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1、热管理封装材料的现状及其发展趋势第四组摘要电子元器件的微型化及多功能化对器件的散热性提出了更高要求。器件的散热问题已成为迅速发展的电信产业面临的技术“瓶颈”。介绍了国内外电子工业中已使用和正在开发研制的三代热管理材料的种类和性能特点，总结了各阶段热管理材料的现状及其研究进展，表明高性能热管理材料需具备低密度、高导热、与半导体及芯片材料膨胀匹配、相当大的硬度及良好的气密性等性能特点。科技的发展使得电子设备、系统进展迅速。然而，任何电子器件及电路在工作中都不可避免地会产生大量的热，要提高电子产品的性能及可靠性，就必须使产生的热量降低至最小。运用热力学原理提高整
2、个系统或装置的能量利用率、减少废热排散、提高系统的稳定性和可靠性的相关技术，通过分析和模拟来管理这些热量通常称为热管理。在需要热管理解决的众多问题中，热管理材料应运而生。我们将针对热管理材料的研究进展及其相关性能进行论述。热管理材料的定义和性能要求从热管理的角度研究电子封装用的材料，通过调整成分增大系统功率输出的材料称之为热管理材料。现代电子封装的发展趋势是微型化和多功能。根据热力学第二定律可知，在较小封装内放置器件越多，其热密度越大。以Intel为例，第一代微处理器4004只有2300个晶体管，奔腾4微处理器有4．2×107个晶体管。另外，工作的电子器件
3、与周围空气的温差是一个常数，但器件内热密度的增大导致其本身温升值变大。而通道尺寸减小引起的功率密度增大会引发设备内电子一声子不平衡。同时，器件温度升高通常会改变其电学参数及可靠性。具有高导热能力的材料可协调逐渐增大的功率密度与周围环境的温差，从而达到高效散热并降低与芯片材料热膨胀系数不匹配性的目的。综上所述，高性能的热管理材料需要有与半导体或芯片材料匹配的热膨胀系数，高的热导率，具有一定硬度且气密性优异，从而实现提供机械支持、与下一级封装互连、形成密封环境及提供热量耗散途径的目的。四个决定封装热阻的因素封装的总热阻几乎全部由以下所决定:1.封装结构2.封装
4、尺寸3.芯片尺寸4.空气流动率每个因素对热阻的影响如下：1. 封装结构封装有不同类型, 每种都有不同的热阻特性。诸如ABGA和FCBGA,特有的铜盖设计使得芯片直接贴于导热膏上, 提供了出色的热阻特性。PGBA的情况, 通过采用4层基板代替2层基板的方法降低热阻, 并且可以通过直接在热通孔下放置锡球来进一步降低热阻。2.封装尺寸通常, 封装尺寸越大, 热阻就越低。尤其对于ABGA和TBGA非常正确, 它们拥有一个铜盖提供了出色的热传导特性。在较低热传导性的封装情况如FPBGA时, 热阻和封装尺寸之间的相关性较弱, 并且如果芯片尺寸相同的话, 不同尺寸的封装
5、其热阻相差很小。3. 芯片尺寸硅的热传导性, 芯片的制作材料, 大约是封入树脂的100倍, 是封装基板的10倍; 因此, 芯片本身的表面区域对散热作出了巨大的贡献。4. 空气流通率空气流通率对封装本身的热传导性没有直接联系, 但是诸如通过采用风扇吹冷风的方法, 可以有效地带走封装表面或印刷线路版表面的热量从而降低了热阻。传统的热管理材料电子元器件内存在热应力及变形主要是由热膨胀系数的差异导致的。因此，作为热管理材料，热膨胀系数及热导率是其关键的考察指标。半导体芯片材料及陶瓷封装材料常用的半导体芯片材料主要是Si和GaAs。近年来，开发了很多新的半导体材料，
6、以使其在更高频率或温度范围内获得更好的性能，如SiGe、SiC、InP、GaN等。GaAs迁移率很高，在高频领域应用广泛。但是仅当电路尺寸非常小时GaAs才能获得最好的高频性能。一般微电子组件中使用的GaAs芯片厚度为0.0508~0.1524mm。SiGe是通过将Ge作为掺杂剂选择性掺入晶体管基区的方法制备的。由SiGe制成的半导体高频性能可与GaAs相比，其热导率与Si相近。SiC具有最大电子迁移速率，这允许器件在高频下工作。SiC由于其带隙宽达3.1eV(Si的带隙仅为1.1eV)，温升很难破坏SiC半导体的性能，除了宽的带隙外，SiC还具有高的热导
7、率，25℃时为333W／(m·K)，200。C时为221W／(m·K)，因此SiC被用于各种高温中。磷化铟(InP)是一种用于高频电子和光电子器件的新型化合物半导体材料，其热导率相当高，约为97W／(m·K)，这使它可用于大功率密度的应用。氮化镓(GaN)是一种正在开发的半导体，其带隙宽，能够有效地实现大功率并在高达40GHz的频率下工作，热导率为16～32W／(m·K)，功率密度可以是GaSb和InP的许多倍。第一代热管理材料传统低热膨胀系数材料如Cu-W、ELI-mo、Cu／Invar／Cu、Cu／Mo／Cu等，具有高密度和高热导率，但不及金属Cu、A
8、l，被称为第一代热管理材料。表1所示为第一代热管理材料的热物理性能
