向導熱膏說再見 迎接一體式散熱器?

作者 : Bill Schweber,資深技術編輯

對於許多IC和離散功率元件而言,散熱器是熱壽命和設計中不可避免的事實。但是將散熱器連接到要冷卻的設備上通常並不容易,且保持熱源與散熱器之間的熱阻盡可能低非常重要,熱通路中的任何空隙或缺陷都會減少熱流,從而降低散熱效果。有鑑於此,Binghamton大學機械工程系的一個研究小組設計並執行了另一種方法來實現散熱…

對於許多IC和離散功率元件而言,散熱器是熱壽命和設計中不可避免的事實。如果沒有這些通常是被動的,有時是主動的設備,自我產生的熱量將不會散佈到神奇的「遠得要命王國」,在那裡多餘的熱量反而會成為某人或其他問題,設備會自行煮熟直到早逝。

但是將散熱器連接到要冷卻的設備上通常並不容易。沒錯,有許多市售的散熱器(圖1、2和3只是幾近無限選擇中的一部分),其中有許多是針對特定設備封裝量身定制,甚至是可以最大化對流的定制設計,但這只是解決方案的一部分。保持熱源與散熱器之間的熱阻盡可能低非常重要,熱通路中的任何空隙或缺陷都會減少熱流,從而降低散熱效果。

圖1 這個簡單的沖壓金屬散熱器安裝在一個小型金屬電晶體上,可以作為一對「翅膀」。(圖片來源:作者)

圖2 此陽極氧化的散熱器是專門為Intel Pentium II處理器設計,並包括金屬夾,可將散熱器固定到設備上。(圖片來源:作者)

圖3 較大的鰭片散熱器設計用於冷卻標準TO-3封裝中的一個或兩個功率元件。(圖片來源:作者)

當然,這是一個老問題,有兩個經常使用的解決方案——在封裝和散熱器之間使用導熱膏或導熱墊(例如,請見Henkel/Bergquist網站),兩種解決方案都會增加成本和組裝工作。如果你曾經使用過它,會了解導熱膏很難處理並平滑均勻地塗抹 無論選擇哪種方法,都仍然需要散熱器(本文最後的參考文獻很好地概述了熱介面材料,並開發了一種用於測試其性能的高精準度夾具)。

某些IC的封裝下有一個散熱墊,可以將PCB本身當作散熱器。對於某些封裝尺寸和熱負載來說,這也是一種有效的技術,但是會增加IC封裝的成本,並且通常會認為PCB也沒有在嘗試冷卻許多相鄰的設備;此外,對於較熱的IC來說,底部散熱通道可能不足。

賓漢頓大學(Binghamton University, NY)機械工程系的一個研究小組設計並執行了另一種方法來實現散熱。他們使用選擇性雷射熔融(SLM)和增材製造(Additive Manufacturing)將錫-銀-鈦合金(Sn3Ag4Ti)與矽緊密結合,這形成了薄的鈦矽化物結合層,該結合層可充當矽晶片和金屬合金之間的黏膠。使用該技術,無需使用任何熱介面材料即可將各種除熱設備,例如氣化室蒸發器(vapor chamber evaporator)、熱管和微通道,直接「印刷」到電子封裝上。

將微通道印刷到晶片上並不是一項簡單的任務。由於與矽的黏合性差,以及熱膨脹不匹配,因次大多數金屬和合金不會與矽形成良好的鍵合,正如專案團隊負責人Scott Schiffres助理教授解釋的那樣,「我們在晶片上列印微通道,以形成螺旋狀或漩渦狀,使冷卻劑可以直接流過晶片,而不是使用導熱膏作為散熱器和晶片之間的連接。」

實現這種直接的增材印刷並不容易,並且增材製造中通常使用的金屬合金與矽之間的結合力相對較弱,並且具有較高的接觸角(潤濕性和介面強度差)。利用這種夾層材料和應用技術,與矽基板的潤濕性和反應性顯著提高。

與使用銅焊可能需要數十分鐘才能形成牢固的結合不同,他們能夠在幾毫秒之內建立良好的鍵合(圖4)。他們透過對合金進行強雷射加熱來做到這一點,可以在低溫下與基材形成牢固金屬間的鍵合,同時多次暴露樣片以提供足夠的擴散時間,進一步形成牢固的鍵合。與硅的鍵合是由於形成了微米級厚度的鈦矽化物介面層,這使得矽可潤濕到Sn3Ag4Ti層,且Sn3Ag4Ti相對較低的熔化溫度(約250℃)降低了裸晶上的熱應力。

圖4 (a、b)透過SLM製程沉積在矽上的Sn3Ag4Ti合金;(c)不銹鋼Binghamton大學校徽建立在4英吋矽晶圓上。(圖片來源:Binghamton大學)

他們的測試結果是積極而有意義的:他們聲稱,與使用傳統熱介面材料的散熱器相比,它可以將裸晶的溫度提高10℃。 他們還測量了材料的其他特性,包括Sn3Ag4Ti的整體導熱率,這需要複雜的配置(圖5)。

圖5 用來測量Sn3Ag4Ti本體熱導率的頻域熱反射(FDTR)配置的示意圖。(圖片來源:Binghamton大學)

有關整個過程和結果的更多詳細訊息,可以在Elsevier的增材製造閱讀完整的技術論文「在矽上進行附加的雷射金屬沉積(Additive laser metal deposition onto silicon)」。Binghamton大學技術性較低的新聞文章(以及下方視訊),為量化提供巨大的空間——幾個重要的數字!——這種方法對氣候變化和二氧化碳排放的潛在積極影響(在我看來,這在統計學上可以理解)。

我不知道這項創新在實際商用上是否可行。也許就像電池化學和電極技術的許多「突破」在實驗室中看起來不錯,但由於各種原因而無法擴展到試生產或批量生產。也許這項技術會變得可行,但需經過多年的改善(通常被認為是多年的成功)。

讀者們如何看待使散熱器接口成為裸晶不可分割的一部分此種方法的實用性和可取性?

參考資料

1.National Renewable Energy Laboratory, “Thermal Interface Materials for Power Electronics Applications

(參考原文:Goodbye, thermal grease; hello, integral heat sink?,by Bill Schweber,EDN Taiwan Anthea Chuang編譯)

 

 

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