← 返回
可靠性与测试 ★ 4.0

锡装饰的氮化硼纳米管增强液态金属界面热管理材料用于半导体封装

Sn-decorated boron nitride nanotubes reinforced liquid metal thermal interface materials for semiconductor packaging

作者 Arni Gesselle M. Pornea · Numan Yanar · Duy Khoe Dinh · Thomas You-Seok Kim · You Been Goh · Min Seok Kwak
期刊 IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology
出版日期 2025年5月
技术分类 可靠性与测试
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 液态金属 氮化硼纳米管 热管理 润湿性 导热性
语言:

中文摘要

由于传统的聚合物基热界面材料(TIMs)不足以消散人工智能(AI)所用中央处理器(CPU)和图形处理器(GPU)等先进芯片产生的热量,具有显著热导率的液态金属(LM)可能是这些处理器热管理的理想选择。然而,液态金属也存在缺点,例如由于其固有的高表面张力,会出现泄漏、表面铺展问题以及加工困难等情况。解决这些问题的一种可能方案是将金属颗粒与液态金属混合,但一般来说,掺入这些金属颗粒会引发金属间反应,导致热性能和加工性能下降。在此,我们提出了一种简便直接的方案,即使用氮化硼纳米管(BNNTs)与液态金属的复合材料。通过还原反应和静电吸引将锡(Sn)纳米颗粒原位修饰到BNNT表面(BNNT - Sn),可改善BNNT在液态金属基体中的分散性和润湿性。因此,BNNT - Sn可通过纳米管实现卓越的声子传导路径,使热导率提高达30%。更重要的是,仅掺入1.0 wt%的BNNT - Sn,就能使液态金属的黏度从2400 mPa·s提高到180$500~\pm ~750$ mPa·s,从而改善润湿性和加工性能,同时还增强了刚性,避免了泄漏问题并提高了粘附性。这些改进与BNNT的固有特性有关,如理想的长径比和固有的热导率,它们有助于提高黏度和热传导性能。

English Abstract

Liquid metal (LM) with notable thermal conductivity might be a promising candidate for the thermal management of central processing unit (CPU) and graphic processing unit (GPU) used for artificial intelligence (AI) since conventional polymer-based thermal interface materials (TIMs) are not sufficient to dissipate the heat produced by these advanced chips. However, it also has disadvantages, such as leakage, surface-spreading concerns, and processability difficulties due to its inherent high surface tension. The proposed solution to mitigate these issues might be metallic particle incorporation with LM, but the incorporation of those metal particles in general causes the intermetallic reactions, resulting in the deteriorated thermal performance and processability. Here, we suggest a facile and straightforward scheme using a composite of boron nitride nanotubes (BNNTs) with LM, while in situ decoration of Sn (tin) nanoparticles onto the surface of BNNT (BNNT-Sn) through a reduction reaction and electrostatic attraction improves BNNT dispersion and wettability in the LM matrix. Consequently, BNNT-Sn achieves superior phonon conduction pathways through the nanotubes by increasing the thermal conductivity as high as 30%, and more importantly, the wettability and processability properties are also enhanced by increasing the viscosity to 180 500~ ~750 mPa s from 2400 mPa s for neat LM with just 1.0 wt% of BNNT-Sn assimilation, with an improved rigidity evading leakage and adhesion as well. These improvements can be correlated with the intrinsic attributes of BNNT, such as an optimal aspect ratio and inherent thermal conductivity that contributed to the improvement of viscosity and thermal conduction.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,该液态金属热界面材料技术对我们的核心产品线具有重要的战略价值。随着光伏逆变器和储能系统向高功率密度方向发展,功率模块的散热问题已成为制约系统性能和可靠性的关键瓶颈。

该技术通过锡修饰氮化硼纳米管(BNNT-Sn)增强液态金属,实现了30%的热导率提升,这对我们的IGBT、SiC等功率半导体封装具有直接应用价值。特别是在大型集中式逆变器和储能变流器中,芯片结温的有效控制直接影响系统的过载能力和使用寿命。相比传统导热硅脂,该材料的高热导率可显著降低热阻,为产品向更高功率密度演进提供热管理基础。

更值得关注的是,该技术通过纳米颗粒修饰解决了液态金属的泄漏和工艺性难题,粘度优化至180-500 mPa·s使其具备了工业化应用的可行性。这与我们自动化生产线的兼容性至关重要,可降低制造复杂度和成本。

然而,技术应用仍面临挑战:首先是长期可靠性验证,光伏逆变器需在25年生命周期内经受温度循环和湿热考验,液态金属与铜基板、铝散热器的界面稳定性需深入评估;其次是成本因素,BNNT的制备成本较高,需评估性价比优势;此外,液态金属的电绝缘性能也需关注,避免在高压环境下产生安全隐患。

建议与材料供应商或研究机构开展联合开发,在新一代高功率密度产品中进行小批量验证,重点评估其在实际工况下的热循环可靠性和成本效益,为技术产业化奠定基础。