电子封装热管理先进材料PDF电子书下载

第1章 电子封装热管理基础与设计指南 1

1.1 热管理基本理论 1

1.1.1 集成电路工作的热源和热效应 2

1.1.2 热膨胀系数不同引起的热失效 3

1.1.3 热失效率 4

1.1.4 热管理面临的挑战和存在的普遍问题 4

1.2 不同封装层级的热管理总体现状 6

1.2.1 芯片级封装热管理 7

1.2.2 板卡级封装热管理 8

1.2.3 系统级封装热管理 10

1.3 热管理方案 10

1.3.1 硬件解决方案 11

1.3.2 软件解决方案和基于软件的动态热管理 13

1.3.3 优化的封装散热设计 15

1.4 电子封装中热传导和热计算的基本原理 17

1.4.1 热传导 17

1.4.2 热对流 19

1.4.3 辐射 20

1.4.4 电子封装中多种热传导状态 22

1.4.5 微尺度热传导 23

1.5 先进的电子封装热管理设计 24

1.5.1 热设计准则 24

1.5.2 热特性建模与模拟 26

1.5.3 实验验证 29

1.6 先进热管理的材料选择 29

1.6.1 界面连接材料 30

1.6.2 传热和散热的块体材料 30

1.6.3 材料和器件集成 31

1.7 热管理材料的环保性 33

1.7.1 RoHS条例 33

1.7.2 WEEE条例 34

1.8 结语 35

参考文献 36

第2章 热管理材料的表征方法 38

2.1 热性能及其测量技术 38

2.1.1 热传导和热扩散 38

2.1.2 热膨胀系数 44

2.1.3 比热容 45

2.1.4 抗热冲击 45

2.1.5 微纳米材料的热特性 47

2.2 电性能和测量技术 52

2.2.1 电导率和电阻率 52

2.2.2 介电常数及其表征 54

2.3 热力学表征 54

2.3.1 热感应应力和应变的表征技术 55

2.3.2 变形体的基本方程 58

2.3.3 本构行为 59

2.3.4 热力学分析 61

2.3.5 热力学失效 66

2.4 材料特性分析技术 68

2.4.1 光学显微镜 68

2.4.2 X射线衍射 69

2.4.3 扫描电子显微镜 71

2.4.4 透射电子显微镜 71

2.4.5 扫描声学显微镜 73

2.4.6 原子力显微镜 74

2.5 表面粗糙度要求和接触界面的兼容性 76

2.5.1 腐蚀和抗氧化保护 76

2.5.2 表层结构的可焊性 78

2.5.3 咬合循环周期和作业环境对接触表面处理层的影响 79

2.5.4 电化学腐蚀和接触界面的兼容性 79

2.6 可靠性分析和环境绩效评估 80

2.6.1 失效模式和机制 80

2.6.2 可靠性认证 81

参考文献 83

第3章 电子封装材料及其在热管理中的功能 85

3.1 电子封装中的材料选择 85

3.2 金属材料 86

3.2.1 单金属 86

3.2.2 金属基复合材料 89

3.3 陶瓷和半导体材料 91

3.4 电子玻璃 93

3.5 聚合物 95

3.5.1 热塑性塑料 95

3.5.2 热固性材料 98

3.5.3 弹性体 100

3.6 混合材料层压板 100

3.6.1 多层材料 100

3.6.2 金属层压材料 101

3.7 PCB材料 102

3.8 热界面材料 104

3.9 低导热性材料 106

3.10 先进导热性材料 106

参考文献 108

第4章 单片碳素材料和碳基复合材料 110

4.1 引言 110

4.2 天然石墨和工业石墨 113

4.3 热解石墨 115

4.4 碳石墨泡沫 117

4.4.1 制造工艺 117

4.4.2 热导率和热转化 119

4.5 热导碳纤维 120

4.6 金刚石 123

4.7 碳纳米管 126

4.8 石墨烯 129

4.9 碳-碳复合材料 129

4.10 结语 131

参考文献 131

第5章 聚合物基导热复合材料 133

5.1 引言 133

5.2 聚合物基体类型 134

5.3 导电高分子材料的增强相 137

5.4 导热高分子复合材料的设计与建模 139

5.4.1 理论模拟 140

5.4.2 计算机建模 142

5.4.3 渗流理论 144

5.5 聚合物基复合材料的一般制造和生产流程 145

5.6 热管理典型应用 148

5.6.1 聚合物碳纤维复合材料 148

5.6.2 聚合物-金属复合材料 149

5.6.3 聚合物-陶瓷复合材料 149

5.6.4 聚合物基纳米复合材料 151

5.7 结语 153

参考文献 154

第6章 高热导率金属基复合材料 156

6.1 引言 156

6.2 金属基复合材料的制备 157

6.2.1 固态法 157

6.2.2 液态法 160

6.2.3 原位制备方法 162

6.2.4 共沉积制备法 163

6.3 铝基复合材料 163

6.3.1 铝-硼复合材料 164

6.3.2 铝-石墨复合材料 164

6.3.3 铝-金刚石复合材料 165

6.3.4 铝-碳化硅复合材料 166

6.3.5 铝-硅复合材料 168

6.4 铜基复合材料 169

6.4.1 铜-石墨复合材料 169

6.4.2 铜-碳纳米纤维复合材料 171

6.4.3 铜-碳化硅复合材料和铜-金刚石复合材料 172

6.5 其他金属基复合材料 177

6.5.1 铍复合材料 178

6.5.2 银-金刚石复合材料 180

6.5.3 低热膨胀系数复合焊料 181

6.6 结语 182

参考文献 183

第7章 导热陶瓷基复合材料 185

7.1 引言 185

7.2 碳化硅基陶瓷复合材料的工艺现状 186

7.3 碳化硅-金刚石复合材料 189

7.4 碳化硅-碳复合材料 192

7.5 反应烧结碳化硅复合材料 194

7.6 铝增韧碳化硅 196

7.7 纳米陶瓷复合材料 197

7.8 陶瓷基复合材料的热防护系统 200

7.9 结语 202

参考文献 203

第8章 电子封装中的热界面材料 205

8.1 联合热导以及热界面材料的选择 205

8.1.1 联合热导 206

8.1.2 热界面材料的选择标准 207

8.2 金属热界面材料 211

8.2.1 回流焊焊料和焊线制程 212

8.2.2 非回流焊焊料和相变金属合金 214

8.2.3 复合焊料和混合金属热界面材料 217

8.2.4 金-金互连 226

8.3 有机热界面材料 228

8.3.1 导热弹性体材料 229

8.3.2 热油脂和化合物 231

8.3.3 相变材料 232

8.3.4 聚合物焊料混合材料 235

8.4 石墨基热界面材料 237

8.5 先进的热界面材料 238

8.5.1 纤维增强的热界面材料 238

8.5.2 基于纳米技术的热界面材料 241

8.6 热界面材料的选择和应用 245

8.6.1 商业热界面材料的选择和应用 245

8.6.2 未来的发展方向 248

8.7 结语 248

参考文献 250

第9章 先进散热片和空冷热沉有关的材料和设计 252

9.1 空气冷却概述 252

9.1.1 被动式空气冷却 253

9.1.2 主动式空气冷却 253

9.2 扩散和收缩热阻 255

9.3 散热片的类型和材料的选择 259

9.3.1 介电散热材料 260

9.3.2 金属和复合散热材料 263

9.3.3 石墨散热器 263

9.3.4 先进散热器 265

9.4 空气冷却热沉 266

9.4.1 气流类型热沉 266

9.4.2 热沉设计约束和设计参数 268

9.4.3 热沉材料选择和制作工艺 273

9.5 纳米增强热沉和复杂散热沉 278

9.6 结语 281

参考文献 283

第10章 液体冷却器件及材料选择 284

10.1 简介 284

10.2 直接浸入式液体冷却 285

10.2.1 直接浸入式液体冷却简介 286

10.2.2 液体射流冲击冷却 290

10.2.3 喷雾冷却 293

10.3 间接浸入式液体冷却 295

10.4 热管冷却 298

10.4.1 热管冷却的基本原则 299

10.4.2 热管的设计及其类型 300

10.4.3 热量传递能力的限制 304

10.4.4 电子冷却热管的应用 305

10.5 制冷冷却 307

10.6 相变传热的高热通量冷却 311

10.6.1 液池沸腾增强 311

10.6.2 强制对流增强 313

10.6.3 嵌入式液滴撞击的集成电子冷却 314

10.7 结语 316

参考文献 318

第11章 热电材料的热电冷却 321

11.1 引言 321

11.2 热电效应 323

11.2.1 塞贝克效应 324

11.2.2 珀尔帖效应 324

11.2.3 汤姆逊效应 325

11.2.4 热电效应在热电制冷中的应用 326

11.3 热电制冷器件的设计和结构 327

11.3.1 设计方法 327

11.3.2 多级架构 331

11.4 热电材料的研究和未来发展趋势 332

11.4.1 热电材料的费米能级 333

11.4.2 热电材料的优化准则 334

11.4.3 块体热电材料 337

11.4.4 低维热电材料 343

11.4.5 热电纳米复合材料 345

11.5 结语 349

参考文献 350

第12章 先进热管理材料的开发和应用 353

12.1 材料开发规程和方法 353

12.1.1 建立应用目标和材料要求 353

12.1.2 成本和性能最佳平衡条件下的材料选择 356

12.1.3 热建模和设计方法论 356

12.1.4 原型制造和实验验证 360

12.1.5 生产安排和质量保证 361

12.2 热管理用智能复合材料和多功能材料 363

12.3 具有增强电磁干扰的屏蔽和吸收性能的热管理材料 364

12.3.1 热沉的EMI最小化 365

12.3.2 板卡级屏蔽和散热的结合 365

12.3.3 热导EMI吸收材料 366

12.3.4 EMI屏蔽的导热金属化塑料外壳 368

12.4 计算机设计中的热管理应用 368

12.4.1 电源管理和性能优化设计基准 369

12.4.2 封装热级解决方案 370

12.4.3 系统级解决方案 373

12.5 发光二极管封装中的热管理应用 374

12.5.1 LED系统的热特性 375

12.5.2 高效散热LED的设计指南 377

12.5.3 热管理方案和LED的挑战 380

12.6 可持续能源发电中的热管理应用 381

12.6.1 电池热管理 381

12.6.2 燃料电池热管理 382

12.6.3 太阳能电池的封装热管理 384

12.7 热管理的发展前景与趋势 385

12.7.1 电热和多物理场协同设计及软件解决方案 385

12.7.2 高热流热管理的进展和未来趋势 388

12.7.3 新一代军事、航天、汽车和恶劣环境下的电子系统的热挑战 390

12.8 结语 392

参考文献 393

附录 电子工业热管理评价标准和规范 396

附录A 热分析标准 396

附录B 寿命和可靠性评估标准 401

附录C 可燃性和毒性测试标准 408