Con el desarrollo continuo de la tecnología electrónica, la integración, miniaturización y alta densidad de potencia de los chips se han convertido en su principal dirección de desarrollo. Esto impone mayores exigencias a tecnología de gestión térmica . El sistema de gestión térmica del chip es más complicado. Además de dispositivos como disipadores de calor con alta conductividad térmica y disipadores de calor con alta eficiencia de disipación de calor, la reducción de la resistencia térmica de contacto entre los componentes electrónicos y los disipadores de calor también es un tema en el que se debe centrar la atención en los sistemas de gestión térmica de chips.
Cuando los componentes electrónicos y los disipadores de calor están en contacto entre sí, existen espacios de aire en la interfaz de contacto sólido-sólido. El área de contacto real es aproximadamente el 10% del área de contacto macroscópica, estando la mayor parte de los huecos llenos de aire. El aire es un mal conductor del calor y la conductividad térmica del aire a temperatura ambiente es de sólo 0, 026 W/(m·K). La presencia de aire dificulta la transferencia de calor entre las interfaces, lo que conduce a un aumento de la resistencia térmica de la interfaz entre el chip y el disipador de calor. Por lo tanto, reduce en gran medida la eficiencia de disipación de calor del sistema y reduce la vida útil del chip. Para garantizar el funcionamiento normal del elemento calefactor, se colocan materiales que pueden conducir el calor de forma rápida y eficaz entre el elemento electrónico calefactor y el disipador de calor. Este material se llama Materiales de Interfaz Térmica (TIM). Utiliza materiales de alta conductividad térmica y alta ductilidad para llenar el espacio entre los dos para mejorar la capacidad de transporte de calor, reducir efectivamente la resistencia térmica de la interfaz y mejorar la eficiencia del disipador de calor. De esta manera, se garantiza aún más el funcionamiento eficiente del chip y se mejora su vida útil.
Un TIM ideal debe tener características como bajo espesor, alta conductividad térmica y baja resistencia térmica de contacto. En la selección y diseño reales de TIM, además de la resistencia térmica total de la interfaz, se deben considerar de manera integral otros factores, como el aislamiento eléctrico, la resistencia mecánica, etc. Con el desarrollo continuo de TIM, han surgido en el mercado muchos tipos de productos comerciales. Esto incluye principalmente grasa térmica, adhesivo térmico, gel térmico, material de cambio de fase térmico y almohadilla térmica. Los materiales tradicionales de interfaz térmica basados en polímeros representan casi el 90 por ciento de todos los productos TIM. A medida que la demanda de disipación de calor de componentes electrónicos aumenta año tras año, los materiales de interfaz térmica a base de metal se han convertido en un tema candente de investigación debido a su alta conductividad térmica, y su participación de mercado también ha aumentado año tras año. Muchos académicos han resumido el estado actual de la industria TIM y analizado las condiciones del mercado de diferentes tipos de TIM. Sin embargo, falta una elaboración sistemática de los materiales de interfaz térmica a base de metales.
Este artículo presenta sistemáticamente el progreso de la investigación de los TIM basados en metales. Los TIM a base de metal se resumen en los aspectos de tipo de material y características de rendimiento. Se prevé que el desarrollo futuro de los TIM sirva de referencia para la investigación de tecnologías de gestión térmica.
Los TIM son una parte importante de la estructura de disipación de calor de los componentes electrónicos. La estructura de disipación de calor del chip común y el proceso de disipación de calor se muestran en la Figura 1.
Puede verse en la Figura 1 que los TIM se colocan entre el chip y la cámara de vapor, y entre la cámara de vapor y el radiador. El calor generado por el chip se transfiere al ambiente a través de TIMs1, cámara de vapor, TIMs2 y disipador de calor. La Figura 2 es un diagrama esquemático microscópico del contacto de interfaz del dispositivo antes y después de llenar los TIM.
La Figura 2 (a) es la situación real en la que los componentes electrónicos están en contacto directo con el disipador de calor. Como se puede ver en la figura, hay pocos puntos de contacto reales y el contacto está incompleto. La Figura 2 (b) es la situación real del llenado de TIM entre componentes electrónicos y disipadores de calor. Los TIM que se muestran están llenos de espacios de aire al máximo, lo que permite conexiones estrechas del dispositivo y una máxima disipación de calor. Dado que los TIM no pueden entrar en contacto total con los componentes electrónicos y los disipadores de calor. La resistencia térmica de la interfaz existente hace que la diferencia de temperatura correspondiente a cada interfaz sea mayor. ΔT en la figura es la diferencia de temperatura entre la placa de enfriamiento y los componentes electrónicos. ΔT El contacto es la diferencia de temperatura entre el material de la interfaz térmica y el disipador de calor. ΔT TIM es la diferencia de temperatura entre las superficies superior e inferior del material de interfaz térmica. El grosor de la línea de unión en la figura se refiere al grosor de los TIM. El espesor de la línea de unión es un parámetro importante para estudiar la conductividad térmica de los TIM y calcular la resistencia térmica interfacial.
Debido a la variedad de TIM disponibles comercialmente, cada producto tiene sus propias ventajas y desventajas. Los TIM comerciales actuales se dividen principalmente en las siguientes categorías.
(1) Grasa térmica
La grasa de silicona térmicamente conductora suele ser un material pastoso hecho de un sólido de alta conductividad térmica y un líquido con buena fluidez y cierta viscosidad mediante un método antiespumante. Es ampliamente utilizado en la industria y pertenece a materiales orgánicos resistentes a altas temperaturas. La grasa de silicona termoconductora tiene una mejor adherencia a la superficie de contacto y se puede controlar el espesor para que sea muy fino. Al mismo tiempo, es barato. Pero su mayor desventaja es que manchará el material base durante su uso. Dado que la grasa térmica es una pasta líquida, presenta un grave efecto de bombeo. Si es móvil y se usa durante mucho tiempo, fallará gradualmente, lo que reduce la confiabilidad del sistema.
(2) Junta térmica
La junta térmicamente conductora es un tipo de material de capa de interfaz térmicamente conductora suave y elástica que se forma calentando y curando con material polimérico de alto peso molecular u otros materiales como matriz, agregando rellenos y aditivos de alta conductividad térmica. No solo puede llenar el espacio desigual entre los componentes electrónicos y el disipador de calor, transferir calor de manera efectiva, sino que también desempeña el papel de sellado, absorción de impactos y aislamiento. Sin embargo, debido al alto contenido de partículas conductoras de calor en algunos productos, aumenta la contradicción entre la rigidez, la suavidad y la tasa de llenado del material. Por lo tanto, esto limita el rendimiento general del material compuesto de interfaz térmica. Además, las almohadillas térmicas son sensibles a la temperatura. Si la temperatura de los componentes electrónicos y las almohadillas térmicas aumenta, las almohadillas experimentarán una relajación del estrés. El área de llenado se reduce y el efecto de conducción de calor empeora.
(3) Materiales de interfaz térmica de cambio de fase.
Los materiales de interfaz térmica de cambio de fase se refieren a una clase de materiales que pueden sufrir transiciones de fase sólido-líquido o sólido-sólido con cambios de temperatura. Tiene cierta conductividad térmica, lo que puede reducir la resistencia térmica de la interfaz y realizar la transferencia de calor. Los materiales de interfaz térmica de cambio de fase combinan las ventajas duales de las almohadillas térmicas y la grasa térmica. Cuando la temperatura de los componentes electrónicos aumenta durante el funcionamiento, el material sufre un cambio de fase a un estado líquido, humedeciendo efectivamente la interfaz térmica. Tiene la misma capacidad de llenado que la grasa térmica, que puede llenar el espacio de la interfaz al máximo. Esto reduce la resistencia térmica interfacial. Además, los materiales de interfaz térmica de cambio de fase absorben y liberan calor latente durante el proceso de cambio de fase. Tiene el efecto de amortiguación de energía, lo que puede evitar que la temperatura de trabajo de los componentes electrónicos cambie demasiado rápido. Esto prolonga el tiempo de uso de los componentes electrónicos. Sin embargo, la conductividad térmica del material de interfaz térmica de cambio de fase es media y el espesor es difícil de controlar.
Además de los tres tipos de TIM anteriores, los TIM disponibles comercialmente también incluyen geles y láminas de metal térmicamente conductores. Los materiales típicos de interfaz térmica y sus propiedades de transferencia de calor se muestran en la Tabla 1.
(4) Materiales de interfaz térmica a base de metal.
Los materiales de interfaz térmica a base de metales incluyen metales de bajo punto de fusión y materiales compuestos de matriz metálica que utilizan metales de bajo punto de fusión como matriz y agregan fases de mejora de alta conductividad térmica. Debido a la alta conductividad térmica del propio metal, la conductividad térmica inherente de los TIM preparados supera con creces la de los TIM de polímero. La conductividad térmica informada de los materiales de interfaz térmica a base de metal está entre 10 y 40 W/(m·K), que es 2 órdenes de magnitud mayor que la de los materiales orgánicos o inorgánicos tradicionales. Además, los metales de bajo punto de fusión y sus materiales compuestos pueden fundirse dentro del rango de temperaturas que puede soportar el chip. Esto llena completamente el espacio de la interfaz y reduce en gran medida la resistencia térmica de la interfaz, lo que puede garantizar una disipación de calor eficiente y estable del chip. Por lo tanto, en los últimos años, los metales de bajo punto de fusión y sus compuestos se han convertido rápidamente en un tema candente de investigación en el campo de los TIM y han recibido amplia atención.
Los materiales de interfaz térmica a base de metal se prefieren en semiconductores de alta densidad de potencia debido a su excelente conductividad térmica. Se trata principalmente de metales de bajo punto de fusión y compuestos de matriz metálica. Los metales de bajo punto de fusión incluyen principalmente Ga, Sn, In, Bi y aleaciones compuestas por ellos como componentes principales. Este tipo de material tiene muchas ventajas, como alta conductividad térmica, buena fluidez, baja resistencia térmica de la interfaz y fácil realización de la transición de fase sólido-líquido. En la actualidad, se ha aplicado en multitud de campos como el control térmico y la energía, la fabricación aditiva (impresión 3D), la biomedicina y las máquinas inteligentes flexibles. Este ha sido un tema candente tanto en el mundo académico como en la industria en los últimos años. Los académicos han utilizado métodos de simulación numérica para estudiar la disipación de calor de metales líquidos, lo que ha impulsado un mayor desarrollo de este tipo de materiales. Los compuestos de matriz metálica como TIM utilizan principalmente metales de bajo punto de fusión como matriz. La fase de refuerzo puede ser no metálica inorgánica, como cerámica, carbono, grafito, etc., o partículas metálicas, como Cu, Zn, etc.
Los metales de bajo punto de fusión se refieren a metales y sus aleaciones con un punto de fusión inferior a 300 °C y se consideran materiales de interfaz térmica con potencial de cambio de fase. La desventaja común de muchos materiales con potencial cambio de fase es la baja conductividad térmica; por ejemplo, la conductividad térmica de los materiales orgánicos es 0, 15 ~ 0． 3 W /( m·K), la conductividad térmica del compuesto de agua salada es 0,4 ~ 0． 7W/(m·K). Su baja conductividad térmica conducirá a un intercambio de calor deficiente entre el fluido de transferencia de calor y la superficie del componente electrónico, lo que resultará en una gran resistencia térmica interfacial. Los metales de bajo punto de fusión tienen muchas ventajas, como una conductividad térmica decenas de veces mayor que la de los TIM tradicionales, propiedades físicas y químicas relativamente estables, un alto punto de ebullición y no corrosividad. Los metales con puntos de fusión bajos también pueden lograr transiciones de fase sólido-líquido, absorbiendo y liberando calor rápidamente. Tiene ventajas obvias en la tecnología de gestión térmica. La Tabla 2 enumera las propiedades termofísicas típicas de varios metales o aleaciones de bajo punto de fusión. Los superíndices de los valores de la tabla indican la temperatura de prueba. a es 25°C, b es 200°C, c es 160°C, d es 100°C, n es 50°C y m es el punto de fusión del metal.
Los metales de bajo punto de fusión tienen alta conductividad térmica, gran fluidez y amplia área de trabajo en fase líquida. Se puede utilizar como un mejor TIM para la disipación de calor del chip de alta potencia, pero una fluidez demasiado fuerte provocará fugas, lo que puede provocar un cortocircuito en el chip.
Los composites de matriz metálica son materiales compuestos formados por metal como matriz y combinados con uno o varios refuerzos. La mayoría de los materiales de su fase de refuerzo son no metales inorgánicos, y también se pueden utilizar alambres, partículas, etc. Junto con los composites de matriz polimérica y los composites de matriz cerámica, constituye un moderno sistema de materiales compuestos. Los compuestos de matriz metálica tienen buenas propiedades mecánicas integrales, como resistencia al corte, tenacidad y fatiga. Al mismo tiempo, también tiene las ventajas de conductividad térmica, conductividad eléctrica, resistencia al desgaste, pequeño coeficiente de expansión térmica, sin envejecimiento ni contaminación.
Cuando los TIM se preparan agregando cerámicas de alta conductividad térmica o materiales de carbono a la matriz metálica de bajo punto de fusión, la diferencia de conductividad térmica entre los TIM y los chips y Los disipadores de calor se pueden mejorar al tiempo que se mejora la conductividad térmica del material.
Cuando se utilizan compuestos de matriz metálica para preparar TIM, la adición de partículas de alta conductividad térmica puede aumentar en gran medida la conductividad térmica del material y mejorar el rendimiento de los TIM. Cuando la temperatura de servicio es superior al punto de fusión de la aleación de la matriz, la fase de refuerzo agregada puede aumentar efectivamente la viscosidad del material, reducir la fluidez del material y mejorar efectivamente el problema del cortocircuito de viruta causado por el flujo de material. Es un TIM ideal. Sin embargo, todavía existen muchos problemas en la humectabilidad de la fase de refuerzo y la matriz en compuestos de matriz metálica. Cómo mejorar la interfaz entre los dos y mejorar aún más la conductividad térmica y la fuerte plasticidad del material es la clave para el desarrollo de una nueva generación de TIM.
Los materiales de interfaz térmica a base de metal tienen amplias perspectivas de aplicación en sistemas de gestión térmica de semiconductores de alta potencia debido a su alta conductividad térmica. En este artículo, los metales de bajo punto de fusión y sus compuestos utilizados en los TIM se resumen sistemáticamente desde los aspectos de composición del material, proceso de preparación y propiedades del material. Sobre esta base, se presentan las siguientes sugerencias para el diseño y desarrollo de materiales de interfaz térmica a base de metal en el futuro.
(1) Los metales de bajo punto de fusión pueden llenar completamente la interfaz debido a su excelente fluidez, pero también existe el problema de las fugas que provocan cortocircuitos en los chips. Esto requiere investigar formas de limitar mejor su movilidad. Al mismo tiempo, también se debe prestar atención a la oxidación de materiales metálicos durante el servicio a largo plazo y al grabado de materiales en ambos lados de la interfaz.
(2) Para compuestos de matriz metálica de bajo punto de fusión, la investigación futura debería centrarse en mejorar la unión interfacial entre la fase de refuerzo y la matriz. Para mejorar aún más el rendimiento del material, es necesario centrarse en la modificación de la superficie y la forma compuesta de la fase de refuerzo.
(3) Para proporcionar una base teórica sólida para el diseño de TIM, es necesario reforzar la investigación sobre el mecanismo de conducción térmica de los TIM para seleccionar un modelo de conductividad térmica adecuado.
