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有了整体散热器,可以跟导热膏说再见?

时间:2019-09-11 作者:Bill Schweber 阅读:
对很多芯片和分立功率器件来说,散热器是耐热寿命和设计中不可或缺的考虑因素。缺少了这些通常是无源但有时是有源的元器件,芯片/元件可能会因为自己产生的热量无法散发出去,而把自己给“煮熟”,甚至会对其它部分造成影响。

对很多芯片和分立功率器件来说,散热器是耐热寿命和设计中不可或缺的考虑因素。缺少了这些通常是无源但有时是有源的元器件,芯片/元件可能会因为自己产生的热量无法散发出去,而把自己给“煮熟”,甚至会对其它部分造成影响。

但是要将散热器与待冷却的元件贴在一起通常不太容易。没错,市面上有很多散热器(图1~3所示的只是众多选择中的几种)产品,也有不少专为特定封装而设计的型号,甚至是可以让热对流最大化的定制化设计,但这都只是解决方案的一小部分。尽可能维持热源以及散热器之间的低热阻抗至关重要,散热路径中的任何空隙与缺陷都会减少热流动,并使散热效果打折扣。

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图1:这种简单的冲压金属(stamped-metal)散热器安装在一个小型金属晶体管上,像是一对翅膀。(图片来源:Bill Schweber)

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图2:这是专为英特尔Pentium II处理器设计的阳极氧化散热器,包括能将散热器卡在芯片上的金属夹具。(图片来源:Bill Schweber)

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图3:这种较大的翅片式散热器专门用来冷却1~2个采用标准TO-3封装的功率元件。(来源:Bill Schweber)

这个老问题一般有两种常用的解决方法,一种方法是在封装与散热器之间使用导热膏,另一种方法是使用导热垫。无论哪种方法都会带来额外的成本和组装工作,如果你曾经用过,就知道导热膏很难处理,不太容易均匀平滑地涂抹。而无论选择哪种方案,当然都需要散热器。

有些芯片在封装底部就有散热垫,可以直接将PCB主板当做散热器。对于某些封装尺寸和发热负载,这是一种有效的方法,但会带来额外的封装成本,而且前提是PCB主板并不用来冷却相邻的其他元件。此外,这种从底部散热的方法可能对某些发热严重的芯片来说是不够的。

选择性激光熔化与增材制造

最近,美国纽约宾汉顿大学机械工程系的一个研究团队开发出一种实现散热的新方法。他们利用选择性激光熔化(SLM)和增材制造,将锡银钛合金(Sn3Ag4Ti)与硅片紧密接合起来。这种方法会形成一层薄薄的硅化钛接合层,充当芯片与合金之间的胶粘剂。

利用这种技术,均热板蒸发器、导热管及微流道等各种散热器件就能直接“打印”在电子封装上,而不必使用任何散热接口材料。

要在芯片上打印微流道并不是件简单的事,大多数金属和合金都无法与硅紧密接合,因为硅的附着力较差,而且热膨胀系数也不匹配。该研究团队负责人、宾汉顿大学副教授Scott Schiffres解释道:“我们在芯片上打印微流道以制造出螺旋或是迷宫状的路径,这样冷却剂能够直接在芯片上流过,而不是借助散热胶来连接散热器和芯片。”

不过要实现这种直接的增材打印也不容易,通常增材制造所用的金属合金与芯片之间的接合较弱,接触角也比较高(因为湿润性较差以及接口强度不佳)。但利用这种层间材料与应用技术,湿润性及与硅衬底的反应显著提升。

不同于需要几十分钟才能形成强力接合的硬焊(brazing)技术,上述新方法只要几微秒就能建立良好的接合(见图4)。研究人员是利用高强度激光加热来穿透合金,在低温下形成一种与硅衬底之间的强力金属间接合,同时将样品曝光多次以提供足够的扩散时间来形成强力接合。

与硅之间的接合是因为形成了一个只有微米厚度的硅化钛接口层,让硅衬底对于锡银钛合金(Sn3Ag4Ti)层来说足够湿润,因为这种合金层的熔点较低(约250°C),能降低裸片的热应力。

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图4:a与b是以SLM工艺沉积在硅衬底上的锡银钛(Sn3Ag4Ti)合金;c为在4英寸硅晶圆上以不锈钢制作的宾汉顿大学标志。(图片来源:宾汉顿大学)

该项研究的测试结果非常引人瞩目,他们声称这种新方法与利用传统散热接口材料的散热器相比,能让芯片温度降低10°C。他们还测量了这种材料的其它特性,包括Sn3Ag4Ti堆积导热率(bulk thermal conductivity)等,不过这需要复杂的设置步骤(图5)。

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图5:以频域热反射(FDTR)法来测量Sn3Ag4Ti堆积导热率的示意图。(图片来源:Binghamton University)

我还不知道这一创新是否有机会实现商用。有可能跟电池化学和电极技术领域的许多其他“突破”创新一样,在实验室看起来很厉害,但由于种种原因很难扩大规模进行试产,或真正实现大批量生产。它也有可能会成真,但是得经过多年的改进(我们常见的突然成功其实是经过多年研制得来的)。

本文为《电子技术设计》2019年9月刊杂志文章。

 

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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