三维空洞形态对焊料热界面材料热阻影响的计算研究综述

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三维空洞形态对焊料热界面材料热阻影响的计算研究综述（DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2018.07.002）

随着微电子封装技术向高密度、高功率、微型化方向发展，热管理成为芯片封装设计中的关键问题之一。焊料热界面材料（Solder Thermal Interface Materials, STIMs）因其优异的热传导性能，在芯片级封装（Chip Scale Packaging, CSP）中被广泛采用。然而，由于制造过程中的气体逸出、润湿性差等原因，STIM层中不可避免地会形成空洞，这些空洞显著降低了热传导效率，进而影响器件的热可靠性和使用寿命。

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一、研究背景与意义
传统研究多关注空洞对焊点力学性能和热疲劳寿命的影响，而对热阻本身的研究相对较少，尤其是在考虑空洞三维形态、空间分布及多尺度特征方面尚属空白。Michael I. Okereke 等人发表的论文《A computational investigation of the effect of three-dimensional void morphology on the thermal resistance of solder thermal interface》正是填补这一空白的重要尝试。

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二、研究方法与技术创新
本研究基于有限元方法（FEM），提出了两种高效的三维空洞生成算法，分别模拟圆柱形和球形空洞在STIM层中的随机分布与多尺度特征：

• MCRVEGen2D法：先生成二维平面内的随机圆形空洞分布，再通过拉伸形成三维圆柱形空洞。
• Voxel法：基于体素单元构建三维空间内随机分布的球形空洞，支持多尺度、多位置（内部/表面）空洞的精细建模。
  

这些方法避免了昂贵的X射线断层扫描（micro-CT）实验，可快速生成具有真实特征的三维空洞结构，适用于大规模数值模拟。

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三、模拟结果与关键发现1. 空洞形态对热阻的影响

• 在相同体积分数下，球形空洞比圆柱形空洞导致更高的热阻，尤其当空洞率超过15%或STIM层厚度大于80μm时，差异显著。
• 空洞越靠近界面或表面，其对热流的干扰越大，热阻上升越明显。
  

2. 数值模拟与解析模型的差异

• 传统解析模型基于一维热传导假设，低估了空洞对热阻的实际影响。
• 数值模拟揭示了热流路径的三维扭曲与热梯度重分布，强调了考虑真实空洞形态的重要性。
  

3. 空间随机性的影响

• 对于圆柱形空洞，随机分布比规则排列产生更高的热阻，说明理想化模型可能低估风险。
• 球形空洞对空间实现（即随机位置）更为敏感，不同实现间热阻波动更大，需更大样本以确保统计代表性。
  

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四、工程启示与未来展望本研究为微电子封装设计提供了更精确的热仿真工具，特别是在评估STIM层热性能时，必须考虑以下因素：

• 空洞的三维形状与尺寸分布；
• 空洞的空间位置（内部/表面/边缘）；
• STIM层厚度与空洞体积分数的耦合效应；
• 随机性对热阻预测的影响。
  

未来研究可进一步结合热-机械耦合模拟，引入如Anand粘塑性模型等材料模型，评估空洞在高温循环下的演化行为及其对器件长期可靠性的影响。此外，建议开展实验验证，结合micro-CT成像与热阻测试，建立实验-数值联合平台，实现对空洞影响的全面评估。

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五、结语
随着电子产品向更高功率密度和更小封装尺寸演进，空洞对热界面材料性能的影响不容忽视。本文所述的三维建模与数值模拟方法为理解和预测STIM层热行为提供了新思路，也为封装结构优化、可靠性设计及失效分析提供了理论依据和技术支撑。未来，结合多物理场模拟与机器学习技术，有望实现空洞形态的智能识别与热阻预测，为微电子行业带来更高效、更可靠的热管理解决方案。