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5G时代TIM材料领导者/5G Leader of TIM

12-01 101人看过

 

 
导语:5G时代巨大数据流量对于通讯终端的芯片、天线等部件提出了更高的要求,器件功耗大幅提升的同时,引起了这些部位发热量的急剧增加。BN氮化硼散热膜是当前5G射频芯片、毫米波天线、无线充电、无线传输、IGBT、印刷线路板、AI、物联网等领域最为有效的散热材料,具有不可替代性。

    本产品是国内首创自主研发的高质量二维氮化硼纳米片,成功制备了大面积、厚度可控的二维氮化硼散热膜,具有透电磁波、高导热、高柔性、低介电系数、低介电损耗等多种优异特性,解决了当前我国电子封装及热管理领域面临的“卡脖子”问题,拥有国际先进的热管理TIM解决方案及相关材料生产技术,是国内低维材料技术领域顶尖的创新型高科技产品。    

 

材料的散热性能

市场上的散热材料令人眼花缭乱,在测试方法、协议和报告标准等混乱排列的事实面前,我们发现各种材料的性能差异很大。对于芯片设计人员来说,指定一种TIM是项非常困难的任务,大部分趋势是将重点放在材料的体热导率上。
热导率是指任何一种材料传递热量的固有内在能力。对于传热化合物,热导率主要取决于填充材料的散热特性,包括填充物的数量、类型及有机模具中填充粒子的大小、形状及配比
一般而言,填充物比例越高,界面材料的热导率越大。采用更加微小颗粒填充的TIM能够达到更细的键合线和更低的热阻。热材料中填充物的碎片体积总量也对其热性能有很重要的影响。
研究人员已经发现,将填充物颗粒的尺寸与作为结果的热传导率增益进行优化结合,填充物可以增加50%。

表1总结了许多常用填充物材料的热导率。

虽然热传导率无疑是一项很重要的性质,但也仅仅是决定TIM当中的一部分,不能解释在两个或更多表面间的界面热传导。同样的,理解两者之间的关系很重要,即热传导和另一个常采用的热性能测量方法:热阻。
在TIM中,热阻是键合线厚度、表面粗糙度和形成界面的材料硬度的函数。通过采用更加平滑的界面可促成TIM和基板之间的接触改良,使界面热阻(有时被称作接触热阻)最小化。越软的界面材料往往获得越紧密的表面接触,有助于消除阻止有效热传导的空隙。

 

对于封装应用,典型的TIM键合线非常细(<50μm),这就使得热阻成为选择材料时最先需要考虑的问题。界面热阻一般大于TIM材料本身的热阻,穿过各种界面后的温降要大于穿过导热材料本身。

什么是TIM热管理?

 

定义

热管理?顾名思义,就是对“热“进行管理,英文是:Thermal Management。热管理系统广泛应用于国民经济以及国防等各个领域,控制着系统中热的分散、存储与转换。先进的热管理材料构成了热管理系统的物质基础,而热传导率则是所有热管理材料的核心技术指标。

导热率,又称导热系数,反映物质的热传导能力,按傅立叶定律,其定义为单位温度梯度(在1m长度内温度降低1K)在单位时间内经单位导热面所传递的热量。热导率大,表示物体是优良的热导体;而热导率小的是热的不良导体或为热绝缘体。

5G手机以及硬件终端产品的小型化、集成化和多功能化,毫米波穿透力差,电子设备和许多其他高功率系统的性能和可靠性受到散热问题的严重威胁。要解决这个问题,散热材料必须在导热性、厚度、灵活性和坚固性方面获得更好的性能,以匹配散热系统的复杂性和高度集成性。

测量

选定恰当的TIM材料,需要采用各种方法去测量并总结热性能,这就使问题变得复杂起来。大多数的技术可分类为瞬态或稳态。不幸的是,已报道的热特性变化范围很宽,这取决于测试方法、温度、压力、表面平坦度及样品厚度。热特性不应该通过不同的测试方法比较,这将很难比较材料的数据;另外数据来自不同的供应商,很难获得他们测试的详细资料。

非热特性

选定恰当的TIM材料,需要采用各种方法去测量并总结热性能,这就使问题变得复杂起来
即使存在这些问题,但如果指定了TIM是基于热性能数据,那么事情就相当容易了。而事实上,影响材料挑选的其他因素会使得事情复杂化,包括物理特性、加工难度和成本。
机械性能,例如:弹性和黏附力,因为它们会影响界面上的接触热阻及长期可靠性,因此也是非常重要的因素。虽然有很多方式测量并描述材料的弹性,但在上文提到的讨论中,我们通常考虑材料硬度、可压缩性或适应不规则表面的能力。
产品数据资料一般列出硬度值或者压缩模量,或者提供应力/应变曲线。对于键合线较细的封装应用,选择能够使接触电阻最小化的TIM是必须的。高接触热阻主要由于基板的表面粗糙、非平面的匹配表面或者组装中高度错配造成。

例如:
如果一个特殊应用采用高弹性模量、10W/m·K体传导率的热材料,界面处表面硬度可能会造成TIM无法充分贴合芯片高度或者不规则表面。如果弹性模量太高,就会在界面材料和接触表面之间留有极小的空气缝隙,产生一个绝热层,阻止有效热传导。
相反,低弹性模量材料更容易压缩,以适应各种芯片高度和粗糙表面,并且其弹性相对其他硬材料也是一个关键优势。在这种情况下,体热传导率只有2W/m·K的软TIM或许远胜于具有更大热转移势的硬材料。紧密表面接触是关键。

图4. 在多元件应用中,必须确保T IM的弹性模量顾及到所有元件的完整表面覆盖。

除了采用人造橡胶界面材料,工程师或许可以考虑选择更软一些的凝胶体或油脂。一般而言,封装应用中键合线非常细,表明接触热阻是主要考虑因素。接触热阻越低,热性能越好。
与弹性模量类似,有许多方式评估黏附力。搭接剪切和芯片剪切测试仅仅是其中的一部分。除了热传导,热应用中的粘合剂可以实现两个关键功能。一个是作为机械上的绷紧,另一个是防止任何热材料从配合表面上产生微小分层。分层常常发生在随着器件的启动关闭的重复温度循环之后的一段时间内。
为了消除这个问题,TIM供应商对各种基板包含不同的粘合剂组合,为应用于特定配合表面的高级夹具设计单独的粘合剂,无论是铝、铜、陶瓷或其他基板。
可靠性数据被用于证明在长期测试后无分层现象发生。通用方法包含85℃、85%的相对湿度下HAST测试1000个小时,150℃下热烘烤测试1000个小时,或者从-40到100℃内各种热循环周期测试。如果热阻保持稳定, 其不变的性能表明TIM没有发生分层现象。
在所有测试条件下,需要模仿寿命末期的性能, 以及刚刚完成组装后生产末期的性能相反。选定某种TIM要求工程师拥有这两类数据,才能够评估某种材料热性能随时间的恶化情况。由于温度直接影响元件性能,因此恶化程度对于器件可靠性和寿命是至关重要的。
除去在热性能上的影响,填充系统在材料机械性能上有直接的影响。大的填充颗粒可以防止形成过细的键合线层,这是有效热传递的关键元素之一。较小的颗粒和较高的填充物也会影响湿式或丝网印刷材料的粘度,造成正面或负面的影响。较高粘度的材料往往保持适当的更好,长时间之后会有更少的抽空,但是它们也更难精确的变形,留有潜在的空气间隙或者散热点。
指定合适的TIM,要求很好的理解TIM公式中,这些相互依赖的元素如何在一起工作,以及何时需要考虑某种特殊情况,因此,工程师才能够选定某种材料以满足应用标准。
做出选择必须看得更深,而不仅仅是依靠体热传导率来预测整个预期寿命周期内的界面材料性能,需要考虑诸多参数例如键合线厚度、弹性模量、长期性能和工艺。
避免TIM体热导率的诱惑。不要假定具有最高热导率的材料也会拥有最低的热阻。总之,坚持比较生产末期与寿命末期的特性,就像通过加速实验证明的那样,不要犹豫,去求助于特定测试方法或协议的详细资料。著名的材料供应商有办法获取此类数据,并且很可能与未来的客户共同分享。

什么是5G?

定义

“5G”一词通常用于指代第 5 代移动网络。5G 是继之前的标准(1G、2G、3G、4G 网络)之后的最新全球无线标准,并为数据密集型应用提供更高的带宽。除其他好处外,5G 有助于建立一个新的、更强大的网络,该网络能够支持通常被称为 IoT 或“物联网”的设备爆炸式增长的连接——该网络不仅可以连接人们通常使用的端点,还可以连接一系列新设备,包括各种家用物品和机器。公认的5G的优势是:

•具有更高可用性和容量的更可靠的网络

•更高的峰值数据速度(多 Gbps)

•超低延迟

与前几代网络不同,5G 网络利用在 26 GHz 至 40 GHz 范围内运行的高频波长(通常称为毫米波)。由于干扰建筑物、树木甚至雨等物体,在这些高频下会遇到传输损耗,因此需要更高功率和更高效的电源。5G部署最初可能会以增强型移动宽带应用为中心,满足以人为中心的多媒体内容、服务和数据接入需求。增强型移动宽带用例将包括全新的应用领域、性能提升的需求和日益无缝的用户体验,超越现有移动宽带应用所支持的水平。

 

毫米波是关键技术

     毫米波通信是未来无线移动通信重要发展方向之一,目前已经在大规模天线技术、低比特量化ADC、低复杂度信道估计技术、功放非线性失真等关键技术上有了明显研究进展。但是随着新一代无线通信对无线宽带通信网络提出新的长距离、高移动、更大传输速率的军用、民用特殊应用场景的需求,针对毫米波无线通信的理论研究与系统设计面临重大挑战,开展面向长距离、高移动毫米波无线宽带系统的基础理论和关键技术研究,已经成为新一代宽带移动通信最具潜力的研究方向之一。

毫米波的优势:   毫米波由于其频率高、波长短,具有如下特点:

频谱宽,配合各种多址复用技术的使用可以极大提升信道容量,适用于高速多媒体传输业务;可靠性高,较高的频率使其受干扰很少,能较好抵抗雨水天气的影响,提供稳定的传输信道;方向性好,毫米波受空气中各种悬浮颗粒物的吸收较大,使得传输波束较窄,增大了窃听难度,适合短距离点对点通信;波长极短,所需的天线尺寸很小,易于在较小的空间内集成大规模天线阵。

毫米波的缺点:毫米波也有一个主要缺点,那就是不容易穿过建筑物或者障碍物,并且可以被叶子和雨水吸收。这也是为什么5G网络将会采用小基站的方式来加强传统的蜂窝塔。

毫米波5G手机使用的TIM膜材料

石墨片、石墨烯片(非绝缘材料)

     随着智能时代的来临,人们对手机的需求越来越高,手机的硬件配置也随之提高,CPU从单核到双核在逐渐提升至四核、八核,屏幕大小和分辨率也不断提升。伴随着手机硬件和性能提升所带来的则是手机发热越来越严重的问题,如果热量未能及时散发出去面临的将是手机发烫、卡顿、死机甚至爆炸等问题。

      目前手机中使用的散热技术主要包括人工石墨、石墨烯、金属背板、边框散热、导热凝胶散热、热管散热、均温板等等。

5G时代硬件产品散热设计新趋势:

1、散热材料选择多种多样;

2、VC/铜管发挥核心作用;

3、散热设计从“点面”到“整(系统)”;

4、摄像头模组散热问题日益受到重视。

      充满变革性技术创新的时代,带来了无数日常活动的变化。在这样的背景下,随着全新商业模式的涌现,提供商品与服务的旧方式被急剧改变或彻底抛弃,毫米波5G手机产品的设计也面临全新的挑战。

  • 人工石墨散热片

石墨散热片也称导热石墨片,是一种全新的导热散热材料,具有独特的晶粒取向,沿两个方向均匀导热,片层状结构可很好地适应任何表面,屏蔽热源与组件的同时改进消费类电子产品的性能。

导热石墨片是一种导热散热材料,沿两个方向均匀导热,屏蔽热源与组件的同时改进消费类电子产品的性能。石墨导热片解决方案独特的导热性能组合让导热石墨成为热量管理解决方案的杰出材料选择。

  • 石墨烯散热片

石墨烯(Graphene)是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种革命性的材料,石墨烯具有非常好的热传导性能。

石墨烯本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。

白石墨烯片(BN氮化硼膜材特点:低介电、绝缘、透波、抗电压、柔性、导热)

   

      六方氮化硼(h-BN)这种二维结构材料,又名白石墨烯,看上去像著名的石墨烯材料一样,仅有一个原子厚度。但是两者很大的区别是六方氮化硼是一种天然绝缘体而石墨烯是一种完美的导体。与石墨烯不同的是,h-BN的导热性能很好,可以量化为声子形式(从技术层面上讲,一个声子即是一组原子中的一个准粒子)。

有材料专家说道:“使用氮化硼去控制热流看上去很值得深入研究。我们希望所有的电子器件都可以尽可能快速有效地散射。而其中的缺点之一,尤其是在对于组装在基底上的层状材料来说,热量在其中某个方向上沿着传导平面散失很快,而层之间散热效果不好,多层堆积的石墨烯即是如此。”与石墨中的六角碳网相似,六方氮化硼中氮和硼也组成六角网状层面,互相重叠,构成晶体。晶体与石墨相似,具有反磁性及很高的异向性,晶体参数两者也颇为相近。

5G

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