散熱片(heat sink)是決定眾多晶片或離散電源元件耐熱壽命以及設計中不可或缺的元素,缺少了這些通常是被動、但有時是主動的零組件,晶片/元件可能會因為自己產生的熱量無法從所處的「王國」中排出,而把自己給「煮熟」,導致提早掛點,多出來的熱甚至會為系統其他部份甚至使用者帶來問題。

但是要將散熱片與待冷卻的元件黏在一起通常不太容易。沒錯,市面上有很多散熱片(例如下面圖1~3的只是數不清選項中的其中幾種)產品,都只適用特定封裝形式的元件,甚至是讓熱對流最大化的客製化設計,但這都只是解決方案的一小部份,盡可能維持熱源以及散熱片之間的低熱阻(thermal impedance)至關重要,任何散熱路徑中的空隙與缺陷,都會減少熱流動並且使得散熱片的效果打折扣。

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圖1:這種簡單的沖壓金屬(stamped-metal)散熱片安裝在一個小型的金屬電晶體上,像是一對翅膀。
(來源:Bill Schweber)

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圖2:這是專為英特爾(Intel)的Pentium II處理器設計的陽極氧化(anodized)散熱片,包括能將散熱片卡在裝置上的金屬夾具。
(來源:Bill Schweber)

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圖3:專門設計用以冷卻1~2個標準TO-3封裝電源元件的較大、較薄散熱片。
(來源:Bill Schweber)

這是個老問題,當然也有兩個常用的解決方案,例如在封裝與散熱片之間使用導熱膏(thermal grease)或是導熱墊(thermally conductive pad)。任一種解決方案都會帶來成本以及封裝流程的工序;如果你曾經使用過,就會知道導熱膏很難處理,不太容易均勻平滑地塗佈。而無論選擇那種方案,當然還是需要散熱片。

有些晶片在封裝底部就有散熱墊,可以直接應用於PC主機板上。對於某些尺寸的封裝與熱負載,這是一種有效的方法,但會帶來額外的封裝成本,而且前提是PC主機板並不打算冷卻相鄰的其他元件;此外,這種從底部散熱的方法可能對某些會更熱的晶片來說並不足夠。

選擇性雷射熔融與積層製造

來自美國紐約州賓漢頓大學(Binghamton University)機械工程系的研究團隊,最近開發出一種製造散熱片效果的新方法,他們利用選擇性雷射熔融(selective laser melting,SLM)技術以及積層製造(additive manufacturing)技術,將錫-銀-鈦合金(tin-silver-titanium alloy)與矽緊密接合;這種方法會形成一層薄薄的鈦矽化物(titanium-silicide)接合層,像是矽晶片與合金之間的黏膠。

利用以上技術,各種散熱裝置像是氣室蒸發器(vapor chamber evaporator)、散熱管(heat pipes)以及微流道(micro-channels)等等,就能直接「印」在電子封裝上,不必使用其他散熱介面材料。要在晶片上印刷微流道並不是簡單任務,大多數金屬與合金無法與矽緊密接合,因為矽的附著力較差,以及熱膨脹係數不匹配。

該研究團隊主持人、賓漢頓大學副教授Scott Schiffres解釋:「我們在晶片上印刷微流道製造螺旋或是迷宮狀的路徑,讓冷卻技能直接穿過晶片,而非以散熱膠來連結散熱片以及晶片。」不過要實現這種直接積層印刷也不容易,通常運用於基層製造與晶片的金屬合金之間的接合較弱,接觸角也比較高(因為濕潤性較差以及介面強度不佳)。但利用這種中介層材料與施作技術,濕潤性與矽基板的反應顯著提升。

不同於需要數十分鐘才能形成強力接合的硬焊(brazing)技術,上述新方法只要花幾微秒就能建立良好的接合(參考圖4);研究人員是利用強度雷射光加熱穿透合金,以低溫形成一種與矽基板之間的強力金屬間接合,同時將樣品曝光多次以提供足夠的擴散時間以形成強力接合。

與矽之間的接合是因為形成了一個只有微米(micrometer)厚度的鈦矽化物介面層,讓矽基板對於錫-銀-鈦合金(Sn3Ag4Ti)層來說足夠濕潤,而因為該合金層的熔點較低(約250°C),能降低裸晶的熱應力。

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圖4:a與b是以選擇性雷射熔融製程沉積在矽基板上的錫-銀-鈦(Sn3Ag4Ti)合金;c為賓漢頓大學在4吋矽晶圓上以不銹鋼製作的大學標誌。
(來源:Bill Schweber)

該研究團隊的測試結果非常引人矚目,他們聲稱,這種新方法與利用傳統散熱介面材料的散熱片方法相比較,能讓晶片溫度降低10°C;他們還量測了該包括Sn3Ag4Ti之材料的塊材導熱係數(bulk thermal conductivity)等其他特性,不過需要複雜的步驟(圖5)。其他關於此研究成果的更多訊息,可參考賓漢頓大學的這個連結,還包括研究團隊成員的介紹。

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圖5:研究團隊以頻域熱反射(frequency-domain thermoreflectance,FDTR)方法量測Sn3Ag4Ti塊材導熱係數的示意圖。
(來源:Binghamton University)

筆者認為,這項研究成果對於降低二氧化碳排放具有非常正面的影響,還不知道是否有機會能真正商用化。有可能該創新技術會如同許多電池化學配方、電極技術「突破」那樣,在實驗室看起來很厲害,但基於種種理由很難擴大規模進行試產,甚至真正量產,也有可能它會成真,但是得經過許多年的不斷改善…你對這種新研發的散熱技術有什麼看法?歡迎分享!

編譯:Judith Cheng

(參考原文:Goodbye, thermal grease; Hello, integral heat sink?,by Bill Schweber)