大家好，我是海瑞航天的武鹏，欢迎大家来到海瑞课堂和我们一起学习集成电路可靠性工程这门课程。前文我们谈到了3D芯片散热会导致可靠性下降的问题。这一期我们来具体谈谈散热及相变散热这个话题。
电子器件散热主要包含了热传导、热对流和热辐射三种方式。其中从芯片到散热器的热传导和从散热器到周围环境的热对流为主要的热传输方式。最常见的是自然对流散热，其利用空气本身热胀冷缩的浮生力，使散热器翅片周围空气流动，实现热空气和冷空气之间的交换。比较常见的还有强迫风冷（液冷）散热，使用风扇或泵循环空气和液体在换热器中运转，导致更加快速的散热。据统计强迫风冷是自然风散热的5~10倍，而液冷是强迫风冷的6~10倍。随着晶体管特征尺寸的减小，芯片上晶体管的集成度迅速提高，同时封装体的体积也随电子封装技术的快速发展而不断减小。自然对流、风冷散热方式已无法达到这些电子器件的散热要求，而液冷由于其自身复杂，重量大，还会伴随腐蚀风险因此在微小型化的产品中一般也不常使用。
电子器件的极限热流密度越来越高，因此需要利用更高效的散热技术提升散热效果。尤其对于高发热密度的电子器件而言，如GaN功率放大器、CPV聚光光伏太阳能电池、高密度集成电路等，其发热问题尤为严重；以大功率分立式器件IGBT为例，其主要失效形式集中在热应力所导致的键合点脱落，以及导通时整体功耗过大，芯片温度超过耐受极限而导致的击穿烧毁。因此找寻效率更高更可靠的散热方式就成为首先，相变散热作为一种新型散热方式就进入到了人们的视野中。
相变散热是利用材料相变吸热原理，将热源发出热量转化为相变潜热，最终再经过相变释放到环境中去。以前买汽水的经常会拿着一大块冰，把汽水瓶放在冰上或冰水混合物种，就是利用水的相变散热原理。而应用在电子器件中的相变散热还需要考虑其他方面：
按相变介质与器件是否直接接触可分为“直接相变散热”和“间接相变散热”。其中直接相变散热中电子元器件之间浸没在散热介质中，器件产生的热量直接传导给相变介质，介质通过对流和相变将热量向外界环境传播，因此在相变介质的选取中需要充分考虑材料的导电性、沸点、流动性等因素。间接相变散热中因相变介质不与器件直接接触，热源产生的热量经热界面材料、外壳传导给相变介质，因此对介质的导电性无要求，但整体传热效果受界面材料和壳体导热率影响较大。
按相变类型，相变材料可分固-固和固-液两种。固-固相变材料包括多元醇、聚氨酯以及钙钛矿材料等，其在相变时无液体产生且体积变化较小，因而具有无毒且腐蚀性小、不易发生相分离以及过冷度小等优点，但存在种类小、潜热值较低的不足；固-液相变材料的品种繁多，可分为石蜡、脂肪酸/脂等有机类以及水合无机盐、高温熔融盐和金属合金等无机类，具有潜热值大的优点，但应用时需克服发生固-液相变后的液体流动和泄露问题。
而发展空间最大的是第三种——相变热界面材料PCTIM（PhaseChangeThermalInterfaceMaterial），这种材料是基于固-液PCM材料通过填充填料、改变填料有序化结构、使用低熔点合金而构成的，使之具有更高的散热率、对流换热系数。
1、填充填料方法。一般是选取石蜡、聚烯烃、低分子醇类等导热系数较低的有机物，通过增加陶瓷类、碳材料及金属类增强其导热系数。无机陶瓷填料因具有远高于PCM的本征导热系数和良好的绝缘性能而成为TIM制备中最常用的填料之一；碳材料如碳纳米管（CNTs）、炭纤维、石墨烯等不仅导热系数高，而且形貌多样，可以有效提高PCTIM的导热系数，但因其具有导电性使得含碳材料的PCTIM只能应用在不要求绝缘性的场所；金属类填料也具有高导热系数，但同样只能用于不要求绝缘性的散热场所，并且由于金属粒子容易氧化，氧化后导热系数会下降，化学性能差、价格贵等缺陷基本属于填充材料的一个边缘化的分支。
2、填料有序结构化方法。通过对其导热材料的再结构化调整其导热特性。以泡沫铜和泡沫镍为代表的泡沫金属（MF），具有较大的表面积且高的导热系数而且拥有足够多的导热路径，可以显著提高PCTM的传热性能。同时，MF的蜂窝结构具有更好的负载、吸附能力，可以同时起到强化传热和形状稳定的效果。
图1：泡沫金属
3、使用低熔点合金方法。低熔点合金（LMA）通常是由铅、镉、锑、锡、铟、铋等低熔点金属元素组成的合金，其固有的高导热性、流动性和表面润湿性提供了低界面热阻和高导热速率，LMA相变温度可以横跨38℃至℃，适用范围非常广，是PCTIM最有发展的新方向。
综上所述，基于集成电路的微型化、大功率器件的集成化，现有的散热设计也将会更新迭代，作为自然冷却、风冷、液冷等有力竞争者，相变界面材料（PCTIM）的引入增加了一种散热方式的。其促进了热界面材料领域的发展，在提高电子封装领域的散热能力会有很大的发展空间。
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[1]蔡楚玥.相变热界面材料导热及定型概述的研究进展.[J]
[2]常昕悦.基于MEMS技术的芯片集成沸腾强化散热微结构研究.[D]
[3]李广义.大功率电力电子器件散热研究综述.[J]
[4]陈永.金属材料常识普及读本第二版.[M]
海瑞航天武鹏