芯片散熱復合材料的制備及其性能研究

邢哲

（青島科技大學高分子科學與工程學院，山東青島，266042）

芯片散熱復合材料的制備及其性能研究

邢哲

（青島科技大學高分子科學與工程學院，山東青島，266042）

本論文設計了一種新型的復合材料，由發泡硅膠、導熱層和絕緣層三部分組成。通過發泡工藝制備了發泡硅膠，然后在其外層依次包覆導熱層及絕緣層，從而得到芯片散熱復合材料。并對制備的芯片復合材料進行導熱性能、壓縮性能、剝離強度表征。

發泡硅膠；散熱；芯片

0 引言

目前，電子設備和產品不斷向小型化方向發展，使得SMT技術廣泛應用。SMT（Surface Mount Technology）是現在電子組裝領域中應用最廣的一種貼片工藝。電子芯片就是通過表面貼裝技術工藝焊接到PCB電路板上，進而實現其使用功能。但不同芯片破壞應力不同，如果芯片受到的外力大于其本身能夠承受的破壞應力，芯片就會破壞，進而導致電子產品或電子設備出現故障。目前芯片常用的散熱材料有導熱硅膠、導熱氟橡膠等，但橡膠材料長期使用后硬度會增加，并且導熱硅膠或導熱氟橡膠的熱阻隨著壓縮應力的增加而減小，因而使用橡膠導熱材料時既要考慮其導熱性能能否滿足芯片的散熱需求，又要考慮其對芯片的壓應力能否導致芯片破壞，而這兩者往往不能同時兼顧。因此，深入研究受力易損壞的電子芯片冷卻新技術有著重要而深遠的意義。

1 實驗

1.1 主要原料及儀器設備

硅橡膠生膠：深圳市紅葉杰科技有限公司； PET薄膜：深圳市一川薄膜有限公司；TCA200導熱膠：佛山市南海區研毅電子科技有限公司；金屬裸Cu箔：東莞市萬易燊電子有限公司；金屬裸Al箔：新鄉市潤洋鋁箔科技有限公司；石墨片：平頂山市信瑞達石墨制造有限公司。

雙輥開煉機：SK-160B；平板硫化機：XLB-D350×350×2；剝離強度測試儀：BLD-200N。

1.2 試樣制備

將60份硅橡膠生膠、15份沉淀法白炭黑、20份硅藻土、13份重質碳酸鈣、5份石蠟油、1.3份含氫硅油、2份異丙醇、0.7份氯化鉑、1.2份硫磺和0.7份二甲基二硫代氨基甲酸鋅放入混煉機內混煉4小時，冷卻出料，得到冷卻膠料A組分。將60份硅橡膠生膠、15份沉淀法白炭黑、20份硅藻土、13份重質碳酸鈣、5份石蠟油、1.2份含氫硅油、2份異丙醇、1.2份硫磺和0.5份二甲基二硫代氨基甲酸鋅放入混煉機內混煉4小時，冷卻出料，得到冷卻膠料B組分。將組分A和組分B相互混合均勻，再加入13份發泡劑（偶氮二甲酰胺、碳酸氫鈉、p，p?氧聯二苯硫酰肼質量比1:1:1）、3.5份尿素，用開煉機薄通至均勻，出片，在室溫下，硫化發泡，然后裁切即得發泡硅橡膠。

1.2.1 導熱層的包覆

用TCA200導熱膠將厚度分別為0.15 mm和0.2 mm的金屬Cu箔、金屬Al箔、石墨片包覆在步驟1.2.1制備的發泡硅橡膠上，分別得到樣品a1、樣品a2、樣品b1、樣品b2、樣品c1、樣品c2。

1.2.2 絕緣層的包覆

用導熱膠水將0.02mm厚的PET薄膜包覆在步驟1.2.2制備的樣品a1、樣品a2、樣品b1、樣品b2、樣品c1、樣品c2上，分別得到樣品A1、樣品A2、樣品B1、樣品B2、樣品C1、樣品C2。

2 結果與討論

2.1 導熱性能表征

對制備的樣品A1、A2、B1、B2、C1、C2進行導熱性能測試。當導熱層材質為Cu箔，厚度分別為0.15 mm、0.2mm時，復合材料的熱阻分別為0.12 K/W、0.11 K/W。當導熱層材質為Al箔，厚度分別為0.15 mm、0.2mm時，復合材料的熱阻分別為0.19 K/W、0.17 K/W。當導熱層材質為石墨片，厚度分別為0.15 mm、0.2mm時，復合材料的熱阻分別為0.09 K/W、0.07 K/W。

2.2 剝離性能表征

對制備的樣品A1、A2、B1、B2、C1、C2進行剝離性能測試。當導熱層材質為Cu箔，厚度分別為0.075 mm、0.15 mm時，復合材料的剝離強度分別為20.4 N/m、21.5 N/m。當導熱層材質為Al箔，厚度分別為0.075 mm、0.15 mm時，復合材料的剝離強度分別為18.5 N/m、19.4 N/m。當導熱層材質為石墨片，厚度分別為0.075 mm、0.15 mm時，復合材料的剝離強度分別為6.2 N/m、6.3 N/m。

2.3 力學性能表征

圖1 壓縮比與壓力對應關系

圖1 為制備樣品A2、B2、C2的壓縮性能曲線圖。由圖可知，復合材料的壓縮比隨著壓力的增加而增大，當導熱層材質為Cu箔、厚度0.2 mm時，壓縮應力由10 psi逐漸增加到80 psi時，復合材料的壓縮比由26.4 %增加到58.3 %；當導熱層材質為Al箔、厚度0.2 mm時，壓縮應力由10 psi逐漸增加到80 psi時，復合材料的壓縮比由27.5 %增加到59.2 %；當導熱層材質為石墨片、厚度0.2 mm時，壓縮應力由10 psi逐漸增加到80 psi時，復合材料的壓縮比由32.8 %增加到67.4 %。

3 結論

本論文設計了一種芯片散熱復合材料結構，既可以將芯片的熱量快速散發出去，又可以避免對芯片帶來的應力損壞。并對制備的芯片散熱復合材料進行了性能表征，結果表明：制備的導熱復合材料熱阻在0.07 K/W -0.19 K/W之間，當導熱層材質為石墨片，厚度為0.2 mm，熱阻最小為0.07 K/W。復合材料的剝離強度在6.3 N/cm -21.5 N/cm之間，當導熱層材質為金屬Cu箔，厚度為0.2 mm，剝離強度最大為21.5 N/cm。同一壓縮應力下，當導熱層材質為石墨片，厚度為0.075 mm，復合材料的壓縮比最大。

[1]李金明. 電子工業中SMT技術工藝研究及發展趨勢[J]. 電子技術與軟件工程,2016,(13):139.

[2]趙少偉,張婧亮,韓春. 基于SMT技術的組裝新工藝探討[J].電子工藝技術,2016,(04):191-195.

[3]劉宇,高洪巖. 淺談電子芯片冷卻技術及其應用[J]. 黑龍江科技信息,2010,(17):17.

Preparation and performance of die heat composite materials

Xing Zhe
(University of science and technology of science and technology of Qingdao university of science and technology,Qingdao Shandong, 266042)

This paper designs a new kind of composite material, which consists of three parts: foamed silicone, conductive layer and insulating layer. The foamed silica gel was prepared by foaming process, and then it was coated with heat and insulation layer in order to obtain the composite material of the chip. The thermal conductivity, compression performance and stripping intensity are characterized by the preparation of composite composite materials.

foaming silicone;cooling;chips