（材料物理与化学专业论文）sninbi低溶点热界面材料的传热性能及结构分析.pdf

。 ，菘。描 譬， ：， “i 划吖 、 ，。嚣祭誊协豫媲哳船数毂r舷瓢虮嚣矗弘u蛩扎。鞍轧。一一”“。” _ * p 飞jj”：；崦，。 n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 ，吐， 争-l | 独创性声明 一 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 、 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 | i的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 霉作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 | - = 亡匕 思。 学位论文作者签名：怕嫩 日 期：翻鲁7 且8 日 3 二 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年函 学位论文作者签名：扬溉 签字日期：硼嶙7 目3 厦 一 | ， 1 ，一 东北大学硕士学位论文 s nin bi 低熔点 电子产品一直在朝着体积 热功率越来越高。尽管现在己 任何两种材料的接触表面都会呈现出粗糙及波纹状的形态，造成散热途径的界面实际接 触点减少，界面热阻值升高，接触热阻增大。当电子元件功率较小时，接触热阻对散热 不会产生特别明显的影响。而当电子元件的功率达到一定值时，接触热阻就变成了不可 忽视的问题。热界面材料的好坏，决定了电子产品的优劣。目前市场上热界面材料主要 有导热硅脂类、导热凝胶和相变材料。这些热界面材料多以高分子材料为基体，向其中 加入合适的添加剂。 本文选择质量百分含量分别为1 7 s i l 2 6 i n 5 7 b i 、1 7 s n 5 1 i l l 3 2 b i 、2 7 s n 4 4 9 i t l 2 8 1b i 三 种低熔点合金作为研究对象。利用d s c 、闪光法等手段测定s n i n b i 合金的基本性能， 利用闪光法、x r d 、s e m 等手段及设备分析s n i n b i 合金与铜的界面传热性能和界面结 构。 研究表明，b i 含量较高的合金( 1 7 s i l 2 6 i l l 5 7 b i ) 热导率比较低，而b i 含量最低的 合金( 2 7 s n 4 4 9 l n 2 8 1 b i ) 热导率相对来说比较高。 所选择的三种合金的热导率高于现有的高分子热界面材料，合金与铜的界面热阻值 也比较低。低熔点合金热界面材料的热导率一般随固液反应时间的延长而降低，这种变 化与界面金属问化合物的形成密切相关。 1 7 s i l 2 6 i l l 5 7 b i 合金组织主要由b i i i l 、b i 和s n 三相组成。合金与铜发生界面反应时， 在靠近铜的一侧形成较平整的c u 6 ( s n ，i n ) 5 金属间化合物，在c l l 6 ( s n ，h 1 ) 5 与合金之间形 成枝状的c u 9 ( i i l ，s n ) 4 金属间化合物。界面反应速率较快且在界面处有明显的b i 偏析。 1 7 s n 5 1 i n 3 2 b i 合金组织由b i i n 2 和i i l s l l 4 两相组成。合金与铜形成c l l 6 ( s n ，1 1 1 ) 5 金属 间化合物。界面反应速率相对较慢，形成的金属间化合物比较平整。在实验中未发现明 显的b i 偏析和相转变，因而该合金的传热性能在整个实验过程中变化较小。 2 7 s n 4 4 9 i i l 2 8 1b i 合金组织由b i i n 2 和i n s n 4 两相组成。合金与铜形成c u 6 ( s n ，埘5 一种金属间化合物。与铜发生界面反应时，界面反应速率介于1 7 s n 2 6 i i l 5 7 b i 与 1 7 s n 5 1 i n 3 2 b i 两种合金之间，并发生明显的b i 偏析。合金与铜经过较长时间、较高温 度的固液反应后，合金组织由b i i n 2 和i l l s l l 4 两相转变成了b i i l l 和b i 两相。 关键词：低熔点合金；热界面材料；界面热阻；金属间化合物 毫-、 v，；f 、 _ 1 东北大学硕士学位论文 t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n ds t r u c m r eo fs n i n b i l o w m e l t i n gt h e m a l i n t e r f a c em a t e r i a l a b s t r a c t t o d a y se l e c t r o n i cp r o d u c t sa r eb e c o m i n gs m a l l r u nf a s t d om o r e 觚dg e n e r a t em o h e a t a l t h o u g ht h e r ea r em a r l yw a y st oa c h i e v et h eh e a td i s s i p a t i o no fe l e c 协o n i ca p p a r a t 吣，t l l e c o m a c ts u r f a c ec o n t a i n sac 0 曲i n a t i o no f 鲫r f a c er o u g h n e s s 锄ds u r f a c en o n - f l a 伽e s s t h u s ， c o o l i n gc h 猢e l sr e d u c ei nt l l ec a s eo fd e c r e 嬲i n go fa 曲【l a l c 0 n t a c tp o i n t s ，t h e r e f o r c ，m e i n t e m c et l l e 肌a lr e s i s t a n c e 锄dc o n t a c tr e s i s t 趾c ei n c r e 鹤ea c c o r d i n 百y w h t h ep o w e fo f e l e c t r o n i c si ss m a l l ，m et h e 咖a lc o n t a c tr e s i s t a n c ec 锄b ei 朗o r e d w h i l et h ep o w e ro f e l e c t r o n i c si su pt oac e r t a i nv a l u e ，t h ec 0 n t a c tr e s i s t a n c eb e c o m 骼ap b 1 咖t h eq u a l i 哆o f t h 咖a 1i n t e r f a c em a t e r i a l sd e t 锄i n e st l l eq u a l i 哆o fd e c t l 0 n i c s t h em a i nt h e n n a li n t e r f a c e m a t 甜a l si nm em a r k e ta r et h e r m a lg 阼a s e ，t l l 锄a lg 回，a n dp h a s ec h a n g em a t e r i a l s t h e s e m e n i l a l i n t e r f a c em a t 嘶a l sa r em a d eo ft h ep 0 1 珊c rm a t r i x 锄da p 螂r i a t ea d d i t i v e s i nt l l i sp a p e r ，m r e el o wm e l t i n gp o i n ta l l o y sw i mm ec o m p o n 锄ti nm a s sp e r c e n to f 17 s i l 2 6 l n 5 7 b i ，l7 s n 5li n 3 2 b i 锄d2 7 s n 4 4 9 i l l 2 8 1b iw e r ec h o s e i lt oi n v e s t i g a t ep r o p e n i 髂o f m et h e n i l a lc o n d u c t i v i t y 锄ds t l l 且咖r eo ft h e s ea l l o y s t h eb a s i cp r o p e r t i e sw e r em e 咖r e db y u s i n gd s ca n df l a s hm e m o d f 1 a s hm e m o d ，x r d 锄ds e mw e r e 锄p l o y e dt oe v a l u a t et h e h e a t 仃a n s f 打p e r f o 锄a n c e 柚di n t 刮f a c es t n l c t l l r eb e t w e e ns n i n b ia l l o ya 1 1 dc o p p 盯 r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h et l l e n i l a lc o n d u 嘶v i 够o fh i g l lb ia l l o y ( 17 s n 2 6 i i l 5 7 b i ) i s r e l a t i v e l yl o w ，w h i l et h a to fa l l o y ( 2 7 s n 4 4 9 i i l 2 8 1b i ) w i t hm i n i m 啪b ic o n t 即ti sh i g l l 钆 t h et h e n l l a lc o n d u c t i v i 够o fl o wm e l t i n ga 1 1 0 y si no l l ri n v e s t i g a t i o ni sh i g h e rt l l 孤 p 0 1 y m e rm a t e r i a l s ，a 1 1 dt h em e n l l a li n t e r f a c er e s i s t 锄c ei sl o w e r t h et h e 咖a lc o n d u c t i v i t y d e c r e a s ew h e l lt h es o l i d l i q u i dr e a c t i o nt a l 【e sp l a c e sb e 铆e 明a l l o y s 觚dc o p p w h i c hm a y r e l a t 。dt o 廿l ef o 册a t i o no fi n t e n i l e t a l l i cc o m p o u n da tm ei n t e r f a c e 17 s n 2 6 i n 5 7 b ia l l o yi sv 舐f i e dt ob ec o m p o s e do fb i i n ，b i 锄ds np h a s e s m r i r 喀t h e i n t e m c er e a c t i o nw i t hc o p p f l a tc u 6 ( s n ，i n ) 5p h a s ef o m si nt h es i d en e x tt 0c o p p b e 呐e 锄c l l 6 ( s n ，l n ) 5 锄d l7 s l l 2 6 i n 5 7 b i a l l o yi sb 啪c h e dc u 9 ( 地s n ) 4i n t 锄e t a l l i c c ( m l p o u n d s 1 i l t e r f a c er c a c t i o nr a t ei sf 瓠t e r b is e 伊e g a t i o np h e n o m e n o ni so b v i o u s l y i l l r 、，户 o b s e r v e da tt h ei n t e r f i a c e 17 s n 5li n 3 2 b ia h o yi sc o m p o s e do fb i i n 2a n di n s t l 4p h a s e s f l a tc u 6 ( s n ，l n ) 5f o 肌sa t t h ei n t e m c e i n t e 渤c er e a c t i o ni ss l o w n ob is e g r e g a t i o no rp h a s et r a n s i t i o np h 铋o m e n o n w 嬲f o u n di nt h i se x p 嘶m e i l t ，t h j sr e s u l t s u g g e s t st h a tt h eh e a tt m s f hp r 叩e r t yi ss t e a d y d u n gt h es 0 1 i d h q u i dr e a c t i o n b i i n 2 锄dl n s f l 4w e r ei d e n t i f i e dt ob et h e 觚oc o m p o n e l l tp h a s e si n2 7 s n 4 4 9 i i l 2 8 1b i a l l o y d u n n gt h ei n t e r f a c er e a c t i o nw i t hc o p p b f 锄c h e dc u 6 ( s n ，1 1 1 ) 5f o 姗sa tt h ei n t e r f a c e t h ei n t e r f a c er e a c t i o nr a t ei si nb e t w e e i lt l l a to fl7s n 2 6 l i l 5 7 b ia 1 1 dl7s n 5 li n 3 2 b ia l l o v s b i s e 伊e g a t i o ni s0 b v i o u sn e a rm ei n t e r f a c e a r e ral o n g e rt i m es o l i d l i q u i dr e a c t i o na tl l i g l l t e i l l p e r a t u _ r e ，b i i n 2 锄di n s i l 4p h a s e si nt h ea l l o yt r a l l s f o 瑚i n t ob i i na n db ip h a s e s k e yw o r d s ： l o wm e l t i n ga l l o y ；m e n l l a li n t 曲c em a t e r i a l ；n l e 肌a li n t e r f a c e r e s i s t a n i c e ； i n t 锄e t a l l i cc o m p o u i l d i v 、 ，；j巧 一，r一 目录 声明i 中文摘要i i a b s t r a c t “l l i 第1 章绪论1 1 1 电子封装技术的发展1 1 2 电子封装的无铅化4 1 3 电子封装中的热管理5 1 3 1 散热器一7 1 3 2 热通道8 1 3 3 热管道冷却9 1 3 4 沉浸冷却1 0 1 3 5 热电制冷1 0 1 4 热界面材料及其应用l l 1 4 1 导热硅脂1 3 1 4 2 导热凝胶1 4 1 4 3 相变材料一1 4 1 4 4 ：埠料j 15 1 4 5 相变金属合金1 6 1 5 本文的研究内容及意义1 6 第2 章实验原理及方法1 7 2 1 材料的选择及制备1 7 2 1 1 合金成分的选择l7 2 1 2 合金的熔炼l7 2 2 合金基本性能的测量1 8 2 2 1 合金密度的测量l8 东北大学硕士学位论文 目录 2 2 2 合金熔点的测量l8 2 3 热导率测量原理及试样制备1 8 2 3 1 热导率的测量原理1 8 2 3 1 1 固体传热的基础理论1 8 2 3 1 2 测量热导系数方法1 9 2 3 1 3 闪光法测试原理及装置2 0 2 3 2 热导率测试样品的制备2 3 2 3 2 1 合金的热导率试样的制备2 3 2 3 2 2c u s n i i l b i c u 样品的热导率试样的制备”2 3 2 3 3 光学及s e m 试样的制备2 4 2 3 3 1 片状样品的制备2 4 2 3 3 2 块状样品的制备2 4 2 3 4x r d 样品的制备2 5 第3 章c u s n i n b i c u 热界面的传热性能2 7 3 1 引言2 7 3 2 实验结果一2 7 3 2 1 合金的基本性能2 7 3 2 2 热导率的测量2 9 3 2 2 1 界面热阻的计算2 9 3 2 2 2c l | 1 7 s n 2 6 i n 5 7 b i c u 界面热阻3 1 3 2 2 3c 1 1 1 7 s n 5 1 i i l 3 2 b i c u 界面热阻3 5 3 2 2 4c u 2 7 s n 4 4 9 h 也8 1 b i c u 界面热阻3 8 3 3 分析与讨论4 0 3 4 本章小结一4 2 第4 章c u s n i n b i c u 热界面的微观结构一4 3 4 1 引言4 3 4 2 实验结果与讨论4 3 4 2 1c l l 17 s n 2 6 i i l 5 7 b i c u 一4 3 4 2 2c “17 s n 51i i l 3 2 b i c u 4 7 - i j - 、 ， ，。，； 4 2 3c l l 2 7 s n 4 4 9 l n 2 8 1b i c u 一5 0 4 3 本章小结5 2 第5 章结论一5 5 参考文献5 7 致谢6 3 1 1 l 厂、 ? ? 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 电子封装技术的发展 人类已经进入信息时代，计算机、移动电话、数码相机等电子产品的普及带动了电 子产业的迅速发展，而电子产业的发展，必然伴随着电子封装业的发展。随着半导体集 成电路( i c ) 由分立元器件，小规模集成电路，大规模集成电路，超大规模集成电路发 展到巨大规模集成电路，电子封装技术也在不断地发展。 电子封装技术主要经历了三个阶段【1 3 】：第一阶段是2 0 世纪7 0 年代以前，以插孔 型封装为主，如图1 1 所示。以金属圆形( 1 o ) 型封装、单列直插式封装( s i i l 酉e - i n 1 i n e p a c k a g e ，s i p ) 、双列直插式封装( d u a l - i n 1 i n ep a c k a g c ，d i p ) 为代表。这种封装i c 功 能数不高，引脚数较少，板的装配密度的增加并不重要，封装可由人工用手插入p c b 板的通孔中，引线节距固定。因此，引线数的增加也就意味着封装的尺寸的增大。随着 新的封装技术的出现，这种封装形式已逐渐被淘汰。 第二阶段是8 0 年代的表面安装器件时代。以小外型封装( s m a l l - o u t l i n ei n t e g r a t e d c i 砌l i tp a c k a g e ，s o p ) 、四边扁平封装( q u a df l a t p a c k ，q f p ) 为代表，如图1 2 所示。 它们大大增加了管脚数和封装密度，可以有更多的输入输出终端。其周边引线的节距为 公制1 0 、0 8 、o 6 5 、0 5 、0 4 n u n ，并且有8 0 的收缩原则。与d i p 不同的是，在第二 阶段的封装技术中，封装体的尺寸固定而周边的引线节距可根据需要而作相应的变化。 d 量p 双列赢擂式 s 一1 ) l p 小牲列点捕式 和 s - ( t ) lp _ s i 1 ) i p 爱双列赢插式 薷 d l p 单列瓤插式 瓣 z l p 锚西式商插 p g 针栅拜碉 图1 1 插孔式封装2 l f i g 1 1 l i i l ep a c k a g e 【2 】 s o f s o p ) 蛳形 泖 鲫 边扁平 筠缦芯片斛 p l c ：s o j 登封暂引钱簸体 r | 。 bg 。c n j c r 口 7 q 矿 璩橱薅州 t b 皱带自缔霹 嗣 c s p 芯片缎封羲 图1 2 表面安装式封装1 2 l f i g 1 2s u r f a c e - l n o 珊tp a c l c a g e 1 2 】 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第三个阶段是9 0 年代的面阵列封装时代。此时，i c 电路已发展到超大规模阶段。 对芯片封装提出更高密度、更高速度的要求。这个时代以焊球阵列封装( b a l l 鲥da r r a y ， b g a ) 和芯片尺寸封装( c h i ps i z ep a c k a g e ，c s p ) 为代表，还有不常用的针栅阵列封装 ( p i n 鲥da r r a y p a c k a g e ，p g a ) 、无引线芯片载体封装( 1 e a d l e s sc h i pc a r r i e r ，l c c ) 、塑 封有引线芯片载体封装( p l a s t i cl e a d e rc h i pc a 州e r ，p l c c ) 等封装技术，具体的封装形 式如图1 3 所示。面阵列封装时代是表面安装器件时代的进一步发展。焊锡球作为连接 点而被排列在封装块的下表面，从而极大地提高了表面安装封装的输入输出终端数。所 谓的芯片尺寸封装，即封装块的尺寸接近芯片的尺寸。 图1 3 球栅阵列封装2 】 f i g 1 3 b g a l 2 】 3 - di c 鼍l t a c k n ga p 下l c ，n g p a c k 垂g e 巾a c k a 口e 蝌角c l m 口 p a c h g e 狮? p i c k a g e 飘8 c k h g 图1 43 d 封装的形式【4 1 f i g 1 43 d p a d 【a g e f 4 】 以上封装形式都是仅限于x y 平面的二维( t w o d i m 明s i o n a l ，简称2 d ) 电子封装。 到了2 l 世纪，随着i c 电路的发展、双核c p u 、四核c p u 以及功能越来越多的电子产 品的出现，电子封装又迎来了一个新的发展方向3 d 叠层封装。它使得电子产品的 密度更高、功能更强、性能更好、可靠性更高，相对成本却较低。如图1 4 所示，为 3 d 封装的两种主要形式：封装内的裸片堆叠，封装内的封装堆叠或称封装堆叠。它将 在概念上发生革命性的变化由电子元件的封装到整个系统的封装。 根据i c 的发展趋势，再结合电子整机和系统的高性能化、多功能化、小型化、便 携式、高可靠性以及低成本等要求，可将微电子封装的发展趋势归纳为以下几个方面【5 】： 微电子封装具有更多的i o 引脚数；具有更高的热性能和电性能；微电子封装将更小、 更薄、更轻；便于安装、使用和返修；可靠性会更高；性价比会更高。由以上可知，一 代芯片对应着一代封装形式，图1 s 表示了微电子封装的演变与进展。 - 2 - 图1 5 微电子封装的演变p 】 f i g 1 5t ke v 0 i u t i o no f m i c r 0 卅e c 仃0 n i c sp a c k a g e 嘲 评价一个封装的好坏，主要是看其i c 封装参数，其中输入输出终端数目、集成电 路芯片的尺寸以及功率为其主要的三个参数。输入输出的终端数目越大，封装引出线间 距离越小。集成电路芯片的尺寸更是关系到芯片与封装的可靠性。功率则控制着集成电 路芯片及系统包装的散热功能。各种芯片封装的主要性能如表1 1 所示。 表1 1 各种芯片封装的主要特性田 t a b l e1 1t l l em a i nc h a r a c t 丽s t i c so fd i 仃e r e i l tp a c k a g e 【2 】 封装的形式 双列直插 四边扁平芯片级封装倒装芯片 d i p q f p c s p f l i p c h i p _ 二一 封装与电路板之问的连接形式穿孔式 表面安装 表面安装 芯片直接贴装 芯片尺寸m m 5 5 1 6 1 62 5 2 5 3 6 3 6 芯片周长n 蚰 2 06 4 1 0 01 4 4 封装的引脚数6 45 0 0 1 6 0 0 3 6 0 0 芯片的焊接位间距l im3 1 2 1 2 86 2 5 6 0 0 封装的尺寸恤3 3 1 0 2 0 2 0 1 0 1 o 1 4 1 4 芯片面积加阻22 5 2 5 66 2 5 1 2 9 6 塑l 壁塑距i n o 1 0 0 o 0 1 6o 0 2 5 o 0 2 4 一一 ： - 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 电子封装的无铅化 2 0 0 3 年2 月1 3 日，欧盟以官方公报的形式公布了废弃电力电子设备指令( d i r e c t i v e 0 nw a s t ee l e c t r i c a la n de l e c t r 0 1 1 i ce q u i p m e n t ，w e e e ) 和电力电子设备中禁止使用某些有 毒有害物质指令( d i r e c ：t i v eo nt h er e s t r i c t i o no f t h eu s eo fc e r t a i nh a z a r d o u ss u b s t a l l c e si n e l e c t r i c a la n de l e c 仃o i l i ce q u i p m e n t ，r o h s ) 【6 1 ，这标志着环保型的电子产品成为了一种必 然的发展趋势。这两个指令的篇幅非常的长，设计的范围也非常的广，但其核心的内容 、 可以归纳为以下四点： 1 )这是世界范围内第一次由国际组织以官方公报的形式颁布的相关指令， 要求在电子产品制造过程中禁止使用有毒物质。 2 )指令中明确的提出了六种要求禁止使用的有毒有害物质，铅( l e a d ) 、 汞( m 彻r y ) 、镉( c a d m i 啪) 、六价铬( h e x a v a l e n tc h r o i n i u m ) 、聚合溴化联苯 ( p l o y b r o m i n a t e db i p h e l l y l s ，p b b ) 和聚合溴化联苯乙醚( p o l y - b r o m i n a t e dd i p h 饥y l e 也e r s ，p b d e ) 。其中铅排在第一位。 3 )指令中明确规定了全面禁止的时间表。在r o h s 文件中指出，所有成员 国必须保证自2 0 0 6 年7 月1 日起，进入市场的电子产品中不再含有铅、汞、镉、 六价铬、p b b 和p b d e 六种有毒有害物质。 4 )指令中将涉及的电力电子产品分为1 0 大类和若干小类，并且进行了详 细说明。这类产品几乎包含了所有的电力电子产品。 欧盟提出的这两个指令，不仅具有非常积极的环保意义，从商业的角度来讲，更是 为未来的产品进入市场增设了一道绿色技术壁垒。这六种有毒有害物质在目前的电力电 4 ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 子产品的制造过程中广泛的得到使用，它们被全面的禁止使用必然会对产品的设计、材 料的选择、制造工艺等带来非常剧烈的影响。例如在电子产品印刷电路板级组装过程中， 无论采用何种焊接方式，广泛使用的是传统的锡铅焊料。而要突破欧盟指令的技术壁垒， 就必须转向无铅化电子组装。 2 0 0 0 年全世界消耗的铅的总量已经达到了6 5 0 m t 。1 9 9 5 年美国n c m s 公布了一份 工业中铅使用情况的统计报告，报告中指出，全世界每年有8 0 的铅消耗在电池行业， 而电子行业中使用的铅的总量仅仅占总量的o 5 左右【_ 丌。但是在蓄电池行业中，铅被主 要用作电极材料，由于其体积大，回收比较容易。而在电子行业里就不一样了，电子元 器件从封装时的芯片键合、b g a 球、倒装芯片焊料凸点等，到元器件外引线的表面电 镀层。再到印刷电路板表面的防氧化保护层，最后到电子元器件上焊盘之间的连接，都 用到了铅，铅在电子产品中是无处不在l l o 】。而电子产品中铅的这种高度的弥散分布的存 在状态让其回收变得非常的困难】。 事实上，电子产品废弃时，拆分到印刷电路板级别时，就直接当作工业垃圾废弃了。 一块电路板上含有铅的质量大约为1 0 9 左右，但是需要废弃的电子产品的数量是一个非 常惊人的数字。自1 9 9 6 年以后，电子工业已经成为了世界上最大的产业【引，其年产值超 过了一万亿美元，同时也是最富有动态效果、最吸引人和最重要的制造业。电子产品有 很多分类，如消费电子、计算机、通讯等、目前计算机及其外围设备占据了电子产品最 大的一个份额。1 9 9 2 年美国装运的p c 机为1 1 5 0 万台，而根据1 9 9 9 年国家安全局公布 的数据，到2 0 0 5 年，装运的p c 机台数将达到5 5 8 0 万【9 1 。而据日本官方统计表明，仅 仅电视机、洗衣机、电冰箱、空调这四种家用电器，每年需要废弃的总数已经超过了2 0 0 0 万台，也就是说废弃物中铅的总质量达到了2 0 0 t 之多1 1 2 1 。 工业垃圾处理的一般方式是埋入地下的方式。当这些垃圾遇见呈微酸性雨水的时 候，废弃的电子产品在这种弱酸性溶液条件下，其中的铅会析出并且溶解在酸雨中，一 方面会导致土壤受到污染，另一方面这些受污染的雨水又是地下水的主要来源，地下水 又是我们饮用水的重要来源，最终这些有毒的物质可以通过饮用水进入人体。 因此，在电子制造的过程中不使用那些含有有毒的有害物质的原材料，就能使这些 电子产品在废弃时不对自然环境造成严重的污染和危害。正是出于这种动机，无铅化电 子组装开始得到了广泛重视。 1 3 电子封装中的热管理 任何微电子器件封装都要综合考虑各个方面的影响因素，如电学性能的要求、机械 5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 性能要求、使用环境的影响、可靠性因素以及制造成本等。由于电子封装的可靠性在很 大程度上依赖于封装过程中的热管理，因此本文主要介绍电子封装中的热管理问题。 电子器件中的导线、半导体多晶硅层、晶体管等都有电阻。因而，在通电的时候就 会产生大量的热量。如果没有冷却系统及时地将热量散出去，工作中的器件的温度就会 迅速增加。一般来说，微电子器件的温度不能超过8 0 1 0 0 。当工作中的器件温度上升 到超过这个温度时，就会停止工作或因为过热而烧坏。如图1 6 显示了温度与微电子器 件失效速率的关系。 绺 区 裂 水 倒 霹 麓 赠 温魇， 图1 6 温度与微电子器件失效速率的关系【2 】 f 培1 67 n l er e l a t i o n s h i p 鼬w e 锄t 锄p e 糟t u m 锄dm i 啪e l c c 仃d n i cd e 、，i c 豁l a p s er a t e 1 2 1 微电子封装的热控制根据封装的等级不同而采取不同的散热措施。微电子器件的 封装主要有一级封装( 芯片的封装) 、二级封装( 印刷电路板的封装) 、三级封装( 主板 的封装) 、四级封装( 系统的封装和外壳的封装) 。如图1 7 为封装的不同级别。一级封 装主要是对芯片提供保护外壳，散热的主要目的是将芯片散发的热量传至封装的表面， 然后再传至印刷电路板上。因此，一级封装中最有效的散热方法就是降低半导体硅片与 封装外表面之间的热阻。二级封装提供芯片与芯片之间的连接。三级封装实现印刷电路 板之间的互联。为了改善芯片的散热性能，可以在连接晶片的黏结剂中添加金刚石、银 粉等其他高热导率的材料，也可以在芯片的表面安装散热器。 6 o 9 8 7 6 l 4 3 2 ，o 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 图1 7 微电子封装的三个级别p 】 f i g 1 7t h e t h r 1 e v e lm i c r o e l e c 呦l i c sp a c k a 百n g 【5 l 热量的传递主要有传导、对流、辐射三种方式。根据不同的传递形式，可以采取不 同的散热措施。冷却电子器件常用的方法主要有以下几种：散热器法、热通道法、热管 道冷却、沉浸冷却、热电制冷等方法。 1 3 1 散热器 在电子器件的散热中，对流传热的热阻与传热系数和传热的表面积成反比。因此， 要想降低对流传热热阻，可通过增加传热系数或者通过增加传热面积来实现。可一旦电 子器件本身确定之后，传热系数也基本上确定了。从而使得增加传热面积成为降低对流 传热热阻的有效方法。散热器冷却方法属于自然冷却过程，主要利用散热器上下两个表 面的温差进行散热，其冷却原理就是利用散热片较大的表面积来进行散热的。因此，散 热器设计一般要求大表面积，目前最常用的压制成型的铝制散热器。大部分散热片都是 矩形的，而且其基础部分的厚度大于端部的厚度。有时也用磨床加工，形成散热针。为 了更好地达到冷却效果，往往会在散热器的基础上配合强制风冷，如添加风扇等。如图 1 8 所示，为典型的散热器配合风扇强制风冷的散热结构。 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 8 散热器冷却 f i g 1 8 h 船ts i n k 在散热器冷却方法中，改进冷却效率的常见方法有采用薄散热片增加散热片面积； 采用针状片增加强制对流空气的湍流程度f 1 3 】；采用高热导率系数的散热片材料或直接选 用高热导率系数的材料来制作散热器，如添加金刚石颗粒、银粉等，用铜质的散热器代 替铝质散热器【1 4 1 ；采用相变与散热器相结合的方法，将散热片与相变室做成一体，如： 汽室散热器和雾化室散热器。汽室散热技术的原理为：在一负压空腔内充有一定量的工 作介质，液池内的液体受热沸腾蒸发，蒸汽在冷凝壁面上冷凝后沿壁面上的吸液芯回流 到液池中，周而复始的传递热量，具有热阻小、散热均匀等优点【1 5 】。美国t h e 姗a c o r e 公 司的t h e n n a - b a s e 汽室散热器散热密度可超过8 伽矿c i i l 2 。雾化室技术是采用振动诱发雾 化的原理，即腔室内的液体通过振动雾化为液滴，液滴在上升的过程中吸收热源散出的 热量并汽化，蒸汽在壁面冷凝后沿壁面回流到液池内，液滴的尺寸与振动的频率和幅度 有关蚓。该冷却技术的散热密度高达2 0 0w c m 2 ，雾化水滴直径在7 0 8 0 0 岬【1 7 1 。 1 3 2 热通道 通过散热器散热，无法解决一级封装所产生的热量，即由电路板本身所产生的热量 仍然无法更有效地散出去。热通道技术所解决的问题就是电路板内的热传导。通过埋藏 在电路板内的金属传热通道，降低传热的热阻，特别是垂直于印刷线路板( p d n t e dw i r i n g b o a r d ，p w b ) 的方向。如图1 9 所示。 - 8 东北大学硕士学位论 1 9 电路板内热通道传热囝 f i g 1 9 p w b h 铋t 的n s p o n b y c h 锄e l h e a t 【2 l 传热通道技术也用于芯片级和球栅阵列封装中，用以提供从芯片到p w b 板的直接 传热。热通道技术的优点主要有1 1 8 】：金属热导率比较高，传热效果比较好；体积较小， 适合小尺寸电子器件的散热；在制造工艺上与电子器件制造工艺相同，在实际应用中可 降低成本。 1 3 3 热管道冷却 热管道是一种长距离，传导大量热量的导热器件。它利用相变及蒸发扩散过程来传 导热量，主要用于没有运动件及温度恒定的地方。热导管是密封的细长管，在管道的内 壁贴有一层有虹吸作用的物质，水等流体物质可以在这一层流动。i 热管有三个部分组成：蒸发部分，吸收热量的同时流体蒸发；绝热部分，位于中部， 气相和液相在中心和虹吸绳芯中流动来完成循环，与周围的介质进行热交换；冷凝部分， 蒸汽冷凝同时排出热量。如图1 1 0 所示。 蒸发段l 绝热段羚凝段 一。n 一川m 自j ；v p # g # 口啉船 鎏 潆i 弋l l l l l i l l 晔带寸l l l l q nl l ll l p 弋 黝 鬻 l _ 。- 峰_ _ 中；糍i ? j | 埘静 i v f 琴 - ，凌尹- _ 。_ 一 豁。b ，蕊。冷，八酊瞬蹬卜。ab ，冬液流入入。冬。冬、入入 kk 。八 k 荔 缓。麓：臻然自2 惹! 图1 1 0 热管划2 1 f i g 1 1 0 h e a t p i p 嚣1 2 l - 9 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 热管由于它传热温差小、传热量大、不需要泵送传热介质等优点已广泛应用电子冷 却领域。但是热管在应用上还有一个问题，就是热管的使用寿命较短，可能只有几个月 就会失效。高可靠性的热管还有待于开发。 1 3 4 沉浸冷却 沉浸冷却是直接将电子元件沉浸在低沸点的介质液体中，以达到控制电子器件正常 工作温度的目的。与空气冷却相比，液体对流传热能力要大得多。多数沉浸冷却系统在 闭合的回路中进行，被蒸发的介质被冷凝并返回系统中。图1 1 l 为典型的沉浸冷却装置， 冷凝器设置在沉浸冷却液的上方，在蒸汽空间中，所有冷凝的液滴可以直