微环境中热管理材料的MIM（20.1-20.3）

目录

• 20.1 介绍

• 20.2 微电子技术中的散热

• 20.2.1 散热器设计

• 20.2.2 材料选择

• 20.2.3 热性能测量

• 20.3 铜

• 20.3.1 粉末

• 20.3.2 原料准备

• 20.3.3 制模

• 20.3.4 脱脂和烧结

• 20.3.5 热性能

• 20.3.6 示例应用程序

20.1 介绍

金属注射成型（MIM）可以提供独特的热管理解决方案，以从微电子器件散热。形状复杂度不断增加的散热器被设计用于更有效的传热。MIM允许必要的设计自由度，并为制造微电子所需的大量散热器提供了一种经济高效的方法。本章回顾了用于热管理的特定材料MIM加工的加工条件，并提供了MIM散热器组件的示例。

20.2 微电子技术中的散热

高性能微处理器不断增加的功率需求和不断减小的尺寸给微电子封装设计带来了散热挑战。需要高导热性材料，在某些情况下，它们还必须具有低的热膨胀系数。先进的散热器设计通过使用空气动力学散热片、热管和微通道来处理增加的热负荷。具有这些结构的组件可以通过MIM从包括Cu、W-Cu和Mo-Cu的已知热管理材料中容易地大量生产。

20.2.1 散热器设计

最广泛使用的从微处理器中提取热量的方法是将其连接到散热器，散热器可以是风冷的，可以是主动的，也可以是被动的。主动式设计需要风扇或泵来循环流体以进行热量提取，通常会导致热量产生、功率消耗和新的故障模式。被动设计具有增加表面积的散热片，以增加它们释放到环境空气中的热量。这两种情况都需要高导热材料来将热量从装置传递到流体流。

许多早期的散热器是由铝合金挤压而成的。挤压是一种高度自动化、低成本、高产量的工艺，但它固有地限制了翅片的几何形状。此外，为提高可挤出性而添加的合金元素降低了热导率。挤压铝合金或压铸的机加工可以生产出高度与间隙比更高但成本更高的翅片。同样，折叠散热片可以比挤压散热片的性能提高两倍，但成本也会增加。

MIM在设计上比挤压和压铸具有更大的灵活性。例如，MIM很容易生产圆销翅片，但挤压铝合金的加工仅限于方形翅片。图20.1显示了MIM制造的带有圆销的散热器和用方形销加工的散热器之间的性能差异。MIM也可以采用其他翅片几何形状，如锥形销翅片和翼型翅片，如图20.2所示。散热器通常比典型的MIM零件大。高达50mm、宽50mm、长50mm的散热器最适合MIM加工。

图 20.1 带有方形引脚的机械加工散热器和带有圆形引脚的MIM散热器的热性能比较

图 20.2 MIM可能的散热器几何形状示例

通过将热管集成到散热器中，可以进一步提高散热能力。这些相变冷却装置通过在热区蒸发流体来工作，热区吸收热量。蒸发的液体流到冷区，在那里冷凝释放热量，液体被吸入热区。这些传热装置的有效导热率可以远高于Al或Cu。粉末冶金技术，包括MIM，可以将多孔芯吸结构制造成散热器，以生产集成热管。通过使用无芯非圆形微通道生产热管，可以使热管小型化，这种微通道也可以由MIM制造。

散热器被设计为从电子封装中移除热量，但是封装必须被设计为直接从半导体器件中提取热量，或者可以使用散热器将热量从器件背面传递到散热器。在这两种情况下，都需要高导热性，但为了与硅兼容，还需要4-7 ppm/K的热膨胀系数，以最大限度地减少器件关闭和打开时的热疲劳。

除了热管理之外，电子封装还为半导体器件提供结构支撑、环境保护以及电力和信号互连。为了满足这些要求，电子封装通常是薄壁外壳，带有可以用玻璃密封的互连孔。Fe-Ni-Co合金F-15，由于其低热膨胀系数和良好的玻璃-金属密封能力，通常用于电子封装，但其导热率低。

烧结封装，如图20.3所示，必须具有封闭的孔隙结构以提供气密密封，因此烧结密度必须超过理论值的92%。尺寸通常为8mm至125mm，壁厚为1-3mm。公差非常精确，线性尺寸的典型值为25μm。散热器具有相似的尺寸和公差，但缺少孔。直接粘结到半导体器件的散热器或封装件的典型平整度要求为0.025mm/25.4mm。有些表面可以进行精磨，但有些表面不容易进行平整度校正。封装通常通过钎焊组装，这需要对MIM表面进行电镀。MIM零件的表面孔隙率会导致电镀困难，这可以通过特殊技术来克服。

图 20.3 MIM可能的电子封装几何形状示例

20.2.2 材料选择

铜通常用于需要比铝更高导热率的应用。其较低的热膨胀系数也有助于减少热疲劳问题。铜比铝更难挤压、冲压、加工或铸造，但更适合采用粉末冶金技术（包括MIM）进行加工。

尽管Cu的热膨胀系数低于Al，但它仍然显著高于硅芯片或陶瓷衬底，这给安装散热器带来了挑战。因此，诸如W-Cu和Mo-Cu的复合材料结合了高导热性和低热膨胀系数，更适合于封装应用。这些复合材料的组成部分具有不同的熔化温度，并且不合金，因此通常使用粉末冶金技术进行加工。加工W-Cu和Mo-Cu的传统方法包括板材轧制操作和压制和烧结W或Mo压块的Cu渗透。这些技术通常用于制造电接触材料，其具有相对高的Cu含量和较低的形状复杂性。MIM可用于生产多孔W和Mo骨架，或W-Cu和Mo-Cu混合粉末可注射成型和烧结以满足散热器设计要求。

含10-20 wt%Cu的钨是一种常见的散热片成分。具有类似Cu含量的钼具有较低的导热性，但其较低的密度使其对重量重要的应用具有吸引力。MIM Cu、W-15Cu和Mo-18Cu的典型特性如表20.1所示。W-Cu和Mo-Cu的这些Cu含量最大化了热膨胀系数的热导率，这对于大多数包装应用来说是可接受的。如后面章节所述，通常无法获得理论导热系数。

表格 20.1 散热器材料的典型特性

20.2.3 热性能测量

热性能的测量并不简单。热导率λ最常用于根据关系式通过激光闪光法（ASTM E1461）测量的热扩散率α来确定。

其中Cp是比热，ρ是样品密度。该方法需要盘形样品，并且需要非常小心以最小化测量可变性。

电导率更容易测量，并且不取决于样品的几何形状。对于Cu和其他元素金属，电导率σ可以通过四点探针法测量，并使用Wiedemann-Franz关系式转换为热导率λ）。

其中L是洛伦兹数（25℃时Cu为2.28×10-8V2/K2），T是绝对温度（开尔文）。降低电导率的因素，如孔隙率和杂质，也会相应地降低热导率。这种方法不适用于复合材料，如W-Cu或Mo-Cu，其成分具有不同的洛伦兹数，或电绝缘体，其通过声子传导热量。

虽然导热系数是一个重要因素，但散热器的整体热性能更好地由热阻表征。以K/W为单位的热阻是当一定量的热能通过散热器时，散热器和环境空气之间的边界上的温差的量度。它考虑了整体设计以及材料的导热性，并受外部因素（如空气温度和空气流量）的影响。更有效的散热器具有更低的热阻。热阻通常在设计阶段计算，并在原型测试期间测量以进行验证。

20.3 铜

用于电子系统散热相关应用的非合金Cu粉末的MIM已被频繁证明。许多类型的Cu粉末是市售的，并且已经证明适合于用常规粘合剂系统模塑。主要挑战是实现高烧结密度和高导电率，这需要烧结到接近全密度，同时将氧气和其他杂质降低到低水平。铜在烧结过程中特别容易受到氢致膨胀的影响。封闭孔隙中的氧化物可与氢气反应生成截留的水蒸气，从而增加孔隙中的气体压力，导致孔隙膨胀、抑制致密化和部件起泡。因此，Cu的MIM需要注意初始粉末中的氧控制和烧结过程中的过氧化还原。通过MIM处理高热导率Cu组件的关键要求在以下章节中描述。

表格 20.2 铜粉特性

^a理论密度为8.96 g/cm3

20.3.1 粉末

铜粉是通过多种工艺生产的，包括化学沉淀、电解沉积、氧化物还原、水雾化、气体雾化和喷射研磨。因此，Cu粉末在商业上可获得各种颗粒形状和尺寸。电解粉末和化学粉末在模塑过程中表现出较差的填充和较差的流变性，因此它们在MIM中基本上不成功。表20.2总结了其他类型示例的特征。图20.4给出了代表性的扫描电子显微照片。这些粉末都具有相似的粒径，但形态不同。制造商报告的典型纯度为约99.85wt%；然而，氧含量的范围可以高达0.76wt%。粉末通常含有干燥剂，适当的粉末储存对于避免购买和使用之间的氧化至关重要。

图 20.4 （A）11μm氧化物还原Cu粉末的扫描电子显微照片。（B） μm水雾化铜粉。（C） μm气体雾化铜粉。（D） μm喷射研磨的铜粉

表20.2中的所有Cu粉末均适用于MIM，无需进一步处理，但各有不同的优点。喷射研磨的铜粉具有最低的杂质水平。气体雾化粉末具有最高的振实密度，这通常转化为更高的固体负载，以促进MIM加工的容易。氧化物还原和水雾化粉末的成本较低，这是与锻造和铸造铜竞争时的关键问题。比表20.2中的粉末更细的粉末更昂贵，更难成型，并且几乎没有烧结优势。较粗的粉末不会显著降低成本，但会影响尺寸控制和烧结行为。

20.3.2 原料准备

蜡聚合物粘合剂通常与铜粉相容。与蜡聚合物粘合剂混合的铜原料是市售的，但铜原料不能与BASF Catamold粘合剂一起使用，因为用于脱脂的硝酸溶解铜。作为替代方案，可以使用基于琼脂的粘合剂系统。MIM-Cu原料中的最佳固体负载量取决于粉末形态和填充特性，因此它可以根据粉末选择而变化很大。对于氧化还原粉末，聚合物蜡粘合剂的典型固体负载量为48-52 vol%，对于水雾化和喷射研磨粉末，为52-56 vol%，对于气体雾化粉末，为65-70 vol%。假设最终烧结密度为理论烧结密度的95%，这些固体负载转化为氧化物还原粉末的平均工具放大系数为1.24，水雾化和喷射研磨粉末的平均模具放大系数为1.21，气体雾化粉末的平均工装放大系数为1.12。

表格 20.3 MIM-Cu原料制备实例

表20.3中总结了几种不同的铜原料的实例。使用各种类型的混合器以及各种铜粉生产了可成型原料。混合的一个关键问题是避免来自先前混合材料的污染和混合容器的磨损，以保持最终部件的高导热性。

20.3.3 制模

成型铜原料相对简单，尽管其相对较高的导热率导致更快的冷却速度，使得填充薄壁部件更加困难。与混合一样，在模塑过程中必须避免交叉污染，以保持高导热性。对于MIM-Cu，高注射速度或压力可导致粘合剂与Cu粉末分离，由于其低屈服强度，Cu粉末可变形为刚性固体。具有氧化表面的铜粉比氢还原的铜粉对粘合剂的附着力更好。

气体雾化粉末已用于成型大型、复杂的散热器。这些部件的质量为100-150 g，壁厚小至0.3mm的中空结构。模制此类零件通常需要多个滑道、热流道和空腔压力传感器，但最大的挑战是在零件喷射之前控制模具温度。电加热器和水温控制装置的组合已被证明能够成功地成型约25mm长、0.3mm壁厚的管子。高注射温度和热模具需要5分钟的冷却时间，但这仍然比加热和冷却模具快得多，模具需要15分钟的冷却。包括模具加热和冷却分析的三维模拟可以准确预测填充行为。

20.3.4 脱脂和烧结

铜部件可以常规地使用溶剂和/或热技术脱粘。热处理过程需要仔细控制气氛，以尽量减少残余碳和氧，这会对致密化产生负面影响。在空气中含有蜡基粘合剂的模塑件的热脱脂可能会因吸热反应而导致开裂，而在氩气中脱脂可能会导致坍塌。真空脱脂提供了良好的尺寸控制和碳和氧的中间水平。溶剂脱脂后在氢气中进行热脱脂也已证明是成功的。

在烧结循环的早期必须减少氧气，以避免水蒸气滞留在封闭的孔隙中，这通常伴随着快速的晶粒生长和孔隙与晶界的分离，从而导致高孔隙率。添加反应性掺杂剂，如Al、Cr和Si，可以帮助吸进氧气，但会降低电导率。在接近92%密度的最终阶段孔隙闭合之前提取氧气，通常需要使用精心设计的热循环进行氢气烧结。

在加热过程中，干氢对铜氧化物的还原通常发生在550℃至680℃的范围内。在该范围或更高的温度下长时间保持可以通过在最后阶段烧结孔隙闭合之前减少铜氧化物来消除膨胀。高烧结密度需要接近Cu熔化温度（1080℃）的最高温度。例如，通过使用以下热分布在干燥氢气中进行脱脂和烧结，实现了高密度：

3℃/min升至300℃，保持1小时。

3℃/min升至500℃，保持1小时。

3℃/min升至600℃，保持1小时。

5℃/min升至700℃，保持2小时。

5℃/min升至800℃，保持2小时。

5℃/min升至900℃，保持2小时。

5℃/min升至1050℃，保持1小时。

毛孔闭合的开始取决于粉末。表20.2中给出的四种不同粉末的密度，在175MPa下单轴压制，在上述循环的不同阶段后，如图20.5所示。在700℃下，密度与初始生坯密度大致相同。大多数烧结致密化发生在700℃至900℃的温度下加热期间。从800℃到900℃，气体雾化粉末的密度从80%增加到90%以上。因此，该粉末中的氧化物必须降低到900℃以下，以防止水蒸气截留。剩余粉末具有开放的孔隙率，可在加热至1050℃时进一步降低。无论生产方法如何，1050℃烧结后的密度范围为93%至96%。平均粒径高达25μm的铜粉也可以在1050℃时达到这种程度的致密化（Johnson，Tan等人，2005）。更细的粉末具有更高的起始氧含量，并且在较低的温度下会致密化，导致在封闭的孔隙中捕获水蒸气的可能性更高。

图 20.5 烧结温度对175MPa单轴压制四种铜粉密度的影响

图 20.6 确认热循环使气体雾化粉末的氧化物几乎完全还原900℃。除氧化物还原粉末外，其他粉末的氧含量也为200ppm或更低，其中氧化物还原粉末含有400ppm的氧。氧化物还原粉末在900℃时的密度为理论密度的89%，因此仍有一些开放孔隙，以允许继续还原和水蒸气逸出。

图 20.6 烧结温度对175MPa单轴压制四种Cu粉末氧含量的影响

水雾化粉末在900℃烧结2小时和1050℃烧结1小时后的微观结构如图20.7所示。在900℃时，晶粒细小，晶界处可见小孔。在1050℃时，晶粒和孔隙都明显变粗，总体密度略有增加。大孔表明，即使在900℃时氧含量低于200 ppm，仍有足够的氧在小孔中产生截留的水蒸气，并在加热至1050℃时使其膨胀。另一方面，如图20.8所示，在1050℃下烧结1小时的氧化物还原粉末的微观结构由相对较小的孔隙组成，表明截留的水蒸气几乎不会膨胀。

图 20.7 在175MPa压力下压制并在氢气中（a）900℃烧结2小时后，13μm水雾化粉末的显微照片。（B）1050℃烧结1小时

图 20.8 在175MPa压力下压制并在1050℃下在氢气中烧结1小时后，11μm氧化物还原Cu粉末的显微照片

20.3.5 热性能

MIM Cu的热导率范围为280至385W/（m K），取决于孔隙率和杂质。孔隙度为4%-7%是典型的，而Fe含量范围为20 ppm至570 ppm。相比之下，对于低于50ppm的金属杂质水平和高达0.04wt%的氧含量，市售纯锻造铜合金（例如C11000）的热导率可以达到390W/（mK）。商用纯铸造铜合金，如C83400，由于使用脱氧剂（如Si、Sn、Zn、Al和P），导热系数较低，通常约为340-350W/（m K）。这些元素可能占商用铜粉末中0.15重量%杂质的大部分。

基于Wiedemann-Franz关系和Nordheim规则，图20.9中绘制了Fe杂质对Cu导热率的预测影响，以与实验结果进行比较。测量值遵循与模型预测相同的趋势，但对于大多数样品，仅基于Fe杂质，测量的热导率低于预期。在低浓度下，Fe可能代表总杂质含量，并且热导率会因所有杂质的累积效应而降低。最高的铁浓度可能是由于加工过程中的污染造成的。

图 20.9 与实验结果相比，铁杂质对铜室温热导率的影响

图 20.10 与实验结果相比，孔隙率对铜室温导热率的影响

除杂质影响外，孔隙率也会降低MIM-Cu散热器的导热率，如图20.10所示。实验数据显示（假设无孔导热率的值为350W/（m K），以考虑杂质影响）相比，孔隙率对孔隙率的依赖性略低。0.1-0.2重量%的杂质浓度对热导率的影响与20%的孔隙率一样大。

20.3.6 示例应用程序

MIM-Cu必须与成熟的机械加工和铸造工艺竞争。MIM可以提供比加工锻造铜更具成本效益的生产复杂形状的方法。商业上纯的铜合金很难铸造，MIM-Cu的热导率远高于易于铸造的合金，例如C83400，因为它们的合金添加量很高。然而，成功的铜MIM取决于实现粉末成本、可成型性、尺寸控制、烧结密度和导热性的正确平衡。

MIM可以在高导电性Cu中产生如图20.2所示的散热器几何形状。作为另一个例子，图20.11中显示了一个MIM-Cu散热器，其尺寸约为20mm宽x 20mm长x 2.5mm高。该部件由水雾化粉末制成，该粉末以52体积%的固体含量与蜡聚合物粘合剂混合。成型后，将部件用溶剂脱粘以去除蜡。在烧结循环的加热过程中，粘合剂的剩余部分被烧掉。烧结密度为94%，热导率为296W/（mK）。

图 20.11 MIM Cu散热器示例。该演示组件约为20mm宽x 20mm长x 2.5mm高

MIM-Cu也被用于生产热沉，其中的管脚被薄壁管代替，以增加表面积。已证明零件由96根长度为29.2mm、外径为3.65mm、内径为3.05mm的管子组成。烧结密度达到理论值的94%，管子无明显变形。必须小心处理具有大长厚比的烧结铜结构，以避免由于完全退火铜的低屈服强度而变形。

作为另一个例子，两种材料MIM已用于制造铜热管结构。在该过程中，粗铜粉被模制以形成芯，细铜粉被共同模制在芯周围。然后以这样的方式对该复合结构进行热处理，即两个部分共同烧结在一起以产生良好的冶金结合。演示热管如图20.12所示，其横截面显示了外壁和芯之间的界面。这种设计将散热片与外壳集成在一起，外壳围绕着多孔芯和一个大的开放蒸汽通道。MIM可实现这些特征之间的无缝转换，以消除热界面阻力。

图 20.12 （A） 示范热管。（B） 外壁和灯芯之间界面的显微照片