MIT métalliques 101 : Chapitre 2

Les gens,

Il y a peu, j 'ai publié « Metal TIMs 101 : Chapitre 1 » en collaboration avec Jon Major. Voici maintenant le Chapitre 2 !

Dr Ron: Jon, qu'est-ce que TIM1.5 ?

Jon : Le TIM1.5 désigne généralement l’interface entre une puce nue (une puce sans capot) et un dissipateur thermique ou une plaque froide. Contrairement au TIM1, il n’y a pas de dissipateur thermique, et la puce est donc en contact direct avec la solution de refroidissement. Voir la figure 1. Nous qualifions le TIM1.5 de TIM au niveau du système, car le CPU/GPU/ASIC est déjà soudé sur un circuit imprimé ; le TIM est donc appliqué lors de l'assemblage du système (parfois appelé FATP, pour « Final Assembly, Test and Pack »). La plupart des boîtiers TIM1.5 sont considérés comme des boîtiers de type BGA sans capot. Le TIM2 est également un TIM au niveau du système dans de nombreux produits.

Figure 1. Application de TIM1, TIM2 et TIM1.5

Dr. Ron : Quand le TIM1.5 est-il utilisé ?

Jon : Chaque interface d’un empilement thermique ajoute une résistance thermique. En supprimant le capot dans une conception, la résistance thermique totale entre la puce et la solution de refroidissement est, en théorie, réduite. Cependant, le matériau d’interface thermique utilisé dans une application TIM1.5 joue un rôle très important dans les performances de l’empilement thermique global. Souvent, les boîtiers utilisés dans les applications de calcul haute performance (HPC), tels que les GPU, les CPU ou parfois les ASIC, sont conçus sans couvercle afin de minimiser la résistance thermique ; un matériau TIM1.5 est alors nécessaire. La figure 2 montre un TIM1.5 recouvrant quatre puces de circuits intégrés (CI) prêtes à être fixées au dissipateur thermique.

Figure 2. Un TIM1.5 couvrant quatre circuits intégrés en attente de l'application du dissipateur thermique.

Dr Ron : Quels sont les défis posés par TIM1.5 ?

Jon : L’objectif principal d’un TIM est de combler les espaces d’air entre une surface chaude, telle qu’une puce semi-conductrice, et une surface froide, telle qu’un dissipateur thermique. Bien que les TIM à base métallique présentent une conductivité thermique intrinsèque très élevée par rapport aux TIM à base polymère, la conductivité thermique n’est pas le seul critère de sélection d’un TIM ; les résistances aux interfaces entre le TIM, le circuit intégré et le dissipateur thermique sont également importantes. Ainsi, pour les TIM métalliques, il est important de disposer d’une solution métallique présentant une faible résistance d’interface thermique. De plus, il faut bien comprendre qu’un TIM qui fonctionne bien pour un type de boîtier donné peut ne pas être idéal pour d’autres. Il est également essentiel de comprendre comment le TIM sera appliqué lors de l’assemblage du système. On observe l’utilisation de TIM métalliques compressibles, de TIM à souder, ainsi que de TIM à métal liquide dans les applications TIM1.5. Les défis que nous aidons nos clients à relever dans les applications TIM1.5 concernent principalement la résistance thermique, le mouillage de surface, la planéité de surface, la rugosité de surface, la force de serrage, la température de refusion (en cas de soudure), les métallisations de surface, les méthodes d’inspection des vides, la fiabilité à long terme, ainsi que la mise en œuvre et l’optimisation des processus. Certains clients préfèrent utiliser un TIM à souder pour le TIM1.5, d’autres des TIM compressibles, et nombreux sont ceux qui s’intéressent aux TIM à métal liquide en raison de leur faible épaisseur de ligne de liaison (BLT), de leur excellent mouillage et de leur faible résistance interfaciale.

Ron : Parlez-nous des MIT métalliques compressibles utilisés dans TIM1.5.

Jon : Les feuilles métalliques plates sont utilisées comme TIM compressibles depuis plusieurs décennies. Il s’agit généralement de cales en indium ou en cuivre utilisées notamment dans les secteurs des télécommunications, de la défense ou des radiofréquences. En 2008, Indium Corporation a breveté une feuille métallique structurée appelée^{« Heat-Spring® »}, qui constitue désormais une gamme de divers alliages et types de structures conçus pour répondre à une variété d’applications hautes performances, notamment les TIM1.5, TIM2, les tests de vieillissement, les plaques de base de grande surface et les plaques de refroidissement pour des applications à haute puissance telles que les IGBT (transistors bipolaires à grille isolée) et les boîtiers SiC, ainsi que les applications de refroidissement par immersion. Le métal à motifs contribue à améliorer la conductivité de l’interface thermique en éliminant les poches d’air entre le TIM et le dissipateur thermique, ainsi qu’entre le TIM et le circuit intégré. Une bonne conductivité de l’interface thermique est un critère de performance essentiel pour un TIM métallique compressible.

^{Heat-Spring®} est un matériau d'interface thermique en alliage de métaux mous (SMA-TIM). Il s'agit d'un MIT compressible sans reflux, très facile à appliquer et à modeler. Il offre une plus grande souplesse aux surfaces de la matrice et du dissipateur thermique par rapport aux feuilles métalliques plates. La pression est concentrée sur de petites zones de contact dans le modèle, ce qui provoque une déformation plastique et améliore le contact, réduisant ainsi la résistance thermique au fil du temps. Lorsqu'il est comprimé entre deux surfaces, ^{Heat-Spring®} offre une résistance thermique extrêmement faible, même si ces surfaces sont déformées, rugueuses ou non coplanaires. Lorsqu'il est utilisé comme TIM1.5, ^{Heat-Spring®} offre une solution TIM à base de métal sans nécessiter de processus de refusion compliqués et coûteux au niveau du système.

Nous avons récemment mis au point un nouveau modèle innovant appelé « HSx », qui utilise une nouvelle technique de fabrication. Il offre une meilleure adaptabilité aux matrices courbées ou présentant un gauchissement important (> 150 μm de gauchissement) et présente également une résistance thermique ultra-faible avec une pression réduite (30 psi) par rapport à nos modèles actuels (HSD et HSHP (profil haut)). Voir la figure 3.

Figure 3. Les différents modèles ^{Heat-Spring®}.

La conformité^{du Heat-Spring®} s'améliore avec le temps et les cycles thermiques, un processus appelé « rodage ». Le HSx présente une période de rodage particulièrement courte et ses performances s'améliorent au fil des cycles thermiques. Voir la figure 4.

Figure 4. Cycles de mise sous tension et hors tension du HSx, de 0 à 600 watts, sur 35 000 cycles. La température Tj diminue avec le temps puis se stabilise, comme on le voit ci-dessus.

Les clients continuent de considérer le gauchissement comme un défi majeur, compte tenu de la différence de coefficient de dilatation thermique (CTE) entre le substrat et la puce en silicium. C’est pourquoi nous avons développé ce nouveau motif en tenant compte du gauchissement. Comme aucune métallisation au verso n’est nécessaire, le HSx constitue une option TIM1.5 idéale pour les applications où une force de serrage d’au moins 30 psi est disponible.

Ron : Pourquoi ne pas utiliser de la graisse thermique ? Il semblerait qu'elle gère bien les déformations et elle existe depuis longtemps.

Jon : Pour certaines applications, la pâte thermique constitue un TIM tout à fait acceptable, à condition que la puissance soit faible. Pour ces applications à faible densité de puissance, la pâte thermique fonctionne souvent très bien, mais il existe toujours un risque de « pompage », qui se produit lorsque les cycles thermiques et les incompatibilités de CTE provoquent l’expulsion de la pâte thermique hors de l’interface TIM, ce qui entraîne souvent une défaillance thermique. Les TIM métalliques solides, en revanche, ne sont pas sujets à ce mode de défaillance par « pompage » et conviennent parfaitement aux composants à haute densité de puissance.

Ron: D'après la figure 5, le cuivre présente une résistance thermique globale plus faible. Pourquoi ne pas utiliser le cuivre ?

Figure 5. Résistance thermique des matériaux représentatifs en fonction de l'épaisseur de la couche de liaison (BLT)

Jon : Bien que le cuivre présente une conductivité thermique volumique impressionnante de près de 400 W/mK, il est trop dur et trop rigide pour être utilisé directement comme TIM sur une puce. Il est impossible d’exercer une pression suffisante pour déformer plastiquement le cuivre afin de combler les interstices d’air sans écraser la puce. Le défi posé par les TIM à base de cuivre est illustré à la figure 6. Notez la résistance thermique élevée du cuivre en fonction de la pression, comparée à celle de l’indium. La figure 5 montre également la résistance thermique très élevée de la pâte thermique.

Figure 6. Résistance à l'écart thermique de métaux représentatifs en fonction de la pression.

Ron: Comment ^{Heat-Spring®} fonctionne-t-il dans le cadre du refroidissement par immersion ?

Jon:^{Heat-Spring®} est un TIM qui a fait ses preuves aussi bien dans les applications « direct-to-chip » (DTC) que dans celles de refroidissement par immersion. Il est assez courant de voir^{Heat-Spring®} utilisé comme TIM dans les systèmes à immersion. Contrairement aux pâtes thermiques ou aux matériaux à changement de phase (PCM) polymères courants,^{les Heat-Spring®}ne se dissolvent pas et ne contaminent pas les fluides d'immersion diélectriques organiques ou fluorés standard. Son installation est aisée, que ce soit en tant que TIM2 ou TIM1.5 : il suffit de placer le^{Heat-Spring®} et de fixer le dissipateur thermique ou la plaque froide à l'ensemble. Nous disposons également de nouvelles méthodes innovantes pour appliquer le^{Heat-Spring®}, qui réduisent encore davantage la résistance de contact. Nous sommes impatients de présenter ces nouvelles méthodes à l'industrie dans un avenir proche.

Dr. Ron : Les ressorts thermiques sont-ils recyclables ?

Jon: Oui ! Les ^{Heat-Spring®}à base d'indium sont récupérables à 100 % et présentent un énorme avantage pour les programmes de développement durable. Plutôt que d'envoyer les matériaux à la décharge, nous rachetons l'indium usagé et de nombreux autres métaux qui peuvent être réutilisés.

Dr Ron : Jon, merci. Discutons d'autres solutions TIM pour relever les défis de la gestion thermique dans un avenir proche

Jon : Et comment !