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          熱設(shè)計(jì)網(wǎng)

          功率器件散熱新方案!高導(dǎo)熱三明治結(jié)構(gòu)熱界面材料

          熱設(shè)計(jì)

          來源:網(wǎng)絡(luò)

          01 背景介紹


          隨著第三代半導(dǎo)體功率器件的快速發(fā)展,其功率密度顯著提升,亟需高效熱管理方案保障可靠性。熱界面材料(TIM)作為核心組件,可填充器件與散熱器間的空氣間隙,提升熱接觸均勻性并降低熱阻,但現(xiàn)有 TIM 存在明顯缺陷:聚合物基 TIM由 Cu、BN 等導(dǎo)熱填料分散于硅樹脂 / 環(huán)氧樹脂基體構(gòu)成,熱導(dǎo)率 <10.0 W/(m?K),無法滿足高功率需求;碳基 TIM面內(nèi)熱導(dǎo)率達(dá) 100~1500 W/(m?K),但穿面熱導(dǎo)率 < 30.0 W/(m?K),不適用于 “器件 - 散熱器” 的垂直導(dǎo)熱場(chǎng)景;液態(tài)金屬基 TIM雖流動(dòng)性好、界面熱阻低,但易泄漏,限制高功率應(yīng)用;傳統(tǒng)無鉛焊料 TIM存在兩大問題 ——①回流溫度 > 250℃,易致器件翹曲、接觸面積減小;②與器件、散熱器的 CTE 失配,引發(fā)熱應(yīng)力與開裂。
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          02 成果掠影

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          近日,大連理工大學(xué)黃明亮團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種由Sn-58Bi/Cu 泡沫 - Sn 復(fù)合焊料 / Sn-58Bi構(gòu)成的新型三明治結(jié)構(gòu)熱界面材料(TIM),以解決高功率器件的散熱問題。該 TIM 實(shí)現(xiàn)了92.3 W/(m?K) 的高熱導(dǎo)率(比傳統(tǒng) Sn-3.0Ag-0.5Cu 焊料高 60%)和17.8×10??/K 的低熱膨脹系數(shù)(CTE)(比 Sn-3.0Ag-0.5Cu 低 19%),核心機(jī)制包括三維連續(xù) Cu 骨架提供電子主導(dǎo)的導(dǎo)熱路徑、Cu?Sn?金屬間化合物(IMC)降低界面熱阻、低 CTE Bi 相約束熱膨脹;同時(shí)通過控制 Bi 再分布,實(shí)現(xiàn)160℃低溫組裝且重熔溫度超 200℃,器件級(jí)測(cè)試中熱阻低至 0.115 K/W(比商用硅脂 TIM 低 23.3%),1000 次熱沖擊循環(huán)后熱阻僅增加 8.7%(低于 20% 失效閾值),展現(xiàn)出優(yōu)異的熱管理性能和可靠性。研究成果“Sandwich-structured thermal interface material based on Cu foam for advanced thermal management in high-power devices”為題發(fā)表在《Journal of Alloys and Compounds》。


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