CPU主要散热材料导热膏技术发展动向

技术论坛····-·霸黪 林祖辰，GregoryS．Becker／张世中道康宁公司(DowCorning 随着市场上对微处理器的性能要求越来越高，又寸硅 芯片级(siliconlevel)功率消耗的要求也愈来愈高；此 外，更小的机壳尺寸、更安静Pc运作、以及更低硅晶体 操作温度等的需求，共同形成了散热问。为了加强散 热效果，使用热导材料(The砌alIn【erfaceMate『ials， TIMs)将可有效降低热阻。热导材料通常由高分子材料 和高热导性填料(金属或陶瓷)组成。这类材料大致可 以分为下面几种：热导环氧树脂(thennalEpoxy)，相变 材料fP}lasechaflgemaLeriHl，PCM)，导热膏和凝胶。和其 它几类材料相比，在CPU的应用中，导热膏具有以下优 点如：本身热导率高、胶层厚度薄(bondline ￡hickness，BLT)，附着压力(attacbpressure)最 小，再加工性(reworkability)好。在热导材料开发 图1．桌上型计算机、工作站和服务器的散热结构示意图 过程中，不可避免地要兼顾产品性能、成本、使用性 和可靠性。这篇文章主要在探讨导热膏开发过程中遇到 的设训‘和技术问题。 简介 随着微处理器功能和效能日益增强，市场上对其散 热的要求也愈来愈高，将组件操作温度保持在一定范围 内有两个主要原因【参考文献1]。 1．电路(品体管)的运作可靠性取决于组件连接点 (junction)的操作温度，因此，操作温度的微小变 化f如10—15。c之问)即可以导致组件使用寿命相差两倍 之多。 2．另一个原因是微处理器速 度。较低的操作温度可降低闸延 迟(gatedelay)，使微处理器可 以更高的速度工作。较低温度的 另一个好处是降低组件无谓的功 率耗散(也被称作泄漏功耗， leakagepower)，而这也降低r 总功率耗散。 在以卜-两个因素共同作用下， ”8 May2004-电子与电脑CompoTech、^nⅣw．compotech．com．cn 万方数据 ≯ 一 “ i#叠馨∥：麓 ······黪褫舞 技、术论坛 使组件的操作温度间接影响了工作速度。 导热膏由两种主要成分组成：高分子聚合物和填料。 在业界与院校研究人员的积极投入下，目前市场上 的热解决可以简略分成两个类烈笔记型计算机和 其它(桌上型、服务器、工作站等)。图1是桌上型计算 机、服务器和工作站的结构示意图。这里一项关键的 假设是热传导大部分通过硅片的非活动面(inactive sideofthesilicon)进行，散热管理也主要透过这条热 传导途径进行，而最后热能即藉由散热片向周围环境散 逸。 热导材料技术大致可以分为下面几种：热导环氧树 脂、相变材料、导热膏和凝胶。在这些不同的技术 中，导热膏在cPu的应用上具有以下优点，如：本 身热导率高、胶层厚度薄、附着压力最小、再加工性 (reworkabilitv)好等。因此，本文将着重在导热膏 的讨论。 导热膏考虑事项 1．导热胄配方 表1．选定填料的导热性 聚合物选择：选择聚合物通常要考虑它和填料的兼 容性、对配合面(matingsurface)的润湿能力、粘 度和其它效能表现。可以承受的最大填料添加量是由 聚合物对填料的热力学润湿性(thermodynamic wettability)和聚合物粘度决定。通常选择硅胶为聚合 物，因为它热稳定性高、可改善配合表面润湿性的低 表面能、应力低及压力吸收性好。 填料选择：热导材料的关键成分是填料，其作用 在于导热。为便于加工和处理，填料分散于导热性较 差的聚合物中。填料的重要特质包括本身热属性(bulk thermalproperty)，形态(颗粒大小和形状)以及分 散度。若考虑到介电性能和成本，则通常使用陶瓷粉 末，如：氧化铝及氧化锌，另外，也可使用金属颗 粒，如：银及铝，表1列出所选填料的导热性。 导热膏可以看作是固体颗粒在液体介质中的悬浮 液。高填充导热膏(体积超过30％)具有粘弹行为。 导热膏粘度视所受的剪切速率而定。图2和3显示导热 膏典型的切力变稀现象及其动态模量。 这意味着仅用粘度测定不足以描 述其流变现象，而其流变性对网版 印刷(screenprint)和分散性 (dispensability)很重要。这些模式 也可预测恒稳态胶层厚度(constant steadvstateBLT)，而胶层厚度是影 响热阻的重要因素，我们将在后面 讨论。 可用Krieger和Doughtery方程式 描述流变行为[参考文献2]。 www．compotech．com．cn电子与电脑CompoTech一2004May 119 万方数据 i罄爨骥羧j≯l豢嚣爹势貉扩黼黼 技术论坛·······瓣i n=ns(1一品)m”(1) 其中表示导热膏粘度，11s 表示聚合物粘度(假设聚合物 是牛顿流体)，[11]表示特性粘 度， 表示填料体积分数， 。是最大填充分数。对只有一种 尺寸、随机填充的球体颗粒， 一系列实验和计算机仿真研究显 示，其最大充填率(maximum packingfraction)。介于0．6和 0．64之间【参考文献3—5]。方程 式(1)的参数，[]和。已由 图2．导热膏的切力变稀变化 Ba，ne。等人制成表格[参考文献2]。 看虑 导热膏中填料的体积分数影响其本体热导率。为了 在热导材料设计中，热效能是最重要的属性之一。 将填料充填最大化，应使用几种不同颗粒尺寸的填料。 热导材料在散热解决方案中用于连接不同零件，在固体 颗粒尺寸分布对粘度影响很大，特别是，在体积分数 表面之间插入热导材料后，位于接口的有效热阻 相同的情况下，当混和两种不同尺寸的颗粒时，其粘 (effectiVethermalresistance)RTIM由两部分组成，即 度比只有一种颗粒尺寸的悬浮液可能要小得多。而若使 热导材料的有限热导率(“nitethe瑚alresistance)带 用三种以上不同尺寸的填料，将可以使最大填充分数高 来的本体热阻(bulkresistance)Rbulk和热导材料及其 达0．9以匕『参考文献6]。 图3．导热膏的动态模量与频搴的函数美系 为了改善导热膏的流动 性，需对填料进行表面处理 (涂层)。典型的表面处理 剂有硅烷或硅氧烷，如甲氧 基硅烷或脂肪酸，它们可以 和填料结合，改善其流动 性。 2．导热■效篷 120 May2004_电子与电脑CompoTechwww．compotech．com．cn 万方数据 毗邻固体之间的接触热阻(contactresistance)Rc。 RTIM可以下式表示： 胁：黑他舢c2(2)}CHM 1。 其中BLT是热导材料的胶层厚度，kTIM是热导材料 的热导率，Rcl和Rc2是热导材料和两个毗邻表面的接 触热阻。RTIM，Rcl和Rc2均经过面积归一化(area— normalized)(C—cm2／W)。 热导设计的目标之一是降低RTIM。这可以透过降 低胶层厚度(BLT)，增加热导性和降低接触热阻Rc1 和Rc2实现。 某些研究[参考文献7，8]已建立了接触热阻的模型， 假设热导材料的运作类似于纯液体。但是因为导热膏本 质上是典型粘弹体，以纯液体为模型描述导热膏的接触 热阻是不够的。事实上，可以透过增加压力和毛细管 作用力促进表面润湿。 填充满热导材料的热导率可以用下面的函数表示： ‰=f(kt，km，中，Rn)(3) 图4．热导率是填料含量的函数 ●●●●●●黪” 技术论坛 其中kf是填料热导率，是填料体积分数，Rb是填 料和聚合物基体之间的接触热阻。文献中提到可以用几 种不同的模型[参考文献9仂Ⅱ以分析。图4是填充有 机硅热导率的实验结果，它是填料(氧化铝)颗粒重 量分数的函数。高填充可提高热导率。 胶层厚度(BLT) 降低胶层厚度(BLT)通常也是散热设计的另一个 重要目标。因为较薄的胶层厚度可减小热阻。胶层厚 度是不同参数如操作压力(即：使两个接触表面在一 起所施加的压力)和颗粒体积分数的函数。Prasher等 人[参考文献9】开发了一个颗粒充满聚合物热导材料的胶 层厚度实验模型。他们提出胶层厚度具有下面的相关 性： 毗71=1．31．10。(∥66(4) 其中y是热导材料的屈服应力，P是施加压力，这 个相关性在25—200psi的操作压力范围内有效。由于 热导材料的屈服应力随着填料填充量增加而增加，因此 胶层厚度也随着体积分数增加而 增加。对热导材料的热阻而言， 填料填充存在两个竞争性效果： 在相同压力下，kTIM和胶层厚度 随着填料体积分数的增加而增 加，为了使RTIM最小化，填料 存在一个最佳填充值『参考文献 91。这个模型尚未考虑的是，颗 粒尺寸同样在实现较薄的胶层厚 度方面扮演着重要角色。较大的 填料颗粒可能成为隔离物，从而 www．compotech．com．cn电子与电脑CompoTech_2004May 121 万方数据 技术论坛-·····黪攀 阻止热导材料的胶层厚度不能小于大填充颗粒的直径。 3．可甫H造性考虑： 材料需要可网版印刷(screenprintable)。典型的 折衷方案需要考虑下面这个问题：较高的填充和／或较 小的颗粒(以降低热阻)会增加材料粘度，从而影响 网版印刷能力(screenprintability)。接口的孔隙度 (degreeofvoidingattheinterface)对热性能也有显著 影响，因为孔隙即空气间隙，它会阻碍热传递，但是 对导热膏的网版印刷能力(screenprintability)和流变 学性质(rheologyprofile)尚未建立定量关系。虽然 可用溶剂降低导热膏粘度，但溶剂型导热膏的存放需要 采取特别措施(如冷藏)，而多余的溶剂可在网版印 刷时蒸发。 4．可靠性考虑： 微处理器的封装设计需要确保其在正常使用条件下 使用七到十年。封装过程中需要解决应力问题(Packages aresubjecttoarangeofstresssuites)以保证在使用期内 组件达到性能规格要求。在缺乏封装测试的情况下，可 以用一系列其它测试评估导热膏性能，如热失重分析 (TGA)，85／85高加速应力试验(Hast)(85o c，85％相 对湿度老化)等。在TGA分析中， 观察测试材料在受控条件下，其重 量变化与温度(或时间)的函数关 系，主要用途是衡量材料的热稳定 性和成分。图5是导热膏在1200C 下24小时的TGA结果。在最初的 0．22wt％失重后，导热膏在测试条 件下保持稳定。0．22wt％失重可能 是因为填料带入的湿气所致。在最 初的失重后，导热膏不再失水，未 见失重。 高加速应力试验(Hast测试)是另一种可靠性测 试。表2显示了导热膏1000和1500小时的Hast测试结 果。这个结果显示导热膏性质稳定。 导热膏测试 1．热阻 目前尚无统一方法评估热导材料在所有CPU应用中 的效果，但可采用保护平板法(guardedhotplate method)测定两块配合表面(twomatedsurfaces)之 问的热阻；其表达式如下： 。：等(5)×一POwerpJ 图6和7是这种工具的典型结构。 热阻及等效热导率(equivalent thermal conductivity)可以用精密电热台(precjsionelectric stage)在恒定载荷或在恒定膜厚度下测定；载荷可以 用加热轴(heatingaxis)上部的载荷传感器(10ad cell)测定；膜厚度可以用数字式测微器(digital micmmeter)测定加热和冷却轴之间的距离来确定(上 图5．导热膏的TGA结果 122 May2004●电子与电脑CompoTechwww．compotech．com．cn 万方数据 述距离还要减去预定的导热膏厚度和硅基体厚度 表2．导热膏的85／85Hast测试结果 可由置于每个加热和冷却轴上的五个热电偶测得 温度值来计算热阻。载荷、膜厚度和温度值可用数 鬻罄鬈鹣糕移i《≯舔誊 爹磐≯j i。j -······繇舔 技术论坛 器(datalogger)和计算机系统进行处理。计算 机系统可以显示和保存温度、载荷、膜厚度、热阻及 等效热导率的测量和计算结果。用这台仪器测量热 阻和胶层厚度，其精度分别可达±0．03。C／W和±5 um。图8和9显示了热阻是胶层厚度和作用压力的 函数关系。图9同样表明，可通过降低胶层厚度进而 降低热阻，而无需增加填料体积分数。 图6．热分析仪器示意 运用这套装置，可以仿真实际组件在不同压力 和温度时的热阻。它同样可以用来测定热阻和胶层 厚度的函数关系。这也是对多种材料进行热性能筛 选和排序的典型方法。因为表面光洁度的敏感性 (sensitivitytosurfacefinish)、接口压力等原因，这个 筛选设定(screeningse￡up)得到的实际数据可能和同 类封装材料在现场测得的性能结果不同。但是在材 料选择过程中，这是一个极为重要的快速转化工具 ：(quicktumt001)o 2．导想■在动力循环田帕可靠 性 封装时以导热膏为芯片和散热器件之间的传导介 质，已知的故障原因(failuremechanism)主要是在 操作中导热膏部分抽空(pumpout)[8]。检测导热膏 可靠性的传统方法是动力循环测试(powercycletest)。 图10是一种导热膏的动力循环测试结果，采用的动 力循环是开启8分钟，关闭2分钟，这引起的温度周 期变化在20。C和92。C之间。在测试的16000次循 环中，导热膏表现稳定，这相当于在实际组件上可 图8．热阻与BLT(胶层厚度)的函数关系 Ⅵn^n^，．compot∞h．∞m．cn电子与电脑Comp01乱h●2004May 123 万方数据 124 汐豁爹舔黼 技术论坛 ●■■●●●霸豢 图9．热阻与作用压力的函数关系 使用若干年。 结论 随着对微处理器的性能要求越来越高，市场对硅芯片级功率 消耗的要求也愈来愈高，同时，还要求机壳更小、PC运行更安 静、硅晶体操作温度更低，这些需求共同构成了散热问题。在 现有散热解决方案中，导热膏在CPU应用中具有：本体热导率 图10．导热膏的动力循环 03 暮口25 E 譬 02 o V口15 U C 暑 01 譬D05 叱 0 (CVcIe：rampto92。C，cooIto200C) 17193437515568738591103口912D2713745’5463 TestCycIet1Omins．Eachl 高、胶层厚度薄，附着压力(attach pressure)最小，再加工性 (reworkability) 好等优点。在导热膏开发中，主要考虑因素 有性能、可制造能力和可靠性。经过精心设 计，导热膏具有卓越的热性能、使用可靠、 可制造能力完善、可满足CPU应用越来越高 的要求。 参考文献 1 Viswanath，R，Wakha恂r．V，WatWe，A．andLebonheur’V．，。ThemaI Pem帅锄∞chalIengesfmmsiI№ntoSystems．“lmeITechnologyJoumaI， 3州Quaner，2000 2Bames，H．A．，HutIon，J．F，Walters，K，AnInIroducIjOntoRheology 1989．EIsevier．NewYorI‘ 3 S∞n，G．D．．Natu怕，1明(1∞o】，908． 4．McGeary，R．K．，J．Amer．CeramSoc44(1961)．513． 5 Visscher，WM．，BoIster¨。M．．Natu怕，239(1972)，504 6 EIli甜，JA，Ke¨y．A．，andWindIe，A．H．。RecursIvePackingofDense PanicleMi)(tures，”JMatSci，Len．，21，1249—1251． 7P旧sher，R．。’Su什aOeChemistryandChamctensticsBasedModeIfor ThemlaCOn|act只esjstanceofFIujdjcJnlers洲aJThermaIJnterface ． MatenaIs，。Jouma|ofHeatT憾nsfe‘123(2001)．969—975 8．D鹊，A．K．。sadhal，S．S．，”Ana州caISoIut蛔nf甜ConstrichonR∞istance withInterStniaIFIuⅫ，。HeatandMassTransfer34(1998)，111—119 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