一種柔軟高熱導(dǎo)且連接界面穩(wěn)定的半導(dǎo)體封裝材料

應(yīng)用在功率模塊以及高速處理器等器件上的半導(dǎo)體芯片具有功率密度高和芯片尺寸大等特點(diǎn)，對(duì)封裝的散熱和熱應(yīng)力釋放都有很高的要求。兩個(gè)元件之間的熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)危及相對(duì)薄弱的節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致芯片翹曲甚至開裂。由于熱應(yīng)力隨著芯片工作溫度和尺寸的增加而變大，對(duì)于大尺寸和大功率半導(dǎo)體芯片封裝，熱應(yīng)力的威脅比傳統(tǒng)封裝嚴(yán)重得多。這使得開發(fā)能釋放熱應(yīng)力、具有高熱導(dǎo)率以及穩(wěn)定連接界面的熱界面（TIM）成為巨大的挑戰(zhàn)。

清華大學(xué)楊誠(chéng)教授團(tuán)隊(duì)首次報(bào)告了將多孔銅表面選擇性分布銦（SIPC）作為一種柔軟的TIM，以解決大尺寸和超高功率半導(dǎo)體封裝熱管理的核心挑戰(zhàn)。為了使TIM具有良好的互連能力和可靠性，團(tuán)隊(duì)選擇銦作為鍵合材料。通過調(diào)節(jié)電鍍時(shí)間和電流密度，控制銦的沉積厚度與分布。在多孔銅表面選擇性鍍銦，既減少了銦的用量，又確保良好的界面焊接。

在約1 MPa下進(jìn)行普通回流焊后，SIPC TIM可以牢固地連接到芯片和散熱組件上。多孔銅兩側(cè)表面的選擇性鍍薄銦層可以在焊料回流后保證TIM與芯片和散熱組件實(shí)現(xiàn)金屬連接，極大地降低界面熱阻。此外獨(dú)特的薄銦層可以形成金屬間化合物（IMC）Cu11In9，提高界面的熔化溫度和機(jī)械強(qiáng)度，提供比純銦更好的互連穩(wěn)定性。SIPC的導(dǎo)熱系數(shù)（16～117 W·m-1K-1）和楊氏模量（0.3～4.0 GPa）還可以通過改變其孔隙率和孔徑來調(diào)節(jié)。

優(yōu)化后的SIPC顯示出高導(dǎo)熱性（50 W·m-1K-1）與低楊氏模量（1.0 GPa），是目前能實(shí)現(xiàn)的金屬鍵合同級(jí)別楊氏模量下熱導(dǎo)率最高的熱界面材料之一。將SIPC與硅芯片和銅熱沉/銅板封裝成Si-TIM-Cu三明治結(jié)構(gòu)，模擬芯片TIM散熱結(jié)構(gòu)。選擇經(jīng)典商用銀膏和純銦作為對(duì)照樣品，發(fā)現(xiàn)SIPC與銦具有非常接近的界面熱阻、熱導(dǎo)率以及界面剪切強(qiáng)度。此外，在超大尺寸芯片（1英寸×1英寸）三明治結(jié)構(gòu)的高低溫循環(huán)測(cè)試中，SIPC具有良好的界面穩(wěn)定性，顯示出優(yōu)良的釋放熱應(yīng)力的能力。

有限元研究證實(shí)，通過降低TIM的楊氏模量，可以降低整體CTE失配引起的整個(gè)夾層結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力。除了較低的楊氏模量，這種多孔材料還有一個(gè)好處，可以將一個(gè)柔軟的網(wǎng)狀金屬網(wǎng)絡(luò)夾在兩個(gè)剛性板之間，并在接頭界面處形成不連續(xù)的IMC，將接觸區(qū)域分割為小而孤立的區(qū)域。通過這種方式，整體熱應(yīng)力可以擴(kuò)散到局部，并通過多孔銅大量的微小梁來消散，即使有裂紋也能抑制裂紋從一個(gè)接合點(diǎn)擴(kuò)展到其他孤立的結(jié)合點(diǎn)，從而避免整個(gè)界面的失效（見圖b）。

研究團(tuán)隊(duì)未來將聚焦使用3D打印和微加工等新技術(shù)構(gòu)建更規(guī)則、更精細(xì)的三維金屬連接網(wǎng)絡(luò)，以進(jìn)一步提高其柔軟性和導(dǎo)熱性。此外，用于制備骨架的材料還可以擴(kuò)展到其他導(dǎo)熱系數(shù)更高、楊氏模量更低的金屬體系。（劉鵬 楊誠(chéng)）

原始文獻(xiàn)：

LIU P，LUO Y Y，LIU J M，et al.Laminar metal foam:A soft and highly thermally conductive thermal interface material with a reliable joint for semiconductor packaging [J].ACS Applied Materials&Interface，2021，13:15791-15801.