表面沟槽对封装界面热阻的影响研究

界面热阻对电子器件封装热管理有着重要的影响,它在封装总热阻中扮演着重要角色。广泛使用的粒子填充型热界面材料,具有高热导率、低成本、易操作等优点,可以有效降低封装散热中的界面热阻。但此类材料使用时易发生粒子堆积,生成厚的粘合层厚度(BLT),在热循环中产生空气孔洞和粘结裂纹等失效方式,反而增大了热界面材料的热阻RTIM。 表面沟槽能够显著改善粒子填充型热界面材料应用时遇到的上述问题。本文以表面沟槽为研究对象,主要研究工作与结论包括: (1)回顾了热界面材料(TIM)的定义、作用、业界的研究进展,以及粒子填充型热界面材料所遇到的问题;然后在流体流动理论的基础上论证了表面沟槽能通过降低压力梯度、阻止粒子堆积来减小TIM的粘合层厚度。 (2)提出了一种能够评估表面沟槽影响热阻的实验方法,即通过测试有无表面沟槽的固—固接触面之间热界面材料的热阻值(RTIM)并进行对比。对比试验结果表明,表面沟槽能够显著降低RTIM,实验测试的结果中热阻降幅最高可达56.1%。 (3)对于使用较低热导率TIM的热界面,表面沟槽对RTIM的降幅更大,其原因是表面沟槽减小的粘合层厚度具有更大的热阻。 (4)对于同一热界面,界面压力的增大也能显著降低RTIM,且使用低热导率TIM的热界面,RTIM降低的趋势更显著。 (5)表面沟槽降低了粘合层厚度,去除了界面间部分的高热导率固体材料,增大了界面间换热面积。采用有限元法模拟计算上述变化对热阻的影响,结果显示界面热阻也能显著降低,模拟结果与前面的实验结果比较吻合。 本文提出的表面沟槽及其评估方法,对电子封装热管理设计有一定的参考价值。