Les gens,
Ron : Pour mes prochains billets, j'aimerais m'entretenir avec le chef de produit des matériaux d'interface thermique (MIT) métalliques d'Indium Corporation, Jon Major, au sujet des MIT métalliques. Jon, pouvez-vous nous parler un peu de vous, de votre formation technique, de la manière dont vous êtes entré en contact avec Indium Corporation, de la manière dont vous vous êtes intéressé aux MIT, etc.
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.
Ron : Jon, pouvez-vous nous expliquer brièvement pourquoi les MIT métalliques sont nécessaires et comment ils fonctionnent ?
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.
(La figure 1 montre le schéma d'un circuit intégré avec deux TIM pour conduire la chaleur vers le dissipateur thermique).
Figure 1. Le TIM1 conduit la chaleur du circuit intégré vers le couvercle de l'emballage du circuit intégré. TIM2 conduit la chaleur du couvercle de l'emballage du circuit intégré vers le dissipateur thermique.
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 : Avec les progrès du HPC, nous constatons que les clients sont confrontés à des défis supplémentaires en raison de l'amincissement et du gauchissement des matrices, de l'interaction thermique (chaleur des composants voisins) et de divers autres problèmes de conception. La demande de MIT à base de métal continue de croître car ils peuvent résoudre bon nombre de ces problèmes et fournir les performances et la fiabilité requises dans les applications à haute densité de puissance.
Jon : Si l'objectif premier d'un MIT est de faciliter le transfert de chaleur d'une surface chaude à une surface froide, il existe d'autres caractéristiques à prendre en compte dans certaines applications (par exemple, la facilité d'assemblage, la fiabilité, la durabilité). Les MIT à base de métal peuvent être classés comme soudés (refusionnés), compressibles (non refusionnés), à base de liquide (MIT à base de métal liquide) ou comme MIT à changement de phase. Les MIT à changement de phase sont conçus pour changer de phase lorsqu'une certaine température est atteinte. Nous aborderons tous ces MIT métalliques dans des articles ultérieurs.
Jon : Les MIT métalliques présentent l'avantage d'avoir une conductivité thermique globale parmi les plus élevées des matériaux MIT, mais il est important de reconnaître que la conductivité thermique globale n'est pas le seul critère de sélection d'un MIT. La résistance thermique de contact, ou résistance interfaciale, domine généralement la résistance thermique globale du MIT. Par conséquent, un mouillage de surface élevé, afin de minimiser la résistance thermique de contact, est un critère de performance critique pour les MIT.
Ron : Sij'ai bien compris, le TIM1 est généralement un TIM de soudure. Pouvez-vous nous expliquer comment ils fonctionnent ?
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.
Figure 2. Le TIM1 est placé entre la puce (ou le dé) et l'IHS.
Dr Ron : Je crois savoir qu'il y a eu des progrès dans la réduction de la miction, pouvez-vous expliquer ?
Jon : Historiquement, les sTIM étaient principalement utilisés dans des boîtiers de type LGA ou PGA. Ces boîtiers étaient refondus une fois pour refondre le sTIM. En raison des avantages offerts par les sTIM, on s'efforce de trouver un matériau sTIM optimal et un processus pour les boîtiers qui peuvent survivre à de multiples cycles de refusion BGA, généralement avec une température de pointe de 240-250°C. À chaque refusion, les matériaux sTIM traditionnels présentent une croissance des vides, ce qui se traduit par de mauvaises performances thermiques.
(Les alliages InAg montrent une amélioration significative par rapport à l'indium pur pour réduire la croissance des vides lors des reflux ultérieurs. Voir la figure 3).
Figure 3. Les InAg TIM1s réduisent significativement la miction par rapport aux In TIM1s.
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).
Figure 4. Les sTIM InAg s'adaptent bien aux FCBGA.
Les gens,
Restez à l'écoute pour notre prochain article sur mTIMS1.5 !
Santé,
Dr. Ron
