引言
半导体封装尺寸的缩小、功率的增大以及开关速度的提高，这些推动着电子器件冷却方法的发展。在现在的先进电子系统中，现有的导热界面材料成为散热的瓶颈。工程师们希望用按照热管理要求设计的最优金属，他们需要知道有些什么方案可以选用，才能把最好的导热界面材料（TI M）用到他们设计的应用系统中，加强散发热量通路中的薄弱环节。
针对热管理选择最好的导热界面材料时，需要对不同的导热系统进行评估，这些导热系统包括两个表面之间的软金属，形成导热性能很好的界面。这样做，组装件不仅干凈，它的温度为环境温度，同时兼有金属的优异导性能。
发热问题
随着器件的功能更强，需要使用不同的导热界面材料。就界面材料而言，可以从三个方面来提高器件之间传送热量的速度。这三个方面是：缩小界面之间的距离（减小界面材料的厚度），提高接触面积（由于封装的发展趋势是越来越小，限制了接触面积的大小），提高导热性能。导热性能较差的材料不能够有效地满足新器件的这些要求，因此要考虑使用导热性能好的材料。
以过去数年中，各种元件与散热设备之间连接的方法有了很大的变化。大功率射频器过去是用导热油把热量传送到金属导热片（heat spre ader），现在在探索使用导热性能好的合金来改善传送热量的特性。用于功率器件的其他封装（以前只是用于半导体器件）现在是用金属合金界面把热量传送到散热器上。有一些CPU和GPU应用系统也在把导热油改成用金属合金界面。随着器件变得功能更强、功率更大，需要不同的导热界面材料。
没有一种导热界面材料能够解决热管理的一切问题。往往要在可靠、成本低、容易使用而且导热性能好的各种材料之间进行选择。于是，应用系统决定了最后选用哪一种导热界面材料。

各种导热界面材料

在设计导热界面时有很多材料可供选择。这些材料有导热油、导热胶、相变材料和金属合金。电子界的大多数工程师会立即想到导热油。导热油有它用途，而且因为它们的应用很广泛，往往是按照它来确定其他导热材料的优劣。由于导热油属于液体，当使用导热油存在问题时，就用导热胶。导热胶在涂布时是有粘性的液体，然后固化成为不再是液态的界面。用导热胶可以防止它流出来（液体会流到界面的外头而引起空洞），但是，导热胶需要固化，在许多情况下，不希望有这个工序。做成片状的，在把它装上时是固态的，因此有利于组装，而且不需要固化。所有这些材料在互相接触的表面之间形成一个导热的连接面。但是，它们并不是进行机械连接。可以用导热胶带来安装散热元件例如散热器和散热管，但是要用机械夹子之类的东西来固定。
相变材料是另一种在使用时呈固态的导热界面材料。这些材料处在相变温度时，会从固态变成液态。在相变温度时，它们变稀薄，两个接触面之间的距离最小。然后界面上的相变材料冷却，减少了影响周围元件的可能性。另一种可以选用的导热界面材料是含有导热材料的粘合剂或者环氧树脂。把银粉或者铝粉这些能够导热的粉末和它们混合在一起。用这种材料把互相接触的表面粘合起来，它能导热，也起填充间隙的作用。
最后一种能够传送热量的材料是焊料，用它把产生热量的器件和冷却元件连接起来。有三种方法可以用来把焊料加上去，最常见的方法是再流焊，或者在把两个表面之间的焊料熔化。这个工艺一般需要用助焊剂把待焊接表面上的氧化物去掉。第二个办法是“预先贴上”，这就是在一个表面或者两个表面上都敷上这种材料，然后把两个表面贴在一起。可以把冷焊焊料敷到两个表面上，然后在室温下组装。对于特殊的导热界面，在装配时，这个方法很有利。最后一个方法是本文要谈的方法。这方面使用压力，用这个方法的装配工艺很简单，很快，很有效，而且十分可靠。

用焊料作为导热界面材料
用作导热界面的焊料合金有很多种。这些合金中每一种都有它特殊的金相特性，为导热界面材料的设计人员提供了各种各样的实现方法。其中一些合金是：铟合金（包括纯铟）、金锡合金、富铅的低熔点合金（LMA）、锡铅合金和锡银铜合金。所有这些合金至少有一点是共同的：导热性能都很好。
锡铅合金已经广泛地用作导热界面材料。直到最近，印刷电路板组装件上的所有焊点几乎都是用低熔点锡铅合金来进行电气连接、机械连接和散热。虽然人们有时忽视了锡铅焊料的导热特性，但是这种材料的导热特性好，是把电子元件的热量传送出来的最好途径。现在，在“RoHS豁免”的电子元件中仍然在使用锡铅焊料。但是在整个电子组装业正在用锡银铜无铅合金或者锡银无铅合金取代它。
人们已经广泛地用锡银合金和锡银铜合金（熔点约为220OC）来取代锡铅合金，因为它们的化学特性和金相特性、价钱可以接受，而且供货没有问题。这些无铅合金的成本低，在需要通过焊接进行连接时，就用它。
有一些电子组装件要求的性能只有富铅合金才能做到。RoHS豁免一些特殊的电子组装件，它们可以使用富铅焊料。富铅合金是唯一在工作温度超过125OC时性能可以接受的软金属。这类合金也非常软，可以形成任何样子，对热膨胀系数的失配有一定程度的补偿作用。这些富铅合金，例如95Pb/5Sn和90Pb/10Sn，在使用TO-220 封装的元件中，用来焊接功率芯片，每个人家里使用的许多家用电器中都有这些元件。
在工作温度下，如果用作导热界面的合金必须是液态，就选用低熔点合金（LMA）。可以针对给定的应用把这类合金设计成具有合适的熔化温度。低熔点合金兼有液态界面和金属导热性能优异的优点。使用低熔点合金的代价是失去了固态界面在机械方面的优点。应当注意到，低熔点合金长时间处在熔化状态，对于某些应用来讲未必合适。
为了进一步提高导热界面在焊接后的强度，可以使用金锡合金。金锡低共熔点合金（80Au/20Sn）在光电器件和高可靠性器件这些镀金元件中已经用了很长时间。这些元件在焊接时不可以使用助焊剂。金锡合金的强度在各种用作导热界面的焊料中是最高的（抗张强度为40,000 psi），而且导热性能非常好（57W/mK）。由于这些因素，对于可以镀金以及可以像硬焊料那样承受很大应力的情况下，它是很理想的。

软合金的特性
对于许多应用系统，必须尽量减少界面中的应力。最软的、最“可以接受的”焊料是用纯铟或者含3 10 %银的铟制造的焊料。银可以增强铟的强度。应当注意，用这个办法增强的强度是相对的。铟银合金中硬度最大的仍然比钝铅软，在焊料中，钝铅的延展性是最好的。
虽说压缩性对许多导热性组装材料是很有用的特性，然而导热性引起人们注意铟和铟合金。纯铟的导热性能（k）是所有焊料中最好的（大约86W/mK）。在它里面增加银对铟银合金的导热性能的影响很小。它的热导系数仍然比焊料以外的大多数导热界面材料高一个数量级。
铟的另一个独特的性质是它自已能够冷焊起来。在经过适当的酸洗后，可以把铟压到一起，形成金相接合。用很小的压力就可以把铟用冷焊的方法焊到一起 ，压力大小与铟的表面状况和纯度有关。

可压缩的成型合金
金属导热界面成型材料有一些优点是很有意义的，也是很有价值的。成型材料是一片金属，是从具有一定厚度的带材上用冲压的方法得到的。材料可以薄到什幺程度是有限制的。但是大多数应用都在现有的规格范围之内。
成型金合的尺寸和公差受到控制，可以保证每个组装件的金属体积都是准确的。成型合金的另一个优点是，它可以包装成卷带。可以把卷带装到自动贴片机（在组装工艺线上已经有这些机器），或者用到大批量制造系统中。用这个方面的产量高于用手工的方法放置。

界面与金属间化合物
不同的金属会在它们压上去的表面形成金属间化合物，这与所用的材料有关。这层金属间化合物是在环境温度和高于环境温度的情况下由于固态扩散而形成的。金属间化合物与形成它的原金属，在特性方面是完全不一样的。当在界面上做一个断面时，往往可以看到，组成它的金属呈梯度分布。金属间化合物的生长会使金属界面变得很脆。由界面的断面可以确定这是否是个问题。
在基础材料上增加一层扩散阻挡层，例如镍，就可以控制固态扩散。扩散阻挡层会阻止原子从基础金属移动出去或者移动到基础金属中去。往往在镍上镀一层薄薄的金，就可以防止阻挡层氧化。其他可以使用的阻挡层有Cr、Ta和Ti。

可压缩合金的测试和评估
为了进行评估，可以用带状或箔片状材料做成各种形状。铟带材和箔片可以用手工切下来，便于初步估计所需成型件的长度、宽度和厚度。把这些试验用的成型件迭在一起就可以得不同厚度的成型件。用纯铟或者富铟合金，这些用手工做成的成型件可以用冷焊的方法焊接起来，形成较厚的导热层，用于初步测试。这并不是说，把四片0.002英寸厚的铟成型材料迭在一起就形成厚度正好是0.008英寸的固态导热成型材料。但是这个方法可以很快明确成形件的必要厚度，用于给定的应用。
有一点应该提到，金属导热界面材料需要进行测试，测试方法与按ASTM D5470标准进行的液态导热界面材料测试是不同的。之所以不同，是由于把这个标准用到性质如此不同的材料进行测试时遇到的困难。三种材料是：
I型：液态导热界面材料
II型：软导热界面材料
III型：相对较硬的导热界面材料
在测试导热性能时，测量导热界面的厚度极为重要。导热层厚度的变化是传送热量的关键变量，会对低热导材料的测试产生很大影响。
即使对于测定材料的特性，测试是必不可少的，但是导热界面材料在测试时一定要按它的最后实际形状进行。导热界面材料的接触面积是需要考虑的关键问题，尤其是对于表面不是理想的实际的应用。
典型的倒装芯片的表面会变化0.001英寸到0.002英寸。对于液态导热材料，也是这样。这个变化多数是由于在贴装芯片或者封装时出现的应力。在散热器这方面，有很多不同的制造方法，表面的平面度也不同。在确定导热界面材料的所需要厚度时，首先是确定迭层的尺寸公差。要把在一定环境条件下和工作温度下（包括老化）的表面变化考虑进去，对最不想的组装件进行补偿。
也可以增大产生热量元件与盖或者散热器之间的间隙。例如，一块尺寸为1cm的晶粒，安装的不平行度为1度相当于0.007英寸的间隙。这个间隙要用导热界面材料把它填满，这样才能妥善地传导热量。
最后，要保证两个互相接触的表面之间，在接触最紧密的点上要有导热界面材料（存在有间隙），这点很重要。有必要在以前估计的迭层厚度上增加0.001英寸的导热界面材料。即使是非常平坦、安装很理想的表面，应该有一层厚度为0.001英寸的导热界面材料。

可靠性
不论使用哪一种导热界面材料，重要的一点是可靠性。在可靠性方面，人们往往忽视的一个问题是什么时候它失效，也就是寿命。一般来讲，导热特性是在开始时测试的。但是往往不能够代表产品在整个使用期间的导热性能。测试证明，油界面的热阻会增大（见图）。金属导热界面的优点是在使用期间导热性能一致。在使用期间出现的问题，是由于组装不当或者在再流焊造成的。
表面不够平或者不够光滑的情况下，需要用厚的导热界面。当导热界厚度增大时，使用导热油的优点实际上消失了。对于大的元件，使用非常硬的材料也会造成问题，因此用软金属导热界面材料就显出它的好处了。

结论
元件如果不能把热量散发出去，这是可靠性的一大问题。随着半导体结的温度上升，产品的预期寿命呈指数式下降。芯片温度即使下降几度也能延长半导体器件的寿命几年。
通过改善材料的传热性能，使用适当的导热界面材枓，可以将大功率器件的性能优化。对于推动半导体技术发展的应用系统，寻找合适的导热界面材料，这比以往任何时候都重要。没有合适的导热界面材料，大功率半导体器件将面临日益严重的可靠性问题。从已经上市的产品，从使用期间遇到的问题，人们已经认识到可靠性的影响。由于可压缩的金属导热界面材料具有的一些特性，组装将更加可靠，会降低产品工作时的温度，从而提高产品的可靠性。