Pessoal,
Dr. Ron: Nos meus próximos posts, gostaria de conversar com o Diretor de Produto de materiais de interface térmica (TIMs) metálicos da Indium Corporation, Jon Major, sobre TIMs metálicos. Jon, pode falar-nos um pouco sobre si; a sua formação técnica, como se ligou à Indium Corporation, como se interessou pelos TIMs, 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.
Dr. Ron: Jon, pode explicar brevemente porque é que os TIMs metálicos são necessários e como funcionam?
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.
(A Figura 1 mostra um esquema de um CI com dois TIMs para conduzir o calor para o dissipador de calor).
Figura 1. O TIM1 conduz o calor do CI para a tampa da embalagem do CI. O TIM2 conduz o calor da tampa da embalagem do CI para o dissipador de calor.
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: Com o avanço da HPC, vemos os clientes a enfrentarem desafios adicionais devido ao enfraquecimento e empenamento da matriz, à interação térmica (calor de componentes vizinhos) e a vários outros desafios de design. A procura de TIMs à base de metal continua a crescer, uma vez que estes podem resolver muitos destes desafios e proporcionar o desempenho e a fiabilidade necessários em aplicações de alta densidade de potência.
Jon: Embora o principal objetivo de um TIM seja ajudar a transferir calor de uma superfície quente para uma fria, existem outros atributos a considerar em determinadas aplicações (por exemplo, facilidade de montagem, fiabilidade, sustentabilidade). Os TIM à base de metal podem ser classificados como soldados (refluxo), compressíveis (não refluxo), à base de líquido (TIM de metal líquido) ou como TIM de mudança de fase. Os TIMs de mudança de fase são concebidos para mudar de fase quando é atingida uma determinada temperatura. Iremos abordar todos estes TIMs metálicos em publicações futuras.
Jon: Os TIM metálicos têm a vantagem de possuir algumas das mais elevadas condutividades térmicas globais dos materiais TIM, mas é importante reconhecer que a condutividade térmica global não é, por si só, o único critério para a seleção de um TIM. A resistência ao contacto térmico, ou resistência interfacial, domina normalmente a resistência térmica global do TIM. Por conseguinte, uma elevada humidificação da superfície, para minimizar a resistência térmica de contacto, é um critério crítico de desempenho do TIM.
Dr. Ron: Pelo quesei, o TIM1 é normalmente um TIM de soldadura. Pode explicar como é que eles funcionam?
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.
Figura 2. O TIM1 é colocado entre o chip (ou matriz) e o IHS.
Dr. Ron: Sei que tem havido alguns avanços na redução da micção, pode explicar-me?
Jon: Historicamente, os sTIMs eram utilizados principalmente em embalagens do tipo LGA ou PGA. Estas embalagens eram refundidas uma vez para refundir o sTIM. Devido às vantagens oferecidas pelos sTIMs, há esforços para encontrar um material sTIM ideal e um processo para embalagens que possam sobreviver a múltiplos ciclos de refusão BGA, normalmente com uma temperatura de pico de 240-250°C. Com cada refusão subsequente, os materiais sTIM tradicionais apresentam um crescimento de vazios que conduz a um fraco desempenho térmico.
(As ligas de InAg mostram uma melhoria significativa em comparação com o índio puro para reduzir o crescimento de vazios em refluxos subsequentes. Ver Figura 3).
Figura 3. Os TIM1s InAg reduzem significativamente a micção em comparação com os TIM1s In.
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).
Figura 4. Os sTIMs InAg adaptam-se bem aos FCBGAs.
Pessoal,
Fique atento à nossa próxima publicação sobre o mTIMS1.5!
Saúde,
Dr. Ron
