eng
Выпуск #9/2015
C.Потапов
Композитные теплопроводящие материалы для изделий электроники
Композитные теплопроводящие материалы для изделий электроники
Просмотры: 5472
Описаны основные свойства композитных теплопроводящих материалов. Обсуждаются перспективы применения в изделиях электроники гибридных структур, содержащих высокотеплопроводящие формы углерода.
А
нализ механизмов возникновения отказов в электронных приборах из-за влияния факторов окружающей среды показал, что основными их причинами являются повышенная температура и вибрация (рис.1). Например, по данным Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), 90% отказов оборудования в ходе выполнения космического задания происходит по причине разрыва контактов из-за механических напряжений, вызываемых высокой температурой[1]. Более половины (55%) отказов военной электроники в ВВС США обусловлено термическими эффектами.
Проблемы снижения надежности электронных систем, возникающие вследствие повышенных температур, доказывают, что задача отвода тепла из разряда критически важных. Для ее решения используют как активные, так и пассивные методы. Активные системы, в которых для охлаждения применяют газ или жидкость, содержат множество элементов: двигателей, клапанов, систем трубопроводов, теплообменников, – что не только усложняет эти системы, но и снижает их надежность, ограничивает возможности уменьшения габаритов. Кроме того, к факторам риска отказов для активных систем относятся вибрации и удары.
Пассивные методы, в которых отвод тепла осуществляется только благодаря применению материалов с высокой теплопроводностью, обладают большей надежностью. Более того, в изделиях микроэлектроники высокотеплопроводные материалы зачастую являются единственным приемлемым способом отвода тепла. Однако даже минимальные зазоры и неоднородности на границах раздела теплопроводящих материалов приводят к возникновению значительных тепловых сопротивлений и резкому снижению эффективности отвода тепла. Кроме того, из-за различия коэффициентов теплового расширения разных материалов высока вероятность отказов. Например, если коэффициенты теплового расширения полупроводникового кристалла, серебряного припоя и теплопроводного основания значительно различаются, то при нагревании или охлаждении на границе раздела этих материалов неизбежно возникновение высоких механических напряжений, которые в результате воздействия некоторого количества таких термоциклов приведут к отслаиванию. Создаваемые зазоры способны в несколько раз снизить эффективность отвода тепла. Поэтому в качестве теплоотводящих подложек в полупроводниковых приборах выбирают материалы, обладающие высокой теплопроводностью, коэффициентом термического расширения, близким к полупроводникам, и достаточной механической прочностью.
Во многих странах проводятся исследования и разрабатываются новые материалы для отвода тепла в электронных приборах. Каковы основные тенденции в области создания теплопроводящих материалов?
В качестве теплоотводящих подложек для полупроводниковых приборов уже не одно десятилетие применяются композитные материалы. Одними из первых стали использовать псевдосплавы WCu и MoCu, получаемые в результате пропитки пористого каркаса из порошка вольфрама или молибдена медным сплавом. На основе этой технологии были созданы композиты AlSiC, AlSi, AlAlN и др. Для создания этих материалов применяют общий подход: изготавливается пористая порошковая преформа[2], которая пропитывается жидким сплавом высокотеплопроводного металла. Вектор развития композитных материалов – использование все более теплопроводных наполнителей.
В последнее время разработчики проявляют большой интерес к композитным теплопроводящим материалам на основе углерода. Углеродные материалы в форме графитов или синтетических алмазов комбинируются с металлами, что позволяет снизить их плотность по сравнению с медью и алюминием и повысить теплопроводность. Однако на пути внедрения этих материалов остается ряд организационных и технических барьеров.
Распространение композитных материалов сдерживается отсутствием соответствующих стандартов и методик их применения и контроля. Кроме того, до недавнего времени технология производства этих материалов не отвечала требованиям эффективности и рентабельности. Однако развитие технологических методов обработки позволило добиться определенных успехов. Сейчас на рынке несколько крупных и небольших компаний используют оригинальные методы производства композитных материалов.
В качестве примера решения проблемы внедрения новых технологий можно привести композиты на основе AlSiC, стоимость механической обработки которых многократно превышает стоимость обработки традиционных материалов. Разработаны методики выпуска изделий на основе AlSiC с очень высокими размерными допусками, требующие лишь небольшой финальной обработки. Это позволило композитам на основе AlSiC выйти на первое место по применению в системах силовой электроники, СВЧ-модулях и в системах мощного светодиодного освещения.
Не менее важная проблема отвода тепла – заполнение зазоров, которые образуются в результате наличия технологических допусков при сборке, а также разности коэффициентов расширения кристаллов, плат, оснований и корпусов приборов. Для заполнения щелей и зазоров необходимы пластичные и в то же время высокотеплопроводные материалы, чтобы обеспечить низкое сопротивление тепловому потоку. За последнее время был разработан ряд пластичных полимерных материалов с высокодисперсными наполнителями на основе высокотеплопроводных графитов, а также сфередезированных частиц нитридов бора и алюминия, отвечающих этим требованиям.
Сегодня в электронной промышленности применяется широкий спектр материалов для отвода тепла. Тем не менее, как показывает сравнение композитов на основе различных аллотропных форм углерода с другими материалами для монтажа активных элементов и корпусирования по таким показателям, как теплопроводность и температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), их преимущества очевидны (рис.2). Наиболее популярными матричными материалами для композитов являются сплавы на основе меди, алюминия, вольфрама и молибдена.
Высокие параметры таких композитных материалов объясняются особенностями структуры и физическими характеристикам различных форм углерода (рис.3). Уникальность углерода состоит в том, что в зависимости от структуры, координационного числа и длины связей его механические и теплофизические характеристики могут меняться на несколько порядков. Если, например, теплопроводность синтезированного пирографита в направлении слоистости достигает 300–450 Вт/м·К, то после дополнительной высокотемпературной обработки его теплопроводность в направлении слоистости возрастает в 4–5 раз (рис.4) за счет упорядочения структуры материала.
На основе графита получают ряд материалов, обладающих уникальными свойствами. Разнообразие физико-технических характеристик таких материалов определяется технологией их получения, используемой компанией-производителем (рис.5).
Например, компания Momentive Performance Materials производит материал на основе графита Graphmet 350. При его изготовлении пористые графитовые преформы пропитываются алюминием под давлением. Основные параметры Graphmet 350: теплопроводность 220–360 Вт/м·К, ТКЛР 6,0–8,5 ppm/К, плотность 2,1 г/см3. Композит ТС1050 производства той же компании имеет следующую структуру: сердцевина представляет собой слой ориентированного пирографита, обкладки изготовлены из алюминиевого или медного сплава (рис.6). Теплопроводность композита ТС1050 в плоскости или поперек подложки в зависимости от ориентации пирографита превышает 1000 Вт/м·К. Компания Metal Matrix Cast Composites выпускает графитовое волокно, пропитанное под давлением сплавами меди и алюминия.
Компания JW Composites предлагает графитовое волокно, покрытое адгезионным слоем молибдена и пропитанное сплавами меди, со следующими характеристиками: ТКЛР 2–10 ppm/K, теплопроводность в плоскости подложки 400 Вт/м·К, поперек подложки – 200 Вт/м·К. Графитовая пена, пропитанная сплавами меди, от JW Composites имеет ТКЛР в диапазоне от 5,7 до 7,4 ppm/K, ее теплопроводность (изотропная) составляет 342 Вт/м·К. Синтетический алмаз с добавлением медного или серебряного матричного сплава этой же компании имеет теплопроводность 600–800 Вт/м·К и ТКЛР 5–8 ppm/K.
Алюминий-графитовые композиты производства Hjffmann Elektrocontrole имеют ТКЛР на уровне 8–12 ppm/K, их теплопроводность составляет 180–220 Вт/м·К, а плотность – 2,2–2,3 г/см3.
Успехи, достигнутые зарубежными компаниями в области создания материалов на основе высокотеплопроводных форм графита, повлекли за собой серьезные изменения в подходах, используемых при проектировании систем отвода тепла электронных модулей.
В России в сфере разработки и производства композитных материалов наметилось отставание. Несмотря на то, что освоено производство композитов WCu и MoCu, выпуск таких материалов, как AlSi, Al-синтетический алмаз, Al/Cu-пирографит и ориентированный пирографит, не налажен. Высококачественные порошки SiC, используемые для создания AlSiC-композитов с теплопроводностью выше 200 Вт/м·К, также не производятся.
Научно-производственное предприятие "Металл-Композит" поставило перед собой задачу создания опытно-промышленного производства высококачественных композитных материалов. Компания в инициативном порядке выполняет опытные работы по получению металломатричных композитных материалов с высокотеплопроводными формами графита; получены первые успешные результаты. Например, изготовлены образцы композитного материала в форме пластин, представляющего собой композит AlSiC со вставкой из пирографита (рис.7). Его теплопроводность в направлении поперек пластины (при ориентации пирографита слоями поперек пластины) может достигать 350 Вт/м·К.
Кроме того, в НПП "’Металл-Композит’" получены образцы композита "алюминий – высокомодульное углеродное волокно" (рис.8). Теплопроводность такого композита достигает 200–250 Вт/м·К, а ТКЛР – в пределах 7–8 ppm/K в диапазоне температур от 20 до 150°С. Разрабатываются пассивные теплопроводники, представляющие собой ламинированные металлической фольгой слои термического или ориентированного пирографита (рис.9). Теплопроводность таких структур превышает 1100 Вт/м·К.
* * *
Проблема отвода избыточного тепла – одна из ключевых при обеспечении высокого уровня надежности электроники. Для ее решения требуются новые высокотеплопроводные гибридные и композиционные материалы для корпусов, подложек и оснований. В настоящее время стремительно развивается новое поколение материалов на основе углерода и его высокотеплопроводных форм – алмаза, пирографита, термического пирографита (рис.10). Результаты, полученные НПП "Металл-Композит" в процессе создания композитных материалов на основе высокотеплопроводных форм углерода, подтвердили перспективность этого направления и открыли возможность разработки эффективных теплопроводящих гибридных структур для широкого спектра применений в изделиях электроники.
--------------------------------------------------------------------------------
[1] Developments and trends in thermal management technologies – a mission to the USA. Report of a DTI Global Watch Mission, December 2006.
[2] Преформа – пористый порошок, частицы которого связаны клеем.
нализ механизмов возникновения отказов в электронных приборах из-за влияния факторов окружающей среды показал, что основными их причинами являются повышенная температура и вибрация (рис.1). Например, по данным Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), 90% отказов оборудования в ходе выполнения космического задания происходит по причине разрыва контактов из-за механических напряжений, вызываемых высокой температурой[1]. Более половины (55%) отказов военной электроники в ВВС США обусловлено термическими эффектами.
Проблемы снижения надежности электронных систем, возникающие вследствие повышенных температур, доказывают, что задача отвода тепла из разряда критически важных. Для ее решения используют как активные, так и пассивные методы. Активные системы, в которых для охлаждения применяют газ или жидкость, содержат множество элементов: двигателей, клапанов, систем трубопроводов, теплообменников, – что не только усложняет эти системы, но и снижает их надежность, ограничивает возможности уменьшения габаритов. Кроме того, к факторам риска отказов для активных систем относятся вибрации и удары.
Пассивные методы, в которых отвод тепла осуществляется только благодаря применению материалов с высокой теплопроводностью, обладают большей надежностью. Более того, в изделиях микроэлектроники высокотеплопроводные материалы зачастую являются единственным приемлемым способом отвода тепла. Однако даже минимальные зазоры и неоднородности на границах раздела теплопроводящих материалов приводят к возникновению значительных тепловых сопротивлений и резкому снижению эффективности отвода тепла. Кроме того, из-за различия коэффициентов теплового расширения разных материалов высока вероятность отказов. Например, если коэффициенты теплового расширения полупроводникового кристалла, серебряного припоя и теплопроводного основания значительно различаются, то при нагревании или охлаждении на границе раздела этих материалов неизбежно возникновение высоких механических напряжений, которые в результате воздействия некоторого количества таких термоциклов приведут к отслаиванию. Создаваемые зазоры способны в несколько раз снизить эффективность отвода тепла. Поэтому в качестве теплоотводящих подложек в полупроводниковых приборах выбирают материалы, обладающие высокой теплопроводностью, коэффициентом термического расширения, близким к полупроводникам, и достаточной механической прочностью.
Во многих странах проводятся исследования и разрабатываются новые материалы для отвода тепла в электронных приборах. Каковы основные тенденции в области создания теплопроводящих материалов?
В качестве теплоотводящих подложек для полупроводниковых приборов уже не одно десятилетие применяются композитные материалы. Одними из первых стали использовать псевдосплавы WCu и MoCu, получаемые в результате пропитки пористого каркаса из порошка вольфрама или молибдена медным сплавом. На основе этой технологии были созданы композиты AlSiC, AlSi, AlAlN и др. Для создания этих материалов применяют общий подход: изготавливается пористая порошковая преформа[2], которая пропитывается жидким сплавом высокотеплопроводного металла. Вектор развития композитных материалов – использование все более теплопроводных наполнителей.
В последнее время разработчики проявляют большой интерес к композитным теплопроводящим материалам на основе углерода. Углеродные материалы в форме графитов или синтетических алмазов комбинируются с металлами, что позволяет снизить их плотность по сравнению с медью и алюминием и повысить теплопроводность. Однако на пути внедрения этих материалов остается ряд организационных и технических барьеров.
Распространение композитных материалов сдерживается отсутствием соответствующих стандартов и методик их применения и контроля. Кроме того, до недавнего времени технология производства этих материалов не отвечала требованиям эффективности и рентабельности. Однако развитие технологических методов обработки позволило добиться определенных успехов. Сейчас на рынке несколько крупных и небольших компаний используют оригинальные методы производства композитных материалов.
В качестве примера решения проблемы внедрения новых технологий можно привести композиты на основе AlSiC, стоимость механической обработки которых многократно превышает стоимость обработки традиционных материалов. Разработаны методики выпуска изделий на основе AlSiC с очень высокими размерными допусками, требующие лишь небольшой финальной обработки. Это позволило композитам на основе AlSiC выйти на первое место по применению в системах силовой электроники, СВЧ-модулях и в системах мощного светодиодного освещения.
Не менее важная проблема отвода тепла – заполнение зазоров, которые образуются в результате наличия технологических допусков при сборке, а также разности коэффициентов расширения кристаллов, плат, оснований и корпусов приборов. Для заполнения щелей и зазоров необходимы пластичные и в то же время высокотеплопроводные материалы, чтобы обеспечить низкое сопротивление тепловому потоку. За последнее время был разработан ряд пластичных полимерных материалов с высокодисперсными наполнителями на основе высокотеплопроводных графитов, а также сфередезированных частиц нитридов бора и алюминия, отвечающих этим требованиям.
Сегодня в электронной промышленности применяется широкий спектр материалов для отвода тепла. Тем не менее, как показывает сравнение композитов на основе различных аллотропных форм углерода с другими материалами для монтажа активных элементов и корпусирования по таким показателям, как теплопроводность и температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), их преимущества очевидны (рис.2). Наиболее популярными матричными материалами для композитов являются сплавы на основе меди, алюминия, вольфрама и молибдена.
Высокие параметры таких композитных материалов объясняются особенностями структуры и физическими характеристикам различных форм углерода (рис.3). Уникальность углерода состоит в том, что в зависимости от структуры, координационного числа и длины связей его механические и теплофизические характеристики могут меняться на несколько порядков. Если, например, теплопроводность синтезированного пирографита в направлении слоистости достигает 300–450 Вт/м·К, то после дополнительной высокотемпературной обработки его теплопроводность в направлении слоистости возрастает в 4–5 раз (рис.4) за счет упорядочения структуры материала.
На основе графита получают ряд материалов, обладающих уникальными свойствами. Разнообразие физико-технических характеристик таких материалов определяется технологией их получения, используемой компанией-производителем (рис.5).
Например, компания Momentive Performance Materials производит материал на основе графита Graphmet 350. При его изготовлении пористые графитовые преформы пропитываются алюминием под давлением. Основные параметры Graphmet 350: теплопроводность 220–360 Вт/м·К, ТКЛР 6,0–8,5 ppm/К, плотность 2,1 г/см3. Композит ТС1050 производства той же компании имеет следующую структуру: сердцевина представляет собой слой ориентированного пирографита, обкладки изготовлены из алюминиевого или медного сплава (рис.6). Теплопроводность композита ТС1050 в плоскости или поперек подложки в зависимости от ориентации пирографита превышает 1000 Вт/м·К. Компания Metal Matrix Cast Composites выпускает графитовое волокно, пропитанное под давлением сплавами меди и алюминия.
Компания JW Composites предлагает графитовое волокно, покрытое адгезионным слоем молибдена и пропитанное сплавами меди, со следующими характеристиками: ТКЛР 2–10 ppm/K, теплопроводность в плоскости подложки 400 Вт/м·К, поперек подложки – 200 Вт/м·К. Графитовая пена, пропитанная сплавами меди, от JW Composites имеет ТКЛР в диапазоне от 5,7 до 7,4 ppm/K, ее теплопроводность (изотропная) составляет 342 Вт/м·К. Синтетический алмаз с добавлением медного или серебряного матричного сплава этой же компании имеет теплопроводность 600–800 Вт/м·К и ТКЛР 5–8 ppm/K.
Алюминий-графитовые композиты производства Hjffmann Elektrocontrole имеют ТКЛР на уровне 8–12 ppm/K, их теплопроводность составляет 180–220 Вт/м·К, а плотность – 2,2–2,3 г/см3.
Успехи, достигнутые зарубежными компаниями в области создания материалов на основе высокотеплопроводных форм графита, повлекли за собой серьезные изменения в подходах, используемых при проектировании систем отвода тепла электронных модулей.
В России в сфере разработки и производства композитных материалов наметилось отставание. Несмотря на то, что освоено производство композитов WCu и MoCu, выпуск таких материалов, как AlSi, Al-синтетический алмаз, Al/Cu-пирографит и ориентированный пирографит, не налажен. Высококачественные порошки SiC, используемые для создания AlSiC-композитов с теплопроводностью выше 200 Вт/м·К, также не производятся.
Научно-производственное предприятие "Металл-Композит" поставило перед собой задачу создания опытно-промышленного производства высококачественных композитных материалов. Компания в инициативном порядке выполняет опытные работы по получению металломатричных композитных материалов с высокотеплопроводными формами графита; получены первые успешные результаты. Например, изготовлены образцы композитного материала в форме пластин, представляющего собой композит AlSiC со вставкой из пирографита (рис.7). Его теплопроводность в направлении поперек пластины (при ориентации пирографита слоями поперек пластины) может достигать 350 Вт/м·К.
Кроме того, в НПП "’Металл-Композит’" получены образцы композита "алюминий – высокомодульное углеродное волокно" (рис.8). Теплопроводность такого композита достигает 200–250 Вт/м·К, а ТКЛР – в пределах 7–8 ppm/K в диапазоне температур от 20 до 150°С. Разрабатываются пассивные теплопроводники, представляющие собой ламинированные металлической фольгой слои термического или ориентированного пирографита (рис.9). Теплопроводность таких структур превышает 1100 Вт/м·К.
* * *
Проблема отвода избыточного тепла – одна из ключевых при обеспечении высокого уровня надежности электроники. Для ее решения требуются новые высокотеплопроводные гибридные и композиционные материалы для корпусов, подложек и оснований. В настоящее время стремительно развивается новое поколение материалов на основе углерода и его высокотеплопроводных форм – алмаза, пирографита, термического пирографита (рис.10). Результаты, полученные НПП "Металл-Композит" в процессе создания композитных материалов на основе высокотеплопроводных форм углерода, подтвердили перспективность этого направления и открыли возможность разработки эффективных теплопроводящих гибридных структур для широкого спектра применений в изделиях электроники.
--------------------------------------------------------------------------------
[1] Developments and trends in thermal management technologies – a mission to the USA. Report of a DTI Global Watch Mission, December 2006.
[2] Преформа – пористый порошок, частицы которого связаны клеем.
Отзывы читателей
