Amigos,
Hace poco publiqué «Metal TIMs 101: Capítulo 1» junto con Jon Major. ¡Ahora toca el Capítulo 2!
Dr. Ron: Jon, ¿qué es TIM1.5?
Jon: El término «TIM1.5» suele referirse a la interfaz entre un chip desnudo (un chip sin cubierta) y un disipador térmico o una placa fría. A diferencia del TIM1, no hay difusor térmico, por lo que el chip está en contacto directo con la solución de refrigeración. Véase la figura 1. Nos referimos al TIM1.5 como un TIM a nivel de sistema porque la CPU, la GPU o el ASIC ya están soldados a una placa de circuito impreso (PCB), por lo que el TIM se aplica durante el montaje del sistema (lo que a veces se denomina FATP, por sus siglas en inglés: «Final Assembly, Test and Pack», es decir, montaje final, prueba y embalaje). La mayoría de los paquetes TIM1.5 se consideran paquetes de tipo BGA sin cubierta. El TIM2 también es un TIM a nivel de sistema en muchos productos.
Figura 1. Aplicación de TIM1, TIM2 y TIM1.5
Dr. Ron: ¿Cuándo se utiliza TIM1.5?
Jon: Cada interfaz de una pila térmica añade resistencia térmica. Al eliminar la tapa en un diseño, se reduce, en teoría, la resistencia térmica total entre el chip y la solución de refrigeración. Sin embargo, el material de interfaz térmica utilizado en una aplicación TIM1.5 desempeña un papel muy importante en el rendimiento de la pila térmica en su conjunto. A menudo, los paquetes utilizados en aplicaciones de computación de alto rendimiento (HPC), como las GPU, las CPU o, en ocasiones, los ASIC, se diseñan sin tapa para minimizar la resistencia térmica, por lo que se necesita un material TIM1.5. La figura 2 muestra un TIM1.5 que cubre cuatro chips de circuitos integrados (IC) listos para la fijación del disipador térmico.
Figura 2. Un TIM1.5 cubriendo cuatro troqueles de CI a la espera de la aplicación del disipador de calor.
Dr. Ron: ¿Cuáles son los retos de TIM1.5?
Jon: El objetivo principal de un TIM es rellenar los huecos de aire entre una superficie caliente, como el chip semiconductor, y una superficie fría, como un disipador térmico. Aunque los TIM de base metálica tienen una conductividad térmica volumétrica muy alta en comparación con los TIM de base polimérica, la conductividad térmica no es el único criterio para seleccionar un TIM; también son importantes las resistencias en las interfaces del TIM con el circuito integrado y el disipador térmico. Por lo tanto, en el caso de los TIM metálicos, es importante disponer de una solución metálica con baja resistencia de interfaz térmica. Además, es importante comprender que un TIM que funciona bien para un tipo de encapsulado puede no ser el ideal para otros. También es fundamental comprender cómo se aplicará el TIM durante el montaje del sistema. En las aplicaciones TIM1.5 se utilizan TIM metálicos compresibles, TIM soldados y TIM de metal líquido. Los retos que ayudamos a resolver a los clientes en las aplicaciones TIM1.5 se centran principalmente en la resistencia térmica, la humectación de la superficie, la planitud de la superficie, la rugosidad de la superficie, la fuerza de sujeción, la temperatura de reflujo (en caso de soldadura), las metalizaciones superficiales, los métodos de inspección de huecos, la fiabilidad a largo plazo, así como en la implementación y optimización de los procesos. Algunos clientes prefieren utilizar un TIM de soldadura para TIM1.5, otros optan por TIM compresibles y muchos se interesan por los TIM de metal líquido debido a su reducido espesor de la línea de unión (BLT), su excelente humectación y su baja resistencia interfacial.
Dr. Ron: Háblenos de los TIM metálicos compresibles utilizados en TIM1.5.
Jon: Las láminas metálicas planas se llevan utilizando como material de interfaz térmica (TIM) compresible desde hace varias décadas. Por lo general, se trata de láminas de indio o cobre que se emplean en los sectores de las telecomunicaciones, el ámbito militar o las radiofrecuencias, entre otros. En 2008, Indium Corporation patentó una lámina metálica con patrón denominada«Heat-Spring®», que actualmente constituye una familia de diversas aleaciones y tipos de patrones diseñados para dar respuesta a una amplia variedad de aplicaciones de alto rendimiento, entre las que se incluyen TIM1.5, TIM2, pruebas de quemado, placas base de gran superficie y placas de refrigeración para aplicaciones de alta potencia como los IGBT (transistores bipolares de puerta aislada) y los paquetes de SiC, así como aplicaciones de refrigeración por inmersión. El metal con patrón ayuda a mejorar la conductividad de la interfaz térmica al eliminar las bolsas de aire entre el TIM y el disipador de calor, así como entre el TIM y el circuito integrado. Una buena conductividad de la interfaz térmica es un criterio de rendimiento fundamental para un TIM metálico compresible.
Heat-Spring® es un material de interfaz térmica de aleación metálica blanda (SMA-TIM). Se trata de un TIM compresible sin reflujo que es muy fácil de aplicar y, gracias a su patrón, ofrece una mayor compliancia con las superficies de la matriz y del disipador térmico en comparación con las láminas metálicas planas. Ofrece una mayor compliancia con las superficies de la matriz y del disipador térmico en comparación con las láminas metálicas planas. La presión se concentra en las pequeñas zonas de contacto del patrón, lo que provoca una deformación plástica y mejora el contacto, reduciendo la resistencia térmica con el paso del tiempo. Cuando se comprime entre dos superficies, Heat-Spring® proporciona una resistencia térmica ultrabaja incluso si esas superficies están alabeadas, son rugosas o no son coplanares. Cuando se utiliza como TIM1.5, Heat-Spring® proporciona una solución TIM basada en metal sin necesidad de complicados y costosos procesos de reflujo a nivel de sistema.
Recientemente hemos desarrollado un nuevo e innovador patrón denominado «HSx» que utiliza una nueva técnica de fabricación y ofrece una mayor flexibilidad para matrices combadas o con mayor deformación (>150 μm de deformación), además de proporcionar una resistencia térmica ultrabaja con menos presión (30 psi) en comparación con nuestros patrones actuales (HSD y HSHP [perfil alto]). Véase la figura 3.
Figura 3. Los distintos patrones de Heat-Spring®.
El rendimientode Heat-Spring® mejora con el tiempo y los ciclos térmicos, lo que se conoce como «rodaje». HSx tiene un periodo de rodaje especialmente corto y su rendimiento mejora con los ciclos térmicos. Véase la figura 4.
Figura 4. Ciclos de encendido y apagado del HSx, de 0 a 600 vatios durante 35 000 ciclos. La temperatura Tj se reduce con el tiempo y se estabiliza, tal y como se observa arriba.
Los clientes siguen considerando la deformación como un reto importante, dada la discrepancia en el coeficiente de expansión térmica (CTE) entre el sustrato y el chip de silicio. Por ello, hemos desarrollado este nuevo patrón teniendo en cuenta la deformación. Dado que no requiere metalización en la cara posterior, HSx es una opción ideal de TIM1.5 para aplicaciones en las que se dispone de una fuerza de sujeción de al menos 30 psi.
Dr. Ron: ¿Por qué no usar grasa térmica? Parece que se adapta bien al alabeo y existe desde hace mucho tiempo.
Jon: Para algunas aplicaciones, la pasta térmica es un material de interfaz térmica (TIM) perfectamente aceptable, siempre y cuando la potencia sea baja. En aplicaciones con una densidad de potencia tan baja, la pasta suele funcionar perfectamente, pero siempre existe el riesgo de «expulsión», que se produce cuando los ciclos térmicos y los desajustes en el coeficiente de expansión térmica (CTE) expulsan la pasta térmica de la interfaz del TIM, lo que a menudo provoca un fallo térmico. Los TIM metálicos sólidos, sin embargo, no están sujetos a este modo de fallo por expulsión y son ideales para componentes de alta densidad de potencia.
Dr. Ron: De la Figura 5, el cobre tiene menor resistencia térmica a granel. ¿Por qué no utilizar cobre?
Figura 5. Resistencia térmica de materiales representativos Resistencia térmica de materiales representativos en función del grosor de la línea de unión (BLT)
Jon: Aunque el cobre tiene una impresionante conductividad térmica volumétrica de casi 400 W/mK, es demasiado duro y poco flexible como para conectarlo directamente a un chip como material de interfaz térmica (TIM). No es posible aplicar la presión suficiente para deformar plásticamente el cobre y rellenar los huecos de aire sin aplastar el chip. El reto que plantean los TIM de cobre se puede observar en la figura 6. Obsérvese la elevada resistencia térmica del cobre en función de la presión, en comparación con el indio. La figura 5 muestra también la resistencia térmica muy elevada de la pasta térmica.
Figura 6. Resistencia térmica de metales representativos en función de la presión.
Dr. Ron: ¿Cómo funciona Heat-Spring® en la refrigeración por inmersión?
Jon:Heat-Spring® es un material de interfaz térmica (TIM) de eficacia probada tanto en aplicaciones de refrigeración directa al chip (DTC) como en las de refrigeración por inmersión. Es bastante habitual ver cómo se utilizaHeat-Spring® como TIM en sistemas de inmersión. A diferencia de las pastas térmicas o de los populares materiales poliméricos de cambio de fase (PCM),los productos Heat-Spring®no se disuelven ni contaminan los fluidos dieléctricos de inmersión orgánicos o fluorados estándar. Es fácil de instalar tanto como TIM2 como TIM1.5: basta con colocar elHeat-Spring® y fijar el disipador térmico o la placa de refrigeración al conjunto. También disponemos de nuevas y novedosas formas de aplicar elHeat-Spring®, lo que reduce aún más la resistencia de contacto. Esperamos poder presentar estos nuevos métodos al sector en un futuro próximo.
Dr. Ron: ¿Son reciclables los muelles térmicos?
Jon: ¡Sí! Los Heat-Spring®a base de indio son 100% recuperables y suponen una enorme ventaja para los programas de sostenibilidad. En lugar de enviar el material a un vertedero, compramos el indio usado y muchos otros metales que pueden volver a utilizarse.
Dr. Ron: Jon, gracias. Hablemos de otras soluciones TIM para los retos de la gestión térmica en un futuro próximo
Jon: ¡Claro que sí!
