趙晨鈞、曹翔雁 / 工研院材化所
隨著寬能隙半導體(SiC/GaN)逐漸普及，現代電力電子功率密度快速提升，模組內部多層異質材料界面所造成的局部熱阻抗與熱應力問題日益顯著。當熱量無法有效傳導與散逸時，極端熱流所引發的熱失效將成為限制元件性能與壽命的主要瓶頸。在高功率模組中，熱介面材料(Thermal Interface Material; TIM)作為熱傳導路徑中的關鍵媒介，其性能對系統整體熱阻抗與散熱效率具有決定性影響。
因此，本文將歸納高功率模組中關鍵封裝材料的配置與熱傳路徑，針對不同熱介面材料之功能、特性與種類進行介紹，探討高功率應用情境下的整體散熱解決方案。此外，本文也會介紹工研院材化所於導電與絕緣熱介面材料之研發成果及其技術優勢，為國內功率模組材料技術提供具競爭力之解決方案。工研院材化所已投入多年散熱材料、驗證平台技術開發，涵蓋導電與絕緣熱介面材料等關鍵技術材料，可望協助國內封測與功率半導體供應鏈提升自主研發能力，加速產業化應用。
【內文精選】
散熱鰭片
(Heatsink)位於整體散熱路徑的最外端，其主要功能在於提供足夠的熱擴散能力與大面積熱交換表面，藉由增加與空氣的接觸面積，提升熱對流效率，將晶片與模組內部累積的廢熱傳導並釋放至外部冷卻介質中，進而降低模組操作溫度。其散熱效果受到材料熱傳導率、鰭片幾何形狀、表面積、氣流道設計等因素影響。因此，散熱鰭片的設計需同時兼顧熱擴散效率、對流換熱能力、機械強度與系統整合性。
散熱鰭片多採用高導熱金屬材料（鋁合金、銅、銅鋁複合材料）製作，鋁合金(Al6061)，其熱傳導率約為160至200 W/m·K，具有重量輕、成本低等優點，而銅的熱傳導率約為400 W/m·K，具備更高的熱擴散能力，但相對的重量重、加工困難與成本高，使用較有限制。因此，目前業界做出結合鋁、銅各自物理特性優點，透過銅的高導熱率、鋁的輕量化及延展性與加工性，以銅底搭配鋁鰭片或銅熱管貫穿鋁鰭片做為設計，為目前市場上主流的高效率散熱方案。結構上，常見鰭片設計包含直立式鰭片(Straight Fin)、針狀/柱狀鰭片(Pin Fin)、喇叭狀鰭片(Flared Fin)結構等，藉由增減少風阻、提高對流量，以提升整體散熱效率，其結構圖如圖十二所示。
圖十二、(a)直立式鰭片；(b)針狀/柱狀鰭片；(c)喇叭狀鰭片
工研院材化所熱介面材料開發現況
工研院材化所投入熱介面材料開發已持續多年，致力於開發先進電子構裝材料的自主化發展。材化所研發團隊整合了跨領域的材料化學與構裝物理核心技術，成功開發出兼具高導熱、高絕緣、低應力與高可靠度等熱介面材料解決方案。從環氧樹脂、矽樹脂結構合成及設計、無機金屬與絕緣粉體表面處理、多峰粒徑集配、高剪切混合分散的完整熱介面材料技術開發平台，橫向開發出一系列涵蓋晶片層、基板層、介面層的全方位熱管理材料解決方案，如圖十三所示。
圖十三、工研院材化所熱介面材料技術特點
開發成果包含：導熱塗料、薄型化導熱墊片、IMS基板（導熱係數：11.5 W/m·K、破壞電壓：50 kV/mm）、導熱膏（熱阻抗：0.083˚C × cm2/W、導熱係數：9.90 W/m·K)、無壓黏晶材料（導熱係數：130 W/m·K、接著強度：86.7MPa）、導熱凝膠（儲存模數：1.08 GPa、導熱係數：35.50 W/m·K）等多項不同應用需求之熱介面材料。根據材化所測試，其開發材料技術規格如圖十四所示 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十四、工研院材化所熱介面材料產品開發現況及技術規格
★本文節錄自《工業材料雜誌》476期，更多資料請見下方附檔。