有了整體散熱器,可以跟導熱膏說再見?

2020-12-05 EDN電子設計技術

對很多晶片和分立功率器件來說，散熱器是耐熱壽命和設計中不可或缺的考慮因素。缺少了這些通常是無源但有時是有源的元器件，晶片/元件可能會因為自己產生的熱量無法散發出去，而把自己給「煮熟」，甚至會對其它部分造成影響。97aednc

但是要將散熱器與待冷卻的元件貼在一起通常不太容易。沒錯，市面上有很多散熱器(圖1~3所示的只是眾多選擇中的幾種)產品，也有不少專為特定封裝而設計的型號，甚至是可以讓熱對流最大化的定製化設計，但這都只是解決方案的一小部分。儘可能維持熱源以及散熱器之間的低熱阻抗至關重要，散熱路徑中的任何空隙與缺陷都會減少熱流動，並使散熱效果打折扣。97aednc

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圖1：這種簡單的衝壓金屬(stamped-metal)散熱器安裝在一個小型金屬電晶體上，像是一對翅膀。（圖片來源：Bill Schweber）97aednc

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圖2：這是專為英特爾Pentium II處理器設計的陽極氧化散熱器，包括能將散熱器卡在晶片上的金屬夾具。（圖片來源：Bill Schweber）97aednc

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圖3：這種較大的翅片式散熱器專門用來冷卻1~2個採用標準TO-3封裝的功率元件。（來源：Bill Schweber）97aednc

這個老問題一般有兩種常用的解決方法，一種方法是在封裝與散熱器之間使用導熱膏，另一種方法是使用導熱墊。無論哪種方法都會帶來額外的成本和組裝工作，如果你曾經用過，就知道導熱膏很難處理，不太容易均勻平滑地塗抹。而無論選擇哪種方案，當然都需要散熱器。97aednc

有些晶片在封裝底部就有散熱墊，可以直接將PCB主板當做散熱器。對於某些封裝尺寸和發熱負載，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PCB主板並不用來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發熱嚴重的晶片來說是不夠的。97aednc

選擇性雷射熔化與增材製造

最近，美國紐約賓漢頓大學機械工程系的一個研究團隊開發出一種實現散熱的新方法。他們利用選擇性雷射熔化(SLM)和增材製造，將錫銀鈦合金(Sn3Ag4Ti)與矽片緊密接合起來。這種方法會形成一層薄薄的矽化鈦接合層，充當晶片與合金之間的膠粘劑。97aednc

利用這種技術，均熱板蒸發器、導熱管及微流道等各種散熱器件就能直接「列印」在電子封裝上，而不必使用任何散熱接口材料。97aednc

要在晶片上列印微流道並不是件簡單的事，大多數金屬和合金都無法與矽緊密接合，因為矽的附著力較差，而且熱膨脹係數也不匹配。該研究團隊負責人、賓漢頓大學副教授Scott Schiffres解釋道：「我們在晶片上列印微流道以製造出螺旋或是迷宮狀的路徑，這樣冷卻劑能夠直接在晶片上流過，而不是藉助散熱膠來連接散熱器和晶片。」97aednc

不過要實現這種直接的增材列印也不容易，通常增材製造所用的金屬合金與晶片之間的接合較弱，接觸角也比較高(因為溼潤性較差以及接口強度不佳)。但利用這種層間材料與應用技術，溼潤性及與矽襯底的反應顯著提升。97aednc

不同於需要幾十分鐘才能形成強力接合的硬焊(brazing)技術，上述新方法只要幾微秒就能建立良好的接合(見圖4)。研究人員是利用高強度雷射加熱來穿透合金，在低溫下形成一種與矽襯底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來形成強力接合。97aednc

與矽之間的接合是因為形成了一個只有微米厚度的矽化鈦接口層，讓矽襯底對於錫銀鈦合金(Sn3Ag4Ti)層來說足夠溼潤，因為這種合金層的熔點較低(約250°C)，能降低裸片的熱應力。97aednc

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圖4：a與b是以SLM工藝沉積在矽襯底上的錫銀鈦(Sn3Ag4Ti)合金；c為在4英寸矽晶圓上以不鏽鋼製作的賓漢頓大學標誌。（圖片來源：賓漢頓大學）97aednc

該項研究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接口材料的散熱器相比，能讓晶片溫度降低10°C。他們還測量了這種材料的其它特性，包括Sn3Ag4Ti堆積導熱率(bulk thermal conductivity)等，不過這需要複雜的設置步驟(圖5)。97aednc

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圖5：以頻域熱反射(FDTR)法來測量Sn3Ag4Ti堆積導熱率的示意圖。（圖片來源：Binghamton University）97aednc

我還不知道這一創新是否有機會實現商用。有可能跟電池化學和電極技術領域的許多其他「突破」創新一樣，在實驗室看起來很厲害，但由於種種原因很難擴大規模進行試產，或真正實現大批量生產。它也有可能會成真，但是得經過多年的改進(我們常見的突然成功其實是經過多年研製得來的)。97aednc

本文為《電子技術設計》2019年9月刊雜誌文章。97aednc

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