Le mot "fluage" n'est pas quelque chose qu'un ingénieur souhaite entendre lorsqu'il conçoit un MIT métallique dans son empilement de diodes laser. Mais le fluage est-il vraiment un problème, et comprenons-nous vraiment le fluage lorsque nous parlons d'indium ? La réponse est relative. Vous trouverez ci-joint un diagramme d'empilage que j'ai réalisé à partir d'un empilage de diodes typique. Il peut s'agir d'une application laser ou d'une application LED. La couche de fixation est généralement une soudure haute température ou un époxy chargé d'argent. L'indium peut-il être utilisé à ce niveau ? La réponse est oui, si et seulement si la température de la jonction est très éloignée du point de fusion de l'indium pur, qui est de 156°C. Les soudures souples sont justement souples, et dans les pièces matricées, certains clients ont utilisé l'indium à ce niveau, mais ce n'est pas aussi courant que d'autres soudures à température plus élevée comme AuSn, les alliages Sac ou SnAg. Les époxys chargés d'argent s'améliorent de plus en plus, mais leur conductivité et leur processus posent des problèmes. Lorsqu'une soudure est utilisée pour fixer la matrice, la matrice elle-même peut flotter ou se déplacer pendant la refusion. Dans ce cas, un mécanisme peut être utilisé pour le maintenir en place pendant la refusion afin de s'assurer que son alignement est parfait. Pour répondre à la question, la brasure peut être utilisée comme attachement de matrice dans cette application, mais l'alliage choisi déterminera réellement l'efficacité et la fiabilité de l'attachement.
Dans le cas du TIM2 (matériau d'interface thermique de niveau 2), il y a quelques considérations supplémentaires à prendre en compte. Supposons tout d'abord que nous allons refondre à ce niveau. Le cuivre au niveau du diffuseur de chaleur ne posera pas de problème, mais le nickel au niveau du diffuseur/de l'évaporateur en posera un. L'aluminium posera également un problème à ce niveau. Le problème est que ces matériaux sont difficiles à souder, mais c'est possible. Un flux à haute activité tel que le RSA d'Indium ou le flux numéro 3 peut être utilisé pour briser la couche d'oxyde qui sera présente. Toutefois, une couche d'or sur la surface permettra d'assurer l'efficacité de la soudure. Indium recommande de ne pas dépasser 50 micro-pouces d'or, et recommande que plus la couche est fine, mieux c'est, en général 10 micro-pouces suffisent. L'indium, en tant qu'élément, dissout l'or ou, comme on le sait, l'or se diffuse dans l'indium. Pendant la soudure, une couche intermétallique indium/or se forme. Il s'agit d'une couche fragile qui, si l'on utilise trop d'or, peut entraîner des problèmes de fiabilité et des fissures dans le joint. Revenons donc à notre question initiale : pourquoi utiliser de l'indium à cet endroit et pouvez-vous utiliser de l'indium à cet endroit ? Il s'agit du domaine le plus courant où le fluage de l'indium peut poser problème. Le fluage peut toutefois être acceptable. L'indium ne fluera pas au point de sortir comme une pompe ou comme une pièce de théâtre. Le degré de fluage est lié à la pression exercée, c'est-à-dire au mouvement du CTE ou à la pression directe du serrage, ainsi qu'à la température à laquelle l'interface est soumise. Si la température de jonction est inférieure à 20 degrés du point de fusion et qu'un certain mouvement est permis, comme dans une application LED, c'est acceptable. Cependant, dans une application laser, Indium Corporation conseille généralement de ne pas utiliser de l'indium pur à ce niveau et de choisir plutôt un alliage tel que l'argent d'indium ou l'argent d'étain. Plus on ajoute d'argent à l'alliage, plus le matériau devient dur. Considérez ceci. L'indium pur a une conductivité de 86W/mk, un mp=156C Eutectique et une résistance à l'étain de 273 psi. Si l'on ajoute 3 % d'argent, le MP passe à 143 °C Eutectic, la conductivité descend à 73, mais la résistance du tinsel passe à 800 psi. Mieux encore, si l'on ajoute 10 % d'argent, le MP passe de 143 à 237, la conductivité baisse à 67 mais le tensil monte à 1650 psi. Enfin, le SnAg a un point de fusion de 221°C, une conductivité de 33 W/mk et une résistance à la traction de 5800 psi. Quelle est la meilleure solution pour votre application ? La réponse se trouve dans ce qui est acceptable pour vous, si le CTE est un problème, choisissez moins d'argent, si la température est un problème, ne cherchez pas d'indium, si la conductivité est un problème, cherchez de l'indium en grande quantité.
Lorsque l'on envisage un métal compressible au niveau du TIM2, la question qui se pose maintenant est celle de la pression, de la température de la jonction et de la planéité de la surface. Il est évident qu'avec une interface compressible, vous n'avez plus besoin d'or, et il n'y aura pas de problème avec l'indium en contact direct avec le nickel. Cependant, le cuivre et l'indium peuvent former un intermétallique avec le temps, mais la couche d'oxyde sur le cuivre empêche généralement ce phénomène de se produire. En fait, dans notre laboratoire thermique, nous n'avons constaté ce phénomène que lorsque nous avons cuit les modules pendant plus de 1000 heures à 125°C+. Même dans ce cas, le phénomène était nominal. Si vous ne pensez pas que vous allez retravailler l'interface 4 à 5 ans après sa construction, je dirais que cela ne posera pas de problème, et que cela améliorera même les performances thermiques et la fiabilité. Les retouches dans un délai de 1 à 2 ans ne posent pas de problème. Beaucoup de nos clients utilisent déjà l'indium à ce niveau en tant qu'interface compressible, mais peu d'entre eux savent qu'ils peuvent réellement améliorer les performances s'ils se convertissent en Heat-Spring ™. Le Heat-Spring est un procédé breveté qui nous permet de diminuer la résistance de contact du métal si la pression est d'au moins 50 psi. Cela permet à l'empilage d'utiliser une épaisseur de ligne de liaison plus fine et d'améliorer la performance thermique de l'interface thermique métallique. Qu'en est-il du fluage à cette interface ? Une fois encore, la modification de l'alliage peut éliminer ce risque, mais le passage d'une feuille d'indium plate standard à un ressort thermique réduira encore ces risques, car la ligne de liaison est généralement beaucoup moins épaisse avec un ressort thermique (en moyenne 0,003"). (En moyenne, environ 0,003").
En résumé, les éléments à prendre en compte lors de l'utilisation d'une interface thermique métallique ou d'une soudure par déformation sont les suivants :
- Quelle est la température de fonctionnement de l'interface ?
- Cette température est-elle trop proche du point de fusion de l'interface thermique métallique ?
- L'appareil peut-il supporter la température de refusion d'une soudure à température plus élevée telle que la soudure or-étain ou étain-argent
- La performance thermique de l'interface pose-t-elle un problème, de sorte que si vous modifiez la conductivité de l'interface thermique métallique en diminuant la teneur en indium, vous nuisez à la conductivité de l'ensemble de l'empilement ? Par exemple, en passant de 86w/mK à 67w/mK.
- Le fluage est-il vraiment un problème ? Si votre dispositif peut accepter un petit degré de mouvement, il n'est pas nécessaire d'utiliser de l'indium. Si même un léger mouvement pose un problème, suggérez un alliage d'indium et non de l'indium pur.
En fin de compte, Indium Corporation est là pour vous aider. Vous trouverez sur notre site Internet des informations complémentaires, notamment notre liste électronique d'alliages pour vous aider à choisir le meilleur matériau d'interface thermique métallique.
