Leute,
Vor kurzem habe ich gemeinsam mit Jon Major den Beitrag „Metal TIMs 101: Kapitel 1“ veröffentlicht . Nun ist es Zeit für Kapitel 2!
Dr. Ron: Jon, was ist TIM1.5?
Jon: Mit TIM1.5 ist in der Regel die Schnittstelle zwischen einem „Bare Die“ (einem Chip ohne Gehäuse) und einem Kühlkörper oder einer Kühlplatte gemeint. Im Gegensatz zu TIM1 gibt es hier keinen Wärmeverteiler, sodass der Chip in direktem Kontakt mit der Kühllösung steht. Siehe Abbildung 1. Wir bezeichnen TIM1.5 als TIM auf Systemebene, da die CPU/GPU/ASIC bereits auf eine Leiterplatte gelötet ist und das TIM daher während der Systemmontage (manchmal auch als FATP (Final Assembly, Test and Pack) bezeichnet) aufgetragen wird. Die meisten TIM1.5-Gehäuse gelten als lidlose BGA-Gehäuse. Auch TIM2 ist in vielen Produkten ein TIM auf Systemebene.
Abbildung 1. Die Anwendung von TIM1, TIM2 und TIM1.5
Dr. Ron: Wann wird TIM1.5 verwendet?
Jon: Jede Schnittstelle in einem Wärmeleitstapel erhöht den Wärmewiderstand. Durch den Verzicht auf eine Abdeckung im Design wird der Gesamtwärmewiderstand zwischen dem Chip und der Kühllösung theoretisch verringert. Allerdings spielt das in einer TIM1.5-Anwendung verwendete Wärmeleitmaterial eine sehr wichtige Rolle für die Leistung des gesamten Wärmeleitstapels. Häufig werden Gehäuse, die in High-Performance-Computing-Anwendungen (HPC) wie GPUs, CPUs oder manchmal auch ASICs zum Einsatz kommen, ohne Deckel konstruiert, um den Wärmewiderstand zu minimieren; daher wird in diesem Fall ein TIM1.5-Material benötigt. Abbildung 2 zeigt ein TIM1.5, das vier integrierte Schaltkreise (IC-Chips) bedeckt und für die Befestigung des Kühlkörpers vorbereitet ist.
Abbildung 2. Ein TIM1.5, der vier IC-Würfel abdeckt und auf die Anbringung des Kühlkörpers wartet.
Dr. Ron: Was sind die Herausforderungen bei TIM1.5?
Jon: Der Hauptzweck eines Wärmeleitmittels (TIM) besteht darin, Luftspalten zwischen einer heißen Oberfläche, wie beispielsweise dem Halbleiterchip, und einer kalten Oberfläche, wie beispielsweise einem Kühlkörper, auszufüllen. Obwohl metallbasierte TIMs im Vergleich zu polymerbasierten TIMs eine sehr hohe Volumewärmeleitfähigkeit aufweisen, ist die Wärmeleitfähigkeit nicht das einzige Kriterium für die Auswahl eines TIMs; auch die Widerstände an den Grenzflächen des TIMs zum IC und zum Kühlkörper spielen eine wichtige Rolle. Daher ist es bei metallischen TIMs wichtig, eine Metalllösung mit geringem thermischen Schnittstellenwiderstand zu verwenden. Zudem muss man sich bewusst sein, dass ein TIM, das für einen bestimmten Gehäusetyp gut geeignet ist, für andere möglicherweise nicht ideal ist. Es ist ebenfalls entscheidend zu verstehen, wie das TIM bei der Systemmontage aufgetragen wird. In TIM1.5-Anwendungen kommen komprimierbare Metall-TIMs, gelötete TIMs sowie Flüssigmetall-TIMs zum Einsatz. Die Herausforderungen, bei deren Lösung wir unseren Kunden in TIM1.5-Anwendungen helfen, konzentrieren sich in erster Linie auf den Wärmewiderstand, die Oberflächenbenetzung, die Oberflächenebenheit, die Oberflächenrauheit, die Klemmkraft, die Reflow-Temperatur (bei gelöteten Verbindungen), Oberflächenmetallisierungen, Methoden zur Hohlraumprüfung, die Langzeitzuverlässigkeit sowie die Prozessimplementierung und -optimierung. Einige Kunden bevorzugen für TIM1.5 ein Löt-TIM, andere komprimierbare TIMs, und viele interessieren sich für Flüssigmetall-TIMs aufgrund ihrer geringen Klebefugenstärke (BLT), der hervorragenden Benetzung und des geringen Grenzflächenwiderstands.
Dr. Ron: Erzählen Sie uns etwas über komprimierbare Metall-TIMs, die in TIM1.5 verwendet werden.
Jon: Flache Metallfolien werden bereits seit mehreren Jahrzehnten als komprimierbares TIM eingesetzt. In der Regel handelt es sich dabei um Indium- oder Kupferfolien, die unter anderem in der Telekommunikation, im Militärbereich oder in der Hochfrequenztechnik zum Einsatz kommen. Im Jahr 2008 patentierte die Indium Corporation eine strukturierte Metallfolie namens„Heat-Spring®“, die mittlerweile eine Produktfamilie verschiedener Legierungen und Strukturtypen umfasst, die für eine Vielzahl von Hochleistungsanwendungen entwickelt wurden, darunter TIM1.5, TIM2, Burn-in, großflächige Grundplatten bis hin zu Kühlplatten für Hochleistungsanwendungen wie IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) und SiC-Gehäuse sowie Anwendungen im Bereich der Tauchkühlung. Das strukturierte Metall trägt zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit an der Schnittstelle bei, indem es Lufteinschlüsse zwischen dem TIM und dem Kühlkörper sowie zwischen dem TIM und dem IC beseitigt. Eine gute Wärmeleitfähigkeit an der Schnittstelle ist ein entscheidendes Leistungskriterium für ein komprimierbares metallisches TIM.
Heat-Spring® ist ein Wärmeleitmaterial aus einer Weichmetalllegierung (SMA-TIM). Es handelt sich um ein nicht rückfließendes, komprimierbares TIM, das sehr einfach aufzubringen ist, da es strukturiert ist. Im Vergleich zu flachen Metallfolien bietet es eine größere Nachgiebigkeit gegenüber den Oberflächen von Chip und Kühlkörper. Der Druck konzentriert sich auf kleine Kontaktbereiche im Muster, was zu einer plastischen Verformung führt und den Kontakt verbessert, wodurch der Wärmewiderstand im Laufe der Zeit verringert wird. Wenn Heat-Spring® zwischen zwei Oberflächen komprimiert wird, bietet es einen extrem niedrigen Wärmewiderstand, selbst wenn diese Oberflächen verzogen, rau oder nicht koplanar sind. Bei Verwendung als TIM1.5 bietet Heat-Spring® eine metallbasierte TIM-Lösung ohne komplizierte und kostspielige Reflow-Prozesse auf Systemebene.
Wir haben kürzlich ein innovatives neues Muster namens „HSx“ entwickelt, das auf einer neuen Fertigungstechnik basiert und eine höhere Nachgiebigkeit bei gekrümmten oder stärker verzogenen Formen (>150 μm Verzug) bietet. Zudem zeichnet es sich im Vergleich zu unseren aktuellen Mustern (HSD und HSHP (High Profile)) durch einen extrem niedrigen Wärmewiderstand bei geringerem Druck (30 psi) aus. Siehe Abbildung 3.
Abbildung 3. Die verschiedenen Heat-Spring®-Muster.
Die Leistungsfähigkeitvon Heat-Spring® verbessert sich mit der Zeit und durch Temperaturwechselbeanspruchung, was als „Einbrennphase“ bezeichnet wird. HSx weist eine besonders kurze Einbrennphase auf, und die Leistung verbessert sich durch Temperaturwechselbeanspruchung. Siehe Abbildung 4.
Abbildung 4. Ein- und Ausschalten von HSx, 0–600 Watt über 35.000 Zyklen. Tj nimmt mit der Zeit ab und stabilisiert sich, wie oben zu sehen ist.
Angesichts der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) von Substrat und Siliziumchip stellen Verformungen für Kunden nach wie vor eine große Herausforderung dar. Daher haben wir das neue Muster unter Berücksichtigung dieser Verformungen entwickelt. Da keine Rückseitenmetallisierung erforderlich ist, eignet sich HSx ideal als TIM1.5-Lösung für Anwendungen, bei denen eine Klemmkraft von mindestens 30 psi zur Verfügung steht.
Dr. Ron: Warum nicht Thermofett verwenden? Das scheint gut gegen Verzug zu wirken, und es gibt es schon seit langem.
Jon: Für manche Anwendungen ist Wärmeleitpaste ein vollkommen geeignetes Wärmeleitmaterial (TIM), solange die Leistungsdichte gering ist. Bei solchen Anwendungen mit geringer Leistungsdichte funktioniert Wärmeleitpaste oft einwandfrei, doch besteht stets die Gefahr eines „Pump-out“-Effekts, der auftritt, wenn Temperaturwechsel und unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) dazu führen, dass die Wärmeleitpaste aus der TIM-Schnittstelle herausgepumpt wird, was häufig zu einem thermischen Ausfall führt. Feste Metall-Wärmeleitmittel sind hingegen nicht anfällig für diesen Ausfallmodus und eignen sich ideal für Komponenten mit hoher Leistungsdichte.
Dr. Ron: Aus Abbildung 5 geht hervor, dass Kupfer einen geringeren Wärmewiderstand hat. Warum also nicht Kupfer verwenden?
Abbildung 5. Wärmewiderstand repräsentativer Materialien im Vergleich zur Dicke der Klebestelle (BLT)
Jon: Obwohl Kupfer eine beeindruckende thermische Leitfähigkeit von fast 400 W/mK aufweist, ist es zu hart und zu unflexibel, um als Wärmeleitpaste direkt auf einen Chip aufgetragen zu werden. Es ist nicht möglich, genügend Druck auszuüben, um Kupfer plastisch zu verformen und Luftspalten zu füllen, ohne den Chip dabei zu zerdrücken. Die Herausforderung bei Kupfer-Wärmeleitpasten wird in Abbildung 6 verdeutlicht. Beachten Sie den hohen thermischen Widerstand von Kupfer bei großen Luftspalten in Abhängigkeit vom Druck im Vergleich zu Indium. Abbildung 5 zeigt zudem den sehr hohen Wärmewiderstand von Wärmeleitpaste.
Abbildung 6. Wärmespaltwiderstand von repräsentativen Metallen in Abhängigkeit vom Druck.
Dr. Ron: Wie funktioniert Heat-Spring® bei der Immersionskühlung?
Jon:Heat-Spring® ist ein bewährtes Wärmeleitmaterial (TIM) sowohl für Direct-to-Chip-Anwendungen (DTC) als auch für Immersionskühlungsanwendungen. Es ist durchaus üblich, dassHeat-Spring® als TIM in Immersionssystemen eingesetzt wird. Im Gegensatz zu Wärmeleitpasten oder gängigen polymeren Phasenwechselmaterialien (PCMs) löst sichHeat-Spring®weder in herkömmlichen organischen oder fluorierten dielektrischen Immersionsflüssigkeiten auf noch verunreinigt es diese. Die Installation ist sowohl als TIM2 als auch als TIM1.5 einfach –Heat-Spring® wird einfach platziert und der Kühlkörper oder die Kühlplatte an der Baugruppe befestigt. Wir verfügen zudem über neue, innovative Methoden zum Aufbringenvon Heat-Spring®, die den Kontaktwiderstand weiter reduzieren. Wir freuen uns darauf, diese neuen Methoden in naher Zukunft der Industrie vorzustellen.
Dr. Ron: Sind Heizfedern recycelbar?
Jon: Ja! Heat-Spring®sauf Indiumbasis sind zu 100 % wiederverwertbar und haben einen enormen Nutzen für Nachhaltigkeitsprogramme. Anstatt Material auf eine Mülldeponie zu schicken, kaufen wir gebrauchtes Indium und viele andere Metalle zurück, die wiederverwendet werden können.
Dr. Ron: Jon, danke. Lassen Sie uns in naher Zukunft einige andere TIM-Lösungen für Herausforderungen im Wärmemanagement diskutieren
Jon: Darauf kannst du wetten!
