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: Ich habe mich schon immer leidenschaftlich für Produktentwicklung, Technik, Werkstoffe und Fertigung interessiert. Ich hatte das Glück, meine Karriere im Silicon Valley zu beginnen und dort mit den brillantesten Ingenieuren der Welt zusammenzuarbeiten. Ich hatte die Gelegenheit, an mehreren bahnbrechenden Produkten mitzuarbeiten, darunter das erste iPad Air, das erste cloudbasierte Smartphone namens „Sidekick“, das erste internetfähige Radio und verschiedene andere mobile Geräte sowie eine IoT-Plattform für vernetzte Fahrzeuge.
Jon: Das Wärmemanagement wurde schon immer bereits in der Konstruktionsphase berücksichtigt, insbesondere bei Konsumgütern. Bei der Indium Corporation habe ich die Möglichkeit, mich intensiv damit auseinanderzusetzen – nicht nur mit den Materialien selbst, sondern auch damit, wie sie sich auf verschiedenen Oberflächen und bei unterschiedlichem Druck sowie unter wechselnden Verformungsbedingungen verhalten und wie lange sie unter verschiedenen Einsatzbedingungen halten. Unser leitender Wärmeingenieur hat kürzlich ein firmeneigenes Thermotestgerät entwickelt, das eine repräsentative Umgebung für die Untersuchung der Leistungsfähigkeit von Wärmeleitmaterialien bietet. Das ist wirklich faszinierend! Ich habe mich sehr gefreut, an einem Projekt mitzuarbeiten, das es uns ermöglicht, unseren Kunden wertvolle Daten darüber zu liefern, wie sich metallbasierte Wärmeleitmaterialien unter unterschiedlichen Bedingungen verhalten.
Dr. Ron: Jon, können Sie kurz erklären, warum Metall-TIMs benötigt werden und wie sie funktionieren?
Jon: Mit dem Fortschritt der Technologie für integrierte Schaltkreise (ICs) ist die von einem Hochleistungs-IC erzeugte Wärme enorm – sie übersteigt manchmal 1.000 Watt, obwohl der IC an einer Seite nur etwas größer als ein Zoll (2,5 cm) ist. Der IC muss in der Regel bei Temperaturen unter 100 °C betrieben werden, da seine Lebensdauer sonst zu kurz wäre. Ohne Wärmeleitmaterialien (TIMs), die die Wärme vom IC zum Kühlkörper ableiten, wäre dieses Ziel unmöglich zu erreichen.
(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 der Vergangenheit wurden polymere (herkömmliche) Wärmeleitmaterialien (TIMs), Gele und andere nichtmetallische TIMs verwendet. In einigen Anwendungsbereichen kommen sie auch heute noch zum Einsatz. Am weitesten verbreitet war Wärmeleitpaste, die seit vielen Jahrzehnten verwendet wird. Wärmeleitpaste enthält einen Träger, der fast wieVaseline® ist. Der Träger ist mit leitfähigen Partikeln angereichert. Die Wärmeleitpaste wird dann an den Stellen aufgetragen, an denen sich in Abbildung 1 die metallischen TIMs befinden. Wärmeleitpaste weist zwei Nachteile auf. Zum einen reicht ihre Wärmeleitfähigkeit nicht aus, um die höheren Wärmeflüsse zu bewältigen, die durch Trends in den Bereichen Hochleistungsrechnen (HPC), KI, Accelerated Processing Units (APUs) und Grafikprozessoren (GPUs) erzeugt werden. Zum anderen können die Ein- und Ausschaltzyklen der Elektronik zu einem „Pump-out“ führen. Ein Pump-out tritt auf, wenn die Wärmeleitpaste aus dem Raum, den sie einnimmt, um die Wärme vom IC abzuleiten, herausgepumpt wird. Ist die Wärmeleitpaste einmal herausgepumpt, kann sie ihre Funktion nicht mehr erfüllen.
Jon: Hier kommen TIMs auf Metallbasis ins Spiel. Sie bieten den geringsten Wärmewiderstand und lassen sich an die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Bauform anpassen. Außerdem tritt bei ihnen in der Regel kein Pump-out auf.
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 wird gemeinhin als Schnittstelle zwischen der Rückseite eines Chips und der Unterseite eines integrierten Wärmeverteilers (IHS) sowie der Komponentenabdeckung bezeichnet. Ein gelötetes TIM (sTIM) an dieser Schnittstelle ist der „Cadillac“ unter den TIMs. Nach dem Reflow bilden sTIMs intermetallische Bindungen, die für einen geringen Grenzflächenwiderstand sorgen. In Verbindung mit der Tatsache, dass metallbasierte TIMs eine hohe thermische Leitfähigkeit im Volumen aufweisen, sorgt das sTIM für einen sehr geringen Gesamtwärmewiderstand. sTIMs verbinden den Chip und den IHS zudem mechanisch miteinander, da sich an der Grenzfläche eine intermetallische Verbindung (IMC) bildet. Oft werden wir gefragt, ob die Steifigkeit der Lötstelle bei Leistungszyklen Probleme verursachen könnte. Mit der richtigen Legierung und dem richtigen Verfahren kann das sTIM die während der Lebensdauer des Gehäuses erforderliche Duktilität gewährleisten, sodass Probleme hinsichtlich der Steifigkeit kein Grund zur Sorge sind.
Jon: Bei der Auswahl eines sTIM sind zahlreiche prozesstechnische Aspekte zu berücksichtigen. Die Indium Corporation verfügt über die nötige Erfahrung und die entsprechenden Richtlinien, um Kunden dabei zu unterstützen, die Vorteile von sTIMs voll auszuschöpfen. Eine der Herausforderungen bei der Montage von TIM1s ist die Hohlraumbildung während des Reflow-Lötvorgangs (siehe Abbildung 2). Die Hohlraumbildung verschlimmert sich nach mehreren Reflow-Lötvorgängen.
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: Die Zugabe von Silber zur Lötstelle bringt jedoch auch Nachteile mit sich. Ein höherer Silberanteil bedeutet zudem eine geringere thermische Leitfähigkeit im Material und eine steifere Lötstelle, was zu einer verminderten mechanischen Zuverlässigkeit führt. Derzeit laufen umfangreiche Forschungsarbeiten, um zu verstehen, wie sich verschiedene InAg-Zusammensetzungen auf unterschiedlichen Oberflächen verhalten und welche Leistung sie bei Zuverlässigkeitstests erbringen. Eine hohe Oberflächenbenetzung zur Minimierung des thermischen Kontaktwiderstands ist ein entscheidendes Leistungskriterium für thermisch leitfähige Materialien (TIM). Darüber hinaus kann eine schlechte Benetzung zu einer höheren Porenbildung führen, was ebenfalls eine schlechte thermische Leistung zur Folge hat. Mit der richtigen Auswahl der Legierungen sowie unter Berücksichtigung von Flussmittel und Prozessparametern können TIM in Flip-Chip-BGA-Gehäusen (FCBGA) eingesetzt werden, die mehreren Reflow-Zyklen unterzogen werden (siehe Abbildung 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
