直接作為雙面膠使用的固態(tài)導(dǎo)熱膠。雖然導(dǎo)熱膠的導(dǎo)熱系數(shù)不高，但由于其厚度可根據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)，因此可以彌補(bǔ)微電子封裝中導(dǎo)熱通道的散熱結(jié)構(gòu)偏差，降低對(duì)結(jié)構(gòu)組裝的公差要求，而較薄 BLT 也可保證較低的熱阻，因此導(dǎo)熱膠在微電子封裝應(yīng)用廣泛，后續(xù)重點(diǎn)在提高材料導(dǎo)熱系數(shù)方面開(kāi)展研究。

（4）導(dǎo)熱墊

導(dǎo)熱墊同樣是通過(guò)在基體添加填料的方式制備，其基體材料為有機(jī)硅樹(shù)脂或聚氨酯,填料通常為Al2O3、BN 等陶瓷或金屬、石墨填料。為提高其強(qiáng)度，也可將玻璃纖維布作為載體。然而，雖然導(dǎo)熱墊中聚合物基體的高度交聯(lián)容易獲得操作便利的固體彈性墊，但這也導(dǎo)致其 BLT 較厚（約 200~1000 μm），同時(shí)由于流變特性一般，為保證良好接觸，使用時(shí)需要在施加較大壓力。

導(dǎo)熱墊的柔韌性是非常重要的特點(diǎn)，高的導(dǎo)熱顆粒填充體積分?jǐn)?shù)可提高導(dǎo)熱性能，但由此增加了其剛度，因此導(dǎo)熱墊性能受限于高柔韌性和高導(dǎo)熱顆粒填充率之間的矛盾。但由于導(dǎo)熱墊具備減震性、無(wú)污染和便利性等優(yōu)點(diǎn)，使其在一些熱阻要求不是特別高的領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。

在微電子封裝領(lǐng)域中由于導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱性能一般且BLT 較厚的原因，并未得到廣泛應(yīng)用，后續(xù)可在降低BLT 厚度和提高導(dǎo)熱性能等方面開(kāi)展研究。

（5）導(dǎo)熱相變材料

導(dǎo)熱相變材料同時(shí)具備導(dǎo)熱硅脂和導(dǎo)熱墊的優(yōu)點(diǎn)，其基體材料的熔化溫度基本位于室溫和工作溫度之間，使用時(shí)如導(dǎo)熱膜一樣便利，但在操作過(guò)程中會(huì)熔化并且能夠貼合基板形成薄 BLT 厚度的導(dǎo)熱油脂。也可使用熔化溫度高于工作溫度的相變材料，在這種情況下，熱界面材料在加工過(guò)程中進(jìn)行回流并在工作過(guò)程中保持固態(tài)。

導(dǎo)熱相變材料由于具有低熱阻和良好便利性的優(yōu)點(diǎn)受到了散熱行業(yè)極大關(guān)注。為大幅提高導(dǎo)熱性能，生產(chǎn)商一般會(huì)采取在相變材料中加入高導(dǎo)熱填料方式。導(dǎo)熱相變材料一般以石蠟、聚烯烴、低分子量聚酯等組成，再加上高導(dǎo)熱的填料比如 BN、Al2O3、AlN 等來(lái)提高傳熱性能。

但是，由于導(dǎo)熱相變材料存在相變過(guò)程中熔融泄漏和導(dǎo)熱系數(shù)降低的現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了其在微電子封裝領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，所以對(duì)導(dǎo)熱相變材料未來(lái)的研發(fā)著重在封裝定形和傳熱強(qiáng)化上。

3.2 金屬基熱界面材料

傳統(tǒng)熱界面材料如高分子基熱界面材料的熱量傳導(dǎo)性能通常一般，在射頻和 IGBT 組件等高功率功能元件中，基于鎵、汞、銦、錫、鉍等的金屬/合金熱界面材料更被普遍采用。金屬熱界面材料主要有低熔點(diǎn)焊料、液態(tài)金屬材料和金屬納米顆粒等。金屬材料一般具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，所以在熱界面材料領(lǐng)域具有較高關(guān)注度。

（1）低熔點(diǎn)焊料

具有高強(qiáng)度、低熱阻和可靠穩(wěn)定特點(diǎn)的金硅、鍺金、金錫等共晶焊料在可靠性要求高的領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。當(dāng)今在工業(yè)中應(yīng)用最常見(jiàn)的熱界面焊料為銦，因?yàn)樗且环N相對(duì)較軟的金屬材料，能夠貼合于基體上并吸收內(nèi)部應(yīng)力，同時(shí)熔化溫度（157℃）相對(duì)較低。

AMD 和英特爾都開(kāi)發(fā)并使用銦作為高端處理器的熱界面材料。但采用純銦也具有成本較高和耐腐蝕性較差等局限性。另外一種應(yīng)用廣泛的低熔點(diǎn)焊料為共晶 80Au/20Sn 的金錫焊料（熔點(diǎn)280℃）。

金錫共晶合金焊料因其低熔點(diǎn)和高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)以保證焊接的高可靠性，同時(shí)具有良好的抗熱疲勞特性，且在嚴(yán)酷環(huán)境條件下仍具有優(yōu)異的抗氧化、優(yōu)異流變性以及高導(dǎo)熱等特性，因此在光電封裝器件領(lǐng)域，金錫合金已逐步成為最優(yōu)的釬焊材料。

其次，金錫焊料的優(yōu)異潤(rùn)濕能力和極高連接強(qiáng)度（約275 MPa）優(yōu)點(diǎn)也廣泛應(yīng)用于可靠性要求較高的航天、航空和醫(yī)療等微電子封裝領(lǐng)域。但是，該材料也具有高成本、高焊接溫度和高模量的缺點(diǎn)。

（2）液態(tài)金屬

低熔點(diǎn)合金類(lèi)的熱界面材料在操作過(guò)程中發(fā)生相變可從固體狀態(tài)變?yōu)槿刍癄顟B(tài)，具有非常高的潤(rùn)濕度，而且界面熱阻非常低。室溫下，液態(tài)金屬熱界面材料直接將熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，可達(dá) 10~40 W/(m?K) 水平。

但是，液態(tài)金屬的表面張力較大、流動(dòng)性不太好、潤(rùn)濕能力不佳，難以黏附眾多結(jié)構(gòu)材料，這限制了液態(tài)金屬作為熱界面材料的使用。

雖然與高分子基的熱界面材料相比，金屬熱界面材料能夠更好的滿(mǎn)足器件傳熱需求，但金屬材料的高熔點(diǎn)不利于微電子封裝的工藝實(shí)現(xiàn)，所以需要降低金屬材料的熔點(diǎn)。

可通過(guò)以下兩個(gè)方式降低金屬熔點(diǎn)：一是將金屬顆粒的尺寸縮小至納米級(jí)別，二是形成共晶組織、固溶體或金屬間的化合物。此外，低熔點(diǎn)焊料還存在孔洞缺陷、回流焊接溫度高、與器件的CTE 差異較大等缺點(diǎn)。

綜上所述，金屬基熱界面材料在微電子封裝領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題在于材料熔點(diǎn)的降低和應(yīng)力可靠性的提高。

3.3 新型熱界面材料（1）導(dǎo)熱高分子

導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的種類(lèi)較多，通常按生產(chǎn)工藝方法可分為本體型和填充型。本體型導(dǎo)熱高分子材料的主要基體為高分子復(fù)合物材料，其特殊的物理結(jié)構(gòu)可在生產(chǎn)加工過(guò)程中通過(guò)改變其分子鏈節(jié)結(jié)構(gòu)獲得。

但目前人們對(duì)這種高分子復(fù)合材料主要的關(guān)注點(diǎn)并不在導(dǎo)熱性能方面，而更多關(guān)注導(dǎo)電性能。雖然這種類(lèi)型材料的導(dǎo)熱性能比較優(yōu)異，但因?yàn)槠浞爆嵉纳a(chǎn)過(guò)程難以達(dá)到批產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。另一類(lèi)填充型的導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料，其導(dǎo)熱性能也可以通過(guò)將導(dǎo)熱填料加入至高分子化合物材料加以改善。

現(xiàn)階段常用的導(dǎo)熱高分子材料導(dǎo)熱填料主要有碳納米管、石墨烯 、氮化鋁（AlN）、氮化硼（BN）、碳化硅（SiC），并采用機(jī)械共混的方法提高其導(dǎo)熱性能由于該類(lèi)產(chǎn)品低費(fèi)用、易生產(chǎn)、成型方式靈活等優(yōu)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，成為目前國(guó)內(nèi)外高分子導(dǎo)熱材料的主要制備技術(shù)和研究重點(diǎn)。

導(dǎo)熱高分子材料在微電子封裝應(yīng)用方面，后續(xù)應(yīng)更多關(guān)注界面熱阻的降低，而不是僅關(guān)注導(dǎo)熱系數(shù)的提高，這是因?yàn)檫^(guò)多的導(dǎo)熱填料會(huì)不可避免破壞聚合物相容性，導(dǎo)致界面熱阻較高；另外，還需對(duì)聚合物集體流變性能、聚合物與散熱器分子間相互作用影響、TIM 絕緣性和穩(wěn)定性等方面開(kāi)展重點(diǎn)研究攻關(guān)。

（2）石墨烯

石墨烯是碳原子以 sp2鍵緊密排列成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)熱性能高于碳納米管。石墨烯有極高的導(dǎo)熱系數(shù)，單層石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)最大可達(dá)到 5300W/(m·K)，而且熱穩(wěn)定性良好。另外除了具備極高導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)點(diǎn)外，石墨烯成本也不高，且與基體材料的相互作用力強(qiáng)，是理想的界面材料填料。

不少研究發(fā)現(xiàn)，跟傳統(tǒng)界面導(dǎo)熱材料相比，石墨烯基界面導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)有明顯提高。石墨烯基界面導(dǎo)熱材料有助于電子技術(shù)往高密度、高集成方向發(fā)展。石墨烯基界面導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱填料大多是單純石墨烯或者石墨烯與碳納米管、金屬摻雜于一體的混合填料。

石墨烯當(dāng)作樹(shù)脂基體填料時(shí)需互相搭接以建立高效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，所以要求石墨烯在樹(shù)脂基體中具有高分散性。未來(lái)還需深入研究制約石墨烯基界面導(dǎo)熱材料特性的因素，重點(diǎn)攻克石墨烯的分散性及強(qiáng)耦合性能等難題。

（3）碳納米管陣列

碳納米管一般由六邊形布置的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管，因此擁有相當(dāng)高的導(dǎo)熱系數(shù)，單壁碳納米管在室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)高于 6000 W/（m·K），碳納米管在室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)也高于3000 W/（m·K）。垂直方向上碳納米管陣列密度低，并且?guī)в蟹较蛐?，不僅高導(dǎo)熱系數(shù)是單一取向，熱膨脹系數(shù)在徑向面內(nèi)也更低，且不容易老化。垂直排列的碳納米管陣列橫跨襯底之間的縫隙，能夠消除所有界面，加之單個(gè)碳納米管優(yōu)異的傳熱性能和柔韌性，被當(dāng)作一種理想的熱界面材料。

碳納米管的直徑、分布密度、缺陷等因素決定了碳納米管陣列的導(dǎo)熱性能，這些因素可通過(guò)調(diào)整催化劑和生長(zhǎng)條件來(lái)控制。碳納米管用作熱界面材料具有各向異性和接觸界面熱阻過(guò)大的顯著缺點(diǎn)。

硅基底是碳納米管陣列生長(zhǎng)最常見(jiàn)基體，因硅導(dǎo)熱系數(shù)不及常規(guī)金屬，為增加整體材料的導(dǎo)熱性能，不少學(xué)者采用金剛石、Cu、Al、SiC 等高導(dǎo)熱材料作為陣列生長(zhǎng)基體。但同時(shí)帶來(lái)了碳納米管與基底由于熱輸運(yùn)機(jī)理差異導(dǎo)致界面接觸熱阻過(guò)大的問(wèn)題。因此，碳納米管陣列材料的研究主要集中在碳納米管的功能化方面以降低碳納米管與基底的界面熱阻。

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國(guó)內(nèi)外熱界面材料研究進(jìn)展

上世紀(jì)九十年代以來(lái)，西方國(guó)家對(duì)于熱界面材料制備以及傳熱性能的提升進(jìn)行了廣泛研究，主要以美國(guó)的大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)為代表，包括麻省理工、佐治亞理工學(xué)院、IBM、英特爾等，此外美國(guó)軍方也在熱界面材料方面發(fā)布指南展開(kāi)研究，比如 DARPA 項(xiàng)目。

經(jīng)過(guò)這幾十年研究造就了一大批美國(guó)和日本的企業(yè)，比如Laird、Chomerics、 Bergquist、Fujipoly、SEKISUI、DowCorning、ShinEtsu 和 Honeywell 等，這些公司占據(jù)了全球絕大部分熱界面材料的高端市場(chǎng)。

國(guó)外在熱界面材料方面最新研究進(jìn)展主要如下。加利福尼亞大學(xué)河濱分校 Fariborz Kargar 和Alexander A. Balandin 研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了不同粒徑填料的“協(xié)同”填料效應(yīng)對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的增強(qiáng)作用，并制備了石墨烯-銅納米顆粒環(huán)氧基二元復(fù)合材料，在石墨烯濃度 fg=40 wt% 和銅顆粒濃度 fCu=35 wt% 時(shí)，其復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為 13.5±1.6 W/(m·K)。

在導(dǎo)熱硅脂的商業(yè)應(yīng)用方面，德國(guó)漢高公司（Henkel）公布其最新的熱界面材料 BERGQUISTLIQUI FORM TLF 10000 凝膠實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，在 0.5 mm界面厚度下，熱阻抗低至 0.45 K·cm2/W，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá) 10.0 W/(m·K)。

新加坡南洋理工大學(xué)Manuela Loeblein 等人通過(guò)壓縮三維泡沫狀石墨烯和氮化硼制備出高性能的納米熱界面材料，具有較高縱向?qū)嵯禂?shù)（62~86 W/m·K）和優(yōu)異的表面一致性。

意大利技術(shù)研究院 Muhammad Zahid 等人利用可持續(xù)資源再生纖維素和石墨烯納米片制造出熱界面材料，其平面導(dǎo)熱系數(shù)約為 800 W/m·K，在損壞的情況下還可以通過(guò)溶劑分散回收。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳校區(qū)和德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯校區(qū)有關(guān)研究人員通過(guò)改良的化學(xué)氣相沉積工藝技術(shù)，順利開(kāi)發(fā)出超高導(dǎo)熱系數(shù)的立方砷化硼，其導(dǎo)熱系約為 1000±90 W/m·K，并可生產(chǎn)出立方砷化硼薄膜以實(shí)現(xiàn)大功率元器件在電子散熱管理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

由于我國(guó)對(duì)熱界面材料的研發(fā)起步相對(duì)較晚，目前應(yīng)用在高端微電子技術(shù)領(lǐng)域的熱界面材料基本依賴(lài)進(jìn)口，但圍繞熱界面材料的研究也取得了不少成果，近年來(lái)國(guó)內(nèi)針對(duì)熱界面材料的代表性研究進(jìn)展如下。

中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種由氮化硼納米管與纖維素納米纖維構(gòu)成的納米復(fù)合材料，在 25.0% 氮化硼納米管下表現(xiàn)出高達(dá) 21.39W/(m·K) 的導(dǎo)熱系數(shù)。

上海交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)為平衡高導(dǎo)熱和電絕緣性能，將填料氮化硼納米管和 α-Al2O3進(jìn)行活性硅烷處理，并將兩者按照一定的比例制備成環(huán)氧復(fù)合材料，有效提高了介電聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。

四川大學(xué)王躍川團(tuán)隊(duì)利用二元填料氧化石墨烯和六方氮化硼制備了高導(dǎo)熱和高電絕緣的高導(dǎo)熱聚酰亞胺復(fù)合膜，其最大導(dǎo)熱系數(shù)為 11.203 W/(m·K)。

中科院固體物理研究所研究團(tuán)隊(duì)采用微氧化反應(yīng)法制備合成了鎵合金熱界面材料，制成的鎵基二元合金熱潤(rùn)滑脂或三元合金熱潤(rùn)滑脂不僅提高了工作溫度范圍，室溫下的最高導(dǎo)熱系數(shù)更是達(dá)到19.2 W/(m·K)。

中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所提出了一種多尺度結(jié)構(gòu)調(diào)控的雙組裝方法，來(lái)構(gòu)成各向異性的石墨烯框架，這些石墨烯框架不僅在垂直方向上高度定向排列，而且與內(nèi)部相鄰石墨烯片之間接觸緊密，結(jié)點(diǎn)熱阻較低，制成的石墨烯框架/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在縱向的導(dǎo)熱系數(shù)約為 62.4 W/(m·K)。

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熱界面材料熱特性測(cè)試

由于熱界面材料的性能既取決于其固有熱特性，又取決于界面匹配效果，因此不能簡(jiǎn)單用材料的整體導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)表征，其主要可分為三個(gè)部分熱阻：兩個(gè)與熱界面材料上下表面相關(guān)的接觸熱阻和一個(gè)與自身材料特性相關(guān)的熱阻。

有些測(cè)試方法旨在將接觸熱阻從熱界面材料自身傳導(dǎo)過(guò)程中分離出來(lái)，而另一些測(cè)試方法則關(guān)注界面的總傳導(dǎo)熱阻，熱界面材料的總傳導(dǎo)熱阻隨界面的表面特性（粗糙度和平整度）、施加壓力、工作溫度、材料機(jī)械性能和熱性能而變化。

行業(yè)內(nèi)熱界面材料評(píng)價(jià)測(cè)試方法應(yīng)用較廣泛的主要有穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中穩(wěn)態(tài)法由于在 ASTM D-5470 標(biāo)準(zhǔn)中已有定義，已經(jīng)被大多數(shù)制造商所采用，其測(cè)試條件與應(yīng)用條件相似，計(jì)算方法比瞬態(tài)法簡(jiǎn)單，但測(cè)試速度非常慢。而瞬態(tài)法比穩(wěn)態(tài)法速度快，但其測(cè)試原理更復(fù)雜，而且測(cè)試環(huán)境與實(shí)際應(yīng)用存在較大差異。本節(jié)主要介紹上述兩種方法的測(cè)試原理。

5.1 穩(wěn)態(tài)法

穩(wěn)態(tài)法是計(jì)算界面熱阻與材料導(dǎo)熱系數(shù)最普遍的方法，其具有成本較低、準(zhǔn)確率較高、測(cè)試原理以及測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)。根據(jù)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱原理，美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）提出了高導(dǎo)熱材料的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)?ASTM D-5470，不少研究者依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)搭建了熱界面材料導(dǎo)熱系數(shù)和接觸熱阻的測(cè)試系統(tǒng)。

公式（2）中界面接觸熱阻 Rc與外力、基板表面粗糙度、熱界面材料導(dǎo)熱系數(shù)和潤(rùn)濕特性相關(guān)，與 BLT 無(wú)關(guān)，且假設(shè) kTIM與 BLT 無(wú)關(guān)。那么通過(guò)式（2）得出：Rtot與 BLT 呈線(xiàn)性變化關(guān)系。通過(guò)分析幾組不同 BLT 相對(duì)應(yīng)的 Rtot，從而擬合出直線(xiàn)方程，就可以得到kTIM和Rc。圖 3 中給出了兩種不同材料的 Rtot隨 BLT 線(xiàn)性變化曲線(xiàn)，其中斜率為 1/kTIM，與 y 軸的截距即為 2Rc。

圖 3 Rtot 隨 BLT 線(xiàn)性變化曲線(xiàn)

圖 4 為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)熱流測(cè)試系統(tǒng)原理圖。測(cè)試系統(tǒng)主要包括熱流儀、待測(cè)樣品、加熱裝置、制冷裝置、保溫材料、壓力加載系統(tǒng)和溫度傳感器等部分。熱流儀用來(lái)檢測(cè)通過(guò)待測(cè)樣品的熱流量，上下熱流儀分別與加熱和制冷裝置緊密貼合，通過(guò)調(diào)節(jié)加熱裝置的熱量輸入和制冷裝置的冷卻溫度實(shí)現(xiàn)待測(cè)樣品的加熱和冷卻。

圖 4 穩(wěn)態(tài)法測(cè)試系統(tǒng)框架圖

采用閉環(huán)控制的高精度壓力加載系統(tǒng)為接觸面提供特定均勻的壓力。四周覆蓋保溫材料可以減少熱量損失。熱量沿著一維方向由上往下傳遞,溫度在每個(gè)試樣內(nèi)呈現(xiàn)線(xiàn)性分布，但會(huì)在界面處由于熱界面熱阻存在而出現(xiàn)跳躍。再結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)和公式（2）即可得出 kTIM和Rc。

5.2 瞬態(tài)法

瞬態(tài)平面熱源法（HotDisk 方法）在測(cè)量過(guò)程中將一個(gè)加熱平面探頭安裝在樣品中，在施加探頭電流后利用探頭檢測(cè)溫度和電阻隨時(shí)間的改變得到待測(cè)樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。該技術(shù)可在一次試驗(yàn)中同時(shí)獲得導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散率和體積熱容。

瞬態(tài)平面熱源法作為一種絕對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量手段，在理論上可獲得較高測(cè)量精度，并且只要滿(mǎn)足樣件尺寸和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測(cè)試條件，理論上對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量范圍也無(wú)限制。所以針對(duì)均質(zhì)材料，使用瞬態(tài)平面熱源法是一個(gè)操作簡(jiǎn)便、測(cè)量精度高的有效的測(cè)量方法，并可與其它測(cè)試方法形成良好的補(bǔ)充與比對(duì)。

圖 5 為瞬態(tài)平面熱源法測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖。其中圖 5（a）為測(cè)試結(jié)構(gòu)，黃色為 HotDisk 探頭，灰色為被測(cè)試樣件，等溫線(xiàn)由暗紅色（熱端）到藍(lán)色（冷端）虛線(xiàn)組成。圖 5（b）為 HotDisk 探頭，是一種兩片絕緣薄膜夾持雙螺旋金屬薄帶的薄片結(jié)構(gòu)，絕緣薄膜既起到強(qiáng)度支撐作用又具有電絕緣功能，整個(gè)HOTDISK 探頭既作為通電發(fā)熱源又作為溫度探測(cè)器使用。

圖 5 瞬態(tài)平面熱源法測(cè)試結(jié)構(gòu)

在測(cè)試過(guò)程中，HotDisk 探頭被夾持在兩個(gè)測(cè)試樣件中間，在試樣和探頭溫度達(dá)到恒定后，在探頭上加載一個(gè)短時(shí)固定電流，探頭通電后產(chǎn)生熱量，熱量向四周的測(cè)試樣件進(jìn)行散熱，使得探頭和樣件的溫度升高。探頭和樣件的溫度上升范圍一般為 0.5~5℃，通過(guò)測(cè)量探頭的電阻變化可以獲得探頭溫度整個(gè)變化過(guò)程,然后根據(jù)加載電流的大小和時(shí)間以及其它參數(shù)，可以計(jì)算出被測(cè)試樣件的導(dǎo)熱系數(shù)。

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結(jié)束語(yǔ)

熱界面材料在微電子封裝的散熱管理中起到了關(guān)鍵作用。本文系統(tǒng)綜述了熱界面材料的研究進(jìn)展，總結(jié)了各種類(lèi)型熱界面材料在微電子封裝應(yīng)用時(shí)存在的問(wèn)題和關(guān)注的方向，主要概況以下四個(gè)方面：（1）熱界面材料在散熱性能方面的研究不只關(guān)注導(dǎo)熱系數(shù)的提升，還應(yīng)關(guān)注界面之間接觸熱阻的降低。微電子封裝中通常熱界面材料的 BLT 厚度很小，此時(shí)接觸熱阻在熱界面材料的總熱阻中起主導(dǎo)作用。（2）微電子封裝中熱界面材料的選型設(shè)計(jì)除了考慮散熱性能，還應(yīng)考慮對(duì)封裝可靠性影響，重點(diǎn)關(guān)注封裝內(nèi)不同材料的 CTE 匹配問(wèn)題、液態(tài)界面材料泵出效應(yīng)和封裝微組裝過(guò)程中高度公差匹配問(wèn)題等。（3）在高導(dǎo)熱界面材料的研制方面，主要通過(guò)研究各種材料制備手段將新型高導(dǎo)熱材料（如碳納米管、石墨烯等）作為導(dǎo)熱填料與基體結(jié)合，獲得同時(shí)滿(mǎn)足散熱和可靠性要求的復(fù)合熱界面材料。（4）在熱界面材料的測(cè)試方面，針對(duì)不同的熱界面材料類(lèi)型和適用要求選擇對(duì)應(yīng)的熱界面材料測(cè)試方法，穩(wěn)態(tài)法更適用于不同溫度和壓力下的熱界面材料熱阻測(cè)試，瞬態(tài)法更適用于無(wú)壓力的導(dǎo)熱硅脂和導(dǎo)熱膠等材料在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試。

來(lái)源：微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)：楊宇軍1，李逵1，石鈺林2，焦斌斌2，張志祥1，匡乃亮1

1 西安微電子技術(shù)研究所；2 中國(guó)科學(xué)院微電子研究所