레이저 다이오드 스택에 금속 TIM을 설계할 때 엔지니어가 크리프라는 단어를 듣고 싶지 않을 것입니다. 하지만 크립이 정말 문제가 될까요? 그리고 인듐에 대해 이야기할 때 크립을 정말로 이해할 수 있을까요? 답은 상대적입니다. 제가 일반적인 다이오드 스택으로 만든 스택업 다이어그램을 첨부합니다. 이것은 레이저 애플리케이션 또는 LED 애플리케이션일 수 있습니다. 다이 어태치 레이어는 일반적으로 고온 땜납 또는 은으로 채워진 에폭시입니다. 이 수준에서 인듐을 사용할 수 있나요? 접합부의 온도가 순수 인듐의 녹는점인 156°C에서 멀리 떨어져 있는 경우에만 가능하다는 것이 정답입니다. 소프트 솔더는 말 그대로 부드러운 솔더이며 다이 어태치먼트에서 일부 고객이 이 수준의 인듐을 사용하기도 하지만 AuSn, Sac 합금 또는 SnAg와 같은 다른 고온 솔더만큼 흔하지는 않습니다. 은으로 채워진 에폭시는 점점 더 좋아지고 있지만 전도성과 공정에 몇 가지 문제가 있습니다. 땜납을 다이 어태치먼트로 사용할 때 다이 자체가 리플로우 중에 뜨거나 움직일 수 있습니다. 이 경우 리플로우 중에 다이를 제자리에 고정하여 완벽한 정렬을 보장하기 위해 일종의 메커니즘을 사용할 수 있습니다. 따라서 질문에 답하자면, 땜납은 이 애플리케이션에서 다이 어태치먼트로 사용할 수 있지만 선택한 합금에 따라 얼마나 효과적이고 신뢰할 수 있는지가 결정됩니다.
TIM2(열 인터페이스 재료 레벨 2)의 경우 몇 가지 고려해야 할 사항이 더 있습니다. 먼저 이 레벨에서 리플로우한다고 가정해 보겠습니다. 히트 스프레더 레벨의 구리는 문제가 되지 않지만 스프레더/싱크 레벨의 니켈은 문제가 될 수 있습니다. 알루미늄도 여기서 문제가 될 것입니다. 문제는 이러한 소재는 납땜하기 어렵지만 납땜은 가능하다는 것입니다. 인듐 RSA 또는 플럭스 넘버 3과 같은 고활성 플럭스를 사용하여 존재할 산화물 층을 깨뜨릴 수 있습니다. 그러나 표면에 금 층이 있으면 납땜이 효과적으로 이루어질 수 있습니다. 인듐은 금의 두께가 50마이크로인치를 넘지 않도록 권장하며, 얇을수록 좋으며 보통 10마이크로인치가 적당합니다. 인듐 원소는 실제로 금을 녹이거나 금이 인듐으로 확산되는 것으로 알려져 있습니다. 납땜하는 동안 인듐/금 금속 간 금속이 형성됩니다. 이것은 깨지기 쉬운 층이며 금을 너무 많이 사용하면 신뢰성 문제와 조인트의 균열을 유발할 수 있습니다. 다시 원래 질문으로 돌아가서, 왜 여기에 인듐을 사용하고 인듐을 사용할 수 있을까요? 인듐의 크리프가 문제가 될 수 있는 가장 일반적인 영역입니다. 그러나 크리프는 허용될 수 있습니다. 인듐은 펌프 밖으로 나오거나 플레이 도우처럼 나올 정도로 크리프하지 않습니다. 크리프의 정도는 가해지는 압력, 즉 CTE의 움직임이나 클램핑으로 인한 직접적인 압력, 인터페이스가 보는 온도와 관련이 있습니다. 접합부 온도가 녹는점의 20도 미만이고 LED 애플리케이션과 같이 약간의 움직임이 허용되는 경우, 이는 허용됩니다. 그러나 레이저 응용 분야에서는 일반적으로 이 수준에서 순수 인듐을 사용하지 말고 인듐 실버 또는 주석 실버와 같은 합금을 선택할 것을 권장합니다. 합금에 은을 더 많이 첨가할수록 재료가 더 단단해집니다. 이것을 고려하세요. 순수 인듐의 전도도는 86W/mk, mp=156C 유텍틱, 틴셀 강도는 273psi입니다. 은을 3% 추가하면 MP는 143C 유텍틱으로, 전도도는 73으로 낮아지지만 틴셀은 800psi까지 올라갑니다. 더 좋은 방법은 은을 10% 추가하면 MP가 143에서 237로 플라스틱이 되고 전도도는 67로 낮아지지만 인장은 1650psi까지 올라갑니다. 그런 다음 녹는점이 221C이고 전도도가 33W/mk이며 인장력이 5800psi인 SnAg를 생각해 보세요. 애플리케이션에 가장 적합한 것은 무엇일까요? CTE가 문제라면 은 함량이 적은 것을, 온도가 문제라면 인듐이 없는 것을, 전도도가 문제라면 인듐 함량이 높은 것을 선택하면 됩니다.
TIM2 수준의 압축성 금속을 고려할 때, 이제 문제는 압력의 정도, 접합부의 온도, 표면의 평탄도입니다. 압축 가능한 인터페이스를 사용하면 더 이상 금이 필요하지 않으며, 니켈과 직접 접촉하는 인듐에도 문제가 없습니다. 그러나 구리와 인듐은 시간이 지남에 따라 금속 간 금속을 형성할 수 있지만 구리의 산화물 층은 일반적으로 이런 일이 발생하지 않도록 합니다. 실제로 열 실험실에서 실제로 모듈을 125°C 이상에서 1000시간 이상 구웠을 때만 이런 현상이 발생하는 것을 확인했습니다. 그때도 이 현상은 미미한 수준이었습니다. 건설 후 4~5년 후에 인터페이스를 재작업하지 않는다면 문제가 되지 않을 것이며, 오히려 열 성능과 신뢰성이 향상될 것이라고 말씀드리고 싶습니다. 1-2년 내 재작업은 문제가 되지 않을 것입니다. 많은 고객이 이미 이 수준의 인듐을 압축성 인터페이스로 사용하고 있지만 Heat-Spring ™으로 전환하면 실제로 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 알고 있는 고객은 거의 없습니다. 열 스프링은 압력이 50psi 이상인 경우 금속의 접촉 저항을 감소시킬 수 있는 특허받은 공정입니다. 이를 통해 더 얇은 본드 라인 두께를 사용하고 금속 열 인터페이스의 열 성능을 개선할 수 있습니다. 그렇다면 이 인터페이스의 크리프는 어떻게 될까요? 다시 한 번 합금을 변경하면 이런 일이 발생할 가능성을 없앨 수 있지만, 표준 인듐 플랫 포일에서 히트 스프링으로 전환하면 일반적으로 히트 스프링을 사용하면 본드 라인이 훨씬 줄어들기 때문에 이런 가능성이 더욱 줄어듭니다. (평균 약 0.003").
금속 열 인터페이스 또는 다이 접착 솔더를 사용할 때 고려해야 할 사항을 요약하면 다음과 같습니다:
- 인터페이스의 작동 온도는 얼마인가?
- 이 온도가 금속 열 인터페이스의 융점에 너무 가까운가?
- 장치가 금 주석 또는 주석 은과 같은 고온 솔더의 리플로 온도를 처리할 수 있는가
- 인듐 함량을 낮추어 금속 열 인터페이스의 전도도를 변경하면 전체 스택의 전도도가 저하되는 등 인터페이스의 열 성능이 문제가 되는가? 예를 들어 86w/mK에서 67w/mK로 변경하는 것이죠.
- 크리프가 정말 문제가 되나요? 기기가 약간의 움직임을 수용할 수 있다면 인듐을 사용하는 데 문제가 없습니다. 약간의 문제라도 발생한다면 순수 인듐이 아닌 인듐 합금을 사용하는 것이 좋습니다.
결국, 인디엄 코퍼레이션이 도와드리겠습니다. 최고의 금속 열 인터페이스 재료를 선택하는 데 도움이 되는 합금 전자 목록을 비롯한 추가 정보는 당사 웹사이트를 참조하시기 바랍니다.
