Leute,
Dr. Ron: In meinen nächsten Beiträgen möchte ich mit Jon Major, dem Produktmanager für metallische Wärmeleitmaterialien (TIMs) der Indium Corporation, über metallische TIMs sprechen. Jon, können Sie uns ein wenig über sich selbst erzählen: Ihren technischen Hintergrund, wie Sie zur Indium Corporation gekommen sind, wie Sie sich für TIMs interessiert haben usw.?
Jon: I’ve always been passionate about product development, engineering, materials, and manufacturing. I was fortunate enough to start my career in Silicon Valley, working with the brightest engineers on the planet; I had the opportunity to work on several groundbreaking products, such as the first iPad Air, the first cloud-based smartphone called the “Sidekick”, the first internet connected radio, and several other mobile devices, as well as an IoT platform for connected vehicles.
Jon: Thermal management was always considered at the design level, especially when dealing with consumer products. At Indium Corporation, I have the opportunity to dive deep, not only with the materials themselves, but how they perform with various surfaces, pressures, under varying warpage conditions, and how long they will survive under different use conditions. Our principal thermal engineer recently developed an in-house thermal test vehicle that provides the representative environment for examining performances of thermal interface materials. It’s rather fascinating! I was happy to be a part of a project that enables us to give our customers valuable data on how metal-based TIMs perform under varying conditions.
Dr. Ron: Jon, können Sie kurz erklären, warum Metall-TIMs benötigt werden und wie sie funktionieren?
Jon: As integrated circuit (IC) technology has advanced, the amount of heat generated by a high-performance IC is staggering, sometimes exceeding 1,000 watts when the IC is only slightly bigger than an inch (2.5 cm) on one side. The IC typically needs to operate at less than 100°C or its life will be too short. Without TIMs to conduct the heat away from the IC and to the heat-sink, this goal would be impossible.
(Abbildung 1 zeigt das Schema eines ICs mit zwei TIMs, die die Wärme zum Kühlkörper leiten).
Abbildung 1. TIM1 leitet die Wärme vom IC zum IC-Gehäusedeckel. TIM2 leitet die Wärme vom IC-Gehäusedeckel zum Kühlkörper.
Jon: In the past, polymeric (traditional) TIMs, gels, and other non-metal TIMs were used. In some applications, they are still used today. The most common was thermal grease, which has been used for many decades. Thermal grease has a carrier that is almost like Vaseline®. The carrier is loaded with conductive particles. The thermal grease is then applied where the metal TIMs are in Figure 1. Thermal grease has two shortcomings. One is that its thermal conductivity is not sufficient to meet higher-heat fluxes generated by high performance computing (HPC), AI, accelerated process unit (APU), and graphics processing unit (GPU) trends. The other is that the on/off cycles of electronics can cause “pump-out.” Pump-out occurs when the thermal grease is pumped-out from the space that it occupies to conduct heat away from the IC. With the thermal grease pumped out, it can no longer perform its function.
Jon: This is where metallic based TIMs come in. They can provide the lowest thermal resistance and be customized for package-specific needs. They also do not typically experience pump-out.
Jon: Mit der Weiterentwicklung von HPC sehen wir, dass die Kunden zusätzliche Herausforderungen aufgrund der Ausdünnung und des Verzugs der Chips, des thermischen Übersprechens (Wärme von benachbarten Komponenten) und verschiedener anderer Designprobleme haben. Die Nachfrage nach metallbasierten TIMs nimmt weiter zu, da sie viele dieser Probleme lösen und die für Anwendungen mit hoher Leistungsdichte erforderliche Leistung und Zuverlässigkeit bieten können.
Jon: Während der Hauptzweck eines TIM darin besteht, Wärme von einer heißen auf eine kalte Oberfläche zu übertragen, sind bei bestimmten Anwendungen auch andere Eigenschaften zu berücksichtigen (z. B. einfache Montage, Zuverlässigkeit, Nachhaltigkeit). Metallbasierte TIMs können als gelötete (reflowed), kompressible (non-reflowed), flüssigkeitsbasierte (liquid metal TIM) oder als Phasenwechsel-TIMs klassifiziert werden. Phasenwechsel-TIMs sind so konzipiert, dass sie bei Erreichen einer bestimmten Temperatur die Phase wechseln. Wir werden alle diese Metall-TIMs in zukünftigen Beiträgen behandeln.
Jon: Metallische TIMs haben den Vorteil, dass sie eine der höchsten Wärmeleitfähigkeiten unter den TIM-Materialien haben, aber es ist wichtig zu erkennen, dass die Wärmeleitfähigkeit allein nicht das einzige Kriterium für die Auswahl eines TIMs ist. Der thermische Kontaktwiderstand bzw. der Grenzflächenwiderstand dominiert in der Regel den Gesamtwärmewiderstand des TIM. Daher ist eine hohe Oberflächenbenetzung zur Minimierung des thermischen Kontaktwiderstands ein entscheidendes TIM-Leistungskriterium.
Dr. Ron: So wieich es verstehe, ist TIM1 normalerweise ein Löt-TIM. Können Sie erklären, wie sie funktionieren?
Jon: TIM1 is commonly referred to as the interface between the backside of a die and the underside of an integrated heat spreader (IHS) and component cap. A soldered TIM (sTIM) at this interface is the “Cadillac” of TIMs. Once reflowed, sTIMs form intermetallic bonds that provide low interfacial resistance. Coupled with the fact that metal-based TIMs have high bulk thermal conductivity, the sTIM provides very low overall thermal resistance. sTIMs also mechanically fasten the die and IHS together given there is an intermetallic compound (IMC) formed at the interface. Often, we are asked if the rigidity of the solder joint could cause problems during power cycling. With the proper alloy and process, the sTIM can provide the ductility necessary during the life of the package, so rigidity issues are not a concern.
Jon: There are many process considerations when selecting a sTIM. Indium Corporation has the experience and guidelines to help customers realize the benefits of sTIMs. One of the challenges in assembling TIM1s is voiding during reflow (see Figure 2). Voiding becomes worse after multiple reflows.
Abbildung 2. TIM1 befindet sich zwischen dem Chip (oder Die) und dem IHS.
Dr. Ron: Ich habe gehört, dass es einige Durchbrüche bei der Verringerung der Blasenentleerung gegeben hat, können Sie das erklären?
Jon: In der Vergangenheit wurden sTIMs hauptsächlich in LGA- oder PGA-Gehäusen verwendet. Diese Gehäuse wurden einmal reflowed, um das sTIM zu reflowen. Aufgrund der Vorteile, die sTIMs bieten, gibt es Bestrebungen, ein optimales sTIM-Material und einen Prozess für Gehäuse zu finden, die mehrere BGA-Reflow-Zyklen überstehen können, typischerweise mit einer Spitzentemperatur von 240-250 °C. Herkömmliche sTIM-Materialien weisen bei jedem nachfolgenden Reflow ein Porenwachstum auf, das zu einer schlechten thermischen Leistung führt.
(InAg-Legierungen zeigen im Vergleich zu reinem Indium eine deutliche Verbesserung bei der Verringerung des Porenwachstums bei nachfolgenden Rückflüssen. Siehe Abbildung 3.)
Abbildung 3. InAg TIM1s verringern die Blasenentleerung im Vergleich zu In TIM1s erheblich.
Jon: However, there are trade-offs to adding Ag to the solder joint. More Ag also means lower bulk thermal conductivity and a more rigid solder joint leading to reduced mechanical reliability. There is significant research underway to understand how different compositions of InAg wet to various surfaces and how they perform during reliability testing. High surface wetting, to minimize thermal contact resistance, is a critical TIM performance criterion. In addition, poor wetting can result in higher voiding, also leading to poor thermal performance. With the proper alloys selection, flux and process considerations sTIM can be adopted in Flip Chips BGA(FCBGA)style packages that will undergo multiple reflow cycles (see Figure 4).
Abbildung 4. InAg sTIMs sind eine gute Wahl für FCBGAs.
Leute,
Bleiben Sie dran für unseren nächsten Beitrag über mTIMS1.5!
Zum Wohl,
Dr. Ron
