【综述】键合技术增强界面热输运:机理、材料与应用

DT半导体材料 2022-09-26 22:50

近日,清华大学航天航空学院曹炳阳教授团队,系统性总结了键合增强的界面热输运技术,包括界面热输运的机理、影响因素、热键合材料、相关应用和潜在挑战,如图所示。特别是从界面相互作用力(范德瓦尔力、氢键、共价键和金属键)、电子密度和声子振动态密度三个方面重点介绍了界面传热的影响因素,并将热键合材料分为金属键合材料、有机键合材料和无机非金属键合材料。作为一个新兴的界面科学和工程领域,我们相信热学键合技术将为科学家和工程师理解界面热输运,和解决大量微/纳米传热前沿挑战提供更多的灵感。相关成果以”Bonding-Enhanced Interfacial Thermal Transport: Mechanisms, Materials, and Applications“为题,发表在《ADVANCED MATERIALS INTERFACES》上。

论文链接:https://doi.org/10.1002/admi.202200078

 图文解析 

界面热输运问题成为许多前沿领域面临的共性科学技术挑战。增强电子和声子输运是强化界面传热的关键,而在界面处插入中间材料能够调节载热子输运。这种策略被作者命名为热学键合(Thermal bonding),即通过在界面处引入热键合材料,可增强电子和声子界面输运,进而强化界面传热。热学键合(Thermal bonding)是参考微电子行业的常见术语力学键合(Mechanical bonding)和电学键合(Electrical bonding)而提出的。


图1. 界面热阻随热界面材料厚度和热导率的变化
图2. 热学键合技术的内涵
图3. 载热子输运示意图(a) 非金属/非金属界面;(b) 金属/非金属界面;(c) 金属/金属界面

机理:根据不同的界面载热子组合,可将界面分为非金属/非金属、金属/非金属和金属/金属界面。
界面传热影响因素:从微观尺度上看,增加原子/分子之间的相互作用力有利于电子和声子输运。以Au/多种材料的界面为例,图4显示界面热导随着键合强度的增加而增加。另一方面:对于铜/金刚石界面,CH3-SAM键合层(范德华力)可以获得比SH-SAM键合层(共价键)更大的界面热导。这是因为铜的声子振动态密度(VDOS)多位于低频区,而金刚石的 VDOS 位于高频区,导致这两种材料之间的声子输运通道较少。由于 CH3-SAM 与铜和金刚石的 VDOS 比 SH-SAM 具有更多的重叠,因此 CH3-SAM 具有更好的传热增强能力。因此,通过引入中间材料来增加VDOS曲线的重叠度,也可以改善界面传热。
键合材料:根据载热子种类和界面结合力的不同,热键合材料可分为金属热键合材料、有机热键合材料和无机非金属热键合材料。



应用:本章选取了电池、芯片、热界面材料三种应用场景进行介绍。

(a)锂离子电池。锂离子电池的电化学性能受到电池内部传热性能的限制,界面热阻占总热阻的88%左右,这是由于它们之间的结合强度差,声学失配大。
(b)微电子芯片。实现 3D 堆叠的一项重要技术是层间键合技术,例如通过球栅阵列、微凸块或无凸块铜键合形成电、热和机械连接。铜、金和银是常用的芯片连接材料。为了增加结合强度,在某些情况下会在铜表面镀上一层镍。由于这些材料的熔点较高,通常需要插入一层低熔点的键合材料,例如铟和锡。金刚石基 GaN 衬底为高功率密度电子器件发展提供了很大希望,增加 GaN 和 SiC 之间的界面热输运将有助于 GaN-on-SiC 器件的散热。
(c)热界面材料。通过增加高导热填料与高分子材料之间的界面导热能够增加热界面材料的宏观热导率。从这三个领域介绍了应用案例。



展望:未来潜在的研究方向主要有5个方向:(1) 探究多种载热子之间的界面耦合输运机理;(2) 复杂的实际界面结构的输运机理;(3) 厘清金属-非金属界面的电子输运的重要性;(4) 通过机器学习筛选更多的热键合材料;(5) 力键合-电键合-热键合三者的协同设计。


图5. 力学-电学-热学键合的协同设计

 作者简介 



 原文信息 

作者:张旭东,杨光,曹炳阳*

单位:清华大学航天航空学院

论文链接:https://doi.org/10.1002/admi.202200078

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