深圳市思普瑞美電子材料有限公司

1 市場呼喚散熱材料

物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等正潛移默化地改變著人們的日常生活，無論何種技術(shù)在背后支持這些突破革新，都離不開系統(tǒng)底層的半導(dǎo)體器件。聯(lián)網(wǎng)性、移動性以及不斷增強的顯示功能對電子產(chǎn)品系統(tǒng)集成度的要求越來越高，功率密度不斷增加，尺寸逐漸縮小。此外產(chǎn)品的性能和運速要求也日益提高，而這一切都是建立在以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的技術(shù)創(chuàng)新之上。

半導(dǎo)體芯片在不斷提高集成度、功率密度和縮小尺寸的同時，也對系統(tǒng)散熱技術(shù)提出了更嚴(yán)苛的要求，電子行業(yè)期待有一種既具有完美的散熱性，又滿足可靠性要求的散熱材料“全能選手”為其保駕護航。

2 散熱材料的基本要素

散熱材料，亦稱為導(dǎo)熱界面材料（Thermal Interface Material，TIM），就關(guān)鍵熱特性而言，TIM負責(zé)將芯片中的熱量傳導(dǎo)給散熱片、同時填充氣隙或界面上不平整的部分以更好地將熱量散播到導(dǎo)熱片中。如圖1所示。

TIM的主要特性包括以下幾點。

散熱性能：熱阻（TI）越低、熱傳導(dǎo)性能越好；

熱穩(wěn)定性/可靠性：熱穩(wěn)定性越高，出現(xiàn)故障的風(fēng)險就越低，產(chǎn)品壽命就越長；

可壓縮性：壓縮性越好，熱設(shè)計窗口和厚度范圍就越寬，從而能夠覆蓋具有多個組件和堆疊管芯布板的高密度電路板中的各種氣隙。

此外，在外形封裝方面，使用起來越方便，導(dǎo)熱墊片的效能就越高。

TIM種類主要包括相變材料（Phase Change Material，PCM）、硅脂、導(dǎo)熱墊片和凝膠等，這些材料都具有不同的特性。

圖1導(dǎo)熱界面材料（TIM)各種類型和應(yīng)用位置

2.1 TIM的選擇

芯片功能越強大，對散熱管理解決方案的要求就越高。除了要防止熱積蓄，保持設(shè)備冷卻以更好地工作外，還要確保其使用壽命更長。無論是大型獨立設(shè)備（電腦、服務(wù)器甚至汽車產(chǎn)業(yè)）還是移動設(shè)備，都根據(jù)摩爾定律在進步，芯片越變越小，溫度越聚越高。散熱設(shè)計工程師不僅要關(guān)注熱性能，還要處理熱沖擊下的穩(wěn)定性，并防止出現(xiàn)擠出和變干的問題。

但是，要找到兼具散熱性與可靠性的理想散熱管理解決方案并非易事。過去，由于不同散熱材料特性及其局限性，一直沒有同時滿足上述要求的普適性散熱材料，電子產(chǎn)品廠商只能根據(jù)不同應(yīng)用的散熱要求，選擇性地使用不同的散熱材料。

高端、大功率應(yīng)用要求有較長的產(chǎn)品質(zhì)保和生命周期（一般是5～10年），如商業(yè)服務(wù)器、工作站、汽車電子（發(fā)動機控制單元）等。隨著功率密度不斷攀升，大部分高端CPU/APU功率需求為65～110W，高端GPU功率需求在250W以上?？蛻粝Ｍ谙喈?dāng)長的時間內(nèi)性能保持不變，避免停機進行質(zhì)保維修。在這一領(lǐng)域最重要的是TIM材料的時間穩(wěn)定性，因此一般選擇相變材料（PCM）以及硅脂作為主要散熱材料。

而另一些應(yīng)用如筆記本電腦、視頻圖形陣列（VGA）等，要求在較短產(chǎn)品生命周期內(nèi)有強勁的性能表現(xiàn)，其最初“開箱”階段應(yīng)具有優(yōu)異的熱性能和較低的熱阻（TI），熱穩(wěn)定性則是其次要需求。相變材料（PCM）和硅脂在該領(lǐng)域也同樣適用。

高密度器件封裝需要具備可壓縮特性以及較高的熱性能，實際應(yīng)用中包括智能電話和平板電腦等移動設(shè)備，這類應(yīng)用涉及到堆疊管芯、多芯片封裝、密度極高的電路板設(shè)計。間隙填充墊片或者熱凝膠可以滿足這類需求，但是相對于相變材料（PCM）和熱硅脂，墊片和凝膠的散熱性能有限。

2.2 硅脂與墊片/凝膠的應(yīng)用局限性

硅脂由于其優(yōu)秀的熱性能成為應(yīng)用最為廣泛的TIM材料。硅脂因為其良好的流動性、較低的材料厚度（BLT），因此具有較高的熱性能。但是，有機硅脂的長期可靠性一般不夠理想，在重復(fù)熱周期后，或者長期暴露在較高溫度下會出現(xiàn)降解或性能下降等問題。因此不適合需要長期可靠性和耐用性的高端應(yīng)用，其液體結(jié)構(gòu)也使其不適合高密度器件封裝。

間隙填充墊片是一種柔軟的導(dǎo)熱可壓縮薄膜，一般由有機硅和陶瓷填充物構(gòu)成。其具有各種各樣的厚度、柔軟度和導(dǎo)熱特性，還可以交聯(lián)和半固化，一般需要進行機械夾緊或者螺絲擰緊。

有機硅熱凝膠也可交聯(lián)或者半固化，材料厚度比間隙填充墊片更低，可以和熱填充物一起裝入。

間隙填充墊片與熱凝膠兩種材料的主要優(yōu)點在于其壓縮特性，但缺點是導(dǎo)熱性能較差。

為簡化操作，電子產(chǎn)品生產(chǎn)商一直在尋找通用性更好的TIM平臺，既有優(yōu)異的熱性能又能保證長期可靠性，甚至還具有良好的可壓縮性，以適用于各類應(yīng)用。

2.3 PCM：突破局限性的全能選手

硅脂、間隙填充墊片和熱凝膠的應(yīng)用有限，而相變材料（PCM）技術(shù)由于配制的靈活性，突破了性能和成型特性的限制。思普瑞美科學(xué)家能夠針對特殊應(yīng)用重新組合各種特性，通過對PCM聚合物結(jié)構(gòu)進行仔細的配制控制和處理，成功開發(fā)出新一代PCM材料，能夠滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。

PCM結(jié)合了導(dǎo)熱墊片的可壓縮性優(yōu)點以及硅脂的熱性能，同時又具有長期的可靠性。當(dāng)溫度達到其相變點或者融化溫度時，PCM會從固態(tài)變成凝膠態(tài)。與硅脂相似，PCM的熱阻較低、非固化，能夠較好貼合，而且沒有散開、干裂、 擠出等其他問題。這是基于其獨特的聚合物結(jié)構(gòu)和相變化學(xué)特性，以及專門為高性能器件開發(fā)的填充技術(shù)。

PCM一般以片狀或膏狀的形式提供，使用起來非常方便，可以將其直接封在離型膜中，切成各種厚度的墊片，更好地滿足設(shè)計和散熱要求。PCM的分子鏈要比硅脂長很多，長鏈結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了穩(wěn)定而又連續(xù)的導(dǎo)熱粒子散布與聚合物的一致性，提高了導(dǎo)熱率，減小了聚合物因為壓力、溫度等問題導(dǎo)致的遷移。

大部分PCM含有蠟聚合物，這種材料當(dāng)溫度達到其相變點或者融化溫度時，會從固態(tài)軟化，或轉(zhuǎn)換成凝膠態(tài)。融化的過程是可逆的，融化溫度時一般在45℃左右。

溫度越高，PCM黏性越低，可實現(xiàn)較高的浸潤特性、較薄的材料厚度和較低的接觸阻抗，提高了熱阻。圖2顯示了PCM從固態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)換，以及溫度對黏性的影響。當(dāng)溫度降低后，PCM再次固化，保持聚合物基質(zhì)的完整性，從而實現(xiàn)其長期可靠性。

圖2PCM從固態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)換，以及溫度對黏性的影響

3 思普瑞美先進的熱管理解決方案

作為一家先進的材料供應(yīng)商，思普瑞美電子材料部已經(jīng)服務(wù)于半導(dǎo)體工業(yè)超過50年，持續(xù)為半導(dǎo)體和顯示器行業(yè)提供關(guān)鍵材料。一直以來，該業(yè)務(wù)持續(xù)投資先進材料研發(fā)，并在TIM相變材料和低α粒子材料等方面取得突破性進展，可滿足關(guān)鍵制造需求。

思普瑞美TIM屬于相變材料（PCM），采用獨有配方，并基于聚合物系統(tǒng)和先進填料技術(shù)實現(xiàn)。其可提供持久的化學(xué)和物理穩(wěn)定性，具有熱性能、熱沖擊穩(wěn)定性、長期可靠性和低成本的優(yōu)勢，滿足特定應(yīng)用的需求。事實證明，相較其他容易干化或失效的替代導(dǎo)熱界面材料，思普瑞美TIM材料可以長時間保持一貫的高性能表現(xiàn)，解決嚴(yán)苛的熱管理問題，并提供在整個設(shè)備壽命周期內(nèi)處于業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的可靠性。

思普瑞美TIM產(chǎn)品在加速壽命測試（ALT）中也表現(xiàn)優(yōu)異。其獨特配方可避免材料在極端工作溫度和功率循環(huán)過程中出現(xiàn)擠出和降解，進而導(dǎo)致設(shè)備故障并縮短使用壽命的情況。思普瑞美TIM在高溫老化過程中可提供一致的性能，其三大產(chǎn)品系列：PTM、PCM和LTM，分別面向高端、中端和可壓縮性三種不同的市場應(yīng)用需求，已在多類應(yīng)用中作為熱管理解決方案被廣泛使用，能夠有效地幫助電子設(shè)備解決內(nèi)部半導(dǎo)體芯片的散熱問題，確保設(shè)備性能的發(fā)揮以及可靠性。如圖3所示。

圖3思普瑞美TIM的三大產(chǎn)品系列滿足各類市場的散熱管理要求  

思普瑞美TIM材料具有以下特點。

熱阻?。簾嶙杩沟椭?.056cm2 ℃/W，可將熱量更快地從芯片傳遞到散熱片；

最佳的表面浸潤性：減小接觸熱阻，提高熱性能；

厚度更?。航鉀Q組裝問題，提高散熱效果；

成本低：片狀材料，可點膠版本，零浪費，無重大設(shè)備投入。

思普瑞美相變材料有片狀式和可印刷式以供選擇；還可提供其他多種封裝材料，如散熱器、電氣相關(guān)材料、純金屬等。在工藝方面，思普瑞美TIM片狀材料可提供一致的厚度和體積。在產(chǎn)品設(shè)計時就著眼于簡化應(yīng)用，不僅有助于用戶最大程度地提高生產(chǎn)能力，還能獲益于片狀材料的精確性?？捎∷⑹絼t有助于自動化生產(chǎn)及提高生產(chǎn)速度。如圖4所示。