La puissance de calcul connaît une croissance fulgurante sur les marchés des systèmes haute performance, tels que l’IA, les centres de données, le calcul haute performance (HPC) et l’électronique de puissance automobile. À mesure que les appareils repoussent les limites de la performance, la gestion de la chaleur devient un enjeu crucial. Les matériaux d’interface thermique (TIM) jouent un rôle central dans ce domaine, garantissant fiabilité, efficacité et longévité. Alors que les TIM polymères atteignent presque leurs limites en termes de performances, les TIM à base de soudure, également appelés sTIM, sont désormais la solution privilégiée pour une dissipation thermique optimale.
Le TIM1 et le TIM1.5 sont deux interfaces fondamentales dans le domaine de l'encapsulation électronique avancée. Le TIM1 est utilisé au niveau de la puce, directement entre la puce et le couvercle ou le dissipateur thermique lors de l'assemblage du composant. Le TIM1.5, bien qu'il contribue également à la dissipation thermique au niveau de la puce, est appliqué ultérieurement au niveau de la carte, entre le composant encapsulé et le refroidisseur ou la plaque froide.
Pour exploiter pleinement le potentiel de la nouvelle génération de dispositifs, il est essentiel de comprendre leurs rôles spécifiques et les défis techniques particuliers qu’ils posent. Nous allons ici examiner leurs principales différences, les facteurs technologiques qui les sous-tendent et les meilleures pratiques pour intégrer ces matériaux dans des assemblages de pointe.
Comprendre les applications de TIM1 par rapport à celles de TIM1.5
Le matériau métallique le plus couramment utilisé pour les applications TIM1 et TIM1.5 dans les assemblages à haute densité de puissance est un TIM à base de soudure d'indium pur. Cela s'explique par sa conductivité thermique élevée et sa forte adhérence mécanique sur les grandes surfaces sujettes au gauchissement. Pour ces deux applications, un TIM à base de soudure nécessite une métallisation au dos de la puce de silicium ainsi que sur le dissipateur thermique ou le dissipateur de chaleur.
TIM1
Le TIM1 est le matériau d'interface thermique placé entre la puce semi-conductrice et le couvercle ou le dissipateur thermique lors de l'assemblage de la puce. Le TIM2 est ensuite placé au-dessus du couvercle, avec un dissipateur thermique. Voici quelques caractéristiques notables de la mise en œuvre du TIM à base de soudure :
- Grande surface de la matrice, pouvant parfois atteindre 50 à 100 mm de longueur et de largeur.
- La présence d'un profil de durcissement de l'adhésif du couvercle alors que le TIM de soudure se trouve encore dans l'empilement.
- Un processus de refusion géré avec précision, qui dépend du type de boîtier à couvercle (PGA, LGA, BGA, etc.).
- Il s'agit de l'application la plus courante des matériaux d'interface thermique (TIM) pour la soudure dans les domaines du calcul haute performance (HPC) et de l'intelligence artificielle (IA).
TIM1.5
Le TIM1.5 est utilisé entre le boîtier fini et le dissipateur thermique ou la plaque de refroidissement lors de l'assemblage au niveau de la carte. Il favorise également la dissipation thermique au niveau de la puce, mais est appliqué plus tard dans le processus de fabrication, faisant ainsi le lien entre le boîtier et la solution de refroidissement au niveau du système. Les éléments à prendre en compte pour la mise en œuvre du TIM1.5 sont les suivants :
- Des performances thermiques théoriquement supérieures grâce à un nombre réduit d'interfaces que la chaleur doit traverser.
- Le processus final d'assemblage par refusion. Les faibles températures de refusion n'ont aucun impact sur les composants SMT déjà présents sur la carte mère.
- La nécessité de mettre en place des contrôles de processus rigoureux pour s'adapter à la déformation des puces, éviter l'inclinaison de la ligne de soudure et limiter la formation de vides.
Fondamentalement, le TIM1 est conçu pour garantir la précision de fabrication et la fiabilité au niveau des puces, tandis que le TIM1.5 est conçu pour offrir une évolutivité et un assemblage robuste à plus grande échelle.
Facteurs technologiques déterminants dans les applications TIM1
Le TIM1 joue un rôle essentiel dans la dissipation thermique au niveau des puces. Il est primordial d’obtenir la résistance thermique la plus faible possible tout en garantissant une fiabilité à long terme. Trois facteurs techniques principaux déterminent les applications du TIM1 :
- Réduction de la résistance thermique (Rth) : une valeur de Rth plus faible se traduit par une élévation de température moindre pour une charge électrique donnée, ce qui permet de maintenir les températures de jonction à un niveau bas et d'optimiser les performances.
- Lignes de collage plus fines et plus uniformes : les lignes de collage fines permettent non seulement de réduire la résistance thermique, mais aussi d'améliorer l'uniformité, ce qui contribue à réduire les vides et à éviter les problèmes mécaniques tels que l'expulsion du TIM.
- Gestion des variations d'épaisseur des puces : les boîtiers intégrant plusieurs puces d'épaisseurs variables, le TIM1 doit compenser ces différences de manière fiable afin de garantir un contact thermique optimal sur l'ensemble des puces.
Un autre facteur essentiel est la réduction au minimum des vides. Même de faibles pourcentages de vides — des poches d’air qui isolent thermiquement et concentrent les contraintes mécaniques — peuvent entraîner une perte de performances et des défaillances liées à la fiabilité. Il est tout aussi important de maîtriser des phénomènes tels que la fissuration à chaud (microfissures lors de la solidification) et le défaut de mouillage (incapacité à mouiller toutes les surfaces), qui peuvent perturber la voie thermique cruciale entre la puce et le couvercle.
Facteurs technologiques déterminants dans les applications TIM1.5
La complexité du TIM1.5 réside principalement dans son assemblage à grande échelle, sa robustesse mécanique et sa fiabilité à long terme sur le terrain.
Parmi les principaux facteurs, on peut citer :
- Contrôle de la coplanarité : les assemblages de grande taille sont souvent sujets à des différences de hauteur entre le couvercle, les puces et le dissipateur thermique. Ces variations entraînent une épaisseur irrégulière de la ligne de soudure, ce qui peut provoquer des points chauds et des problèmes de fiabilité.
- Robustesse du processus : la taille considérable des zones de collage TIM1.5 accentue l'importance des défauts mineurs. Des processus robustes et cohérents sont nécessaires pour obtenir des collages fiables et exempts de vides sur des surfaces irrégulières. Comme pour les applications TIM1, un Rth plus faible implique une élévation de température moindre pour une charge électrique donnée.
- Réparabilité : le TIM1.5 est souvent utilisé dans des modules haut de gamme et coûteux. Les réparations et les réglages sont plus faciles à réaliser à ce niveau, ce qui permet de réduire les rebuts et les coûts globaux.
- Durée de vie : les ensembles TIM1.5 devraient avoir une durée de vie de 10 à 15 ans. Les pannes sont coûteuses et entraînent souvent des temps d’arrêt et une perte de chiffre d’affaires ; la fiabilité et la résilience en conditions de contrainte sont donc primordiales.
Le paysage de l'assemblage des gènes TIM1 et TIM1.5
Bien que leurs objectifs diffèrent, ces deux interfaces nécessitent une gestion rigoureuse des processus.
Le processus d’assemblage TIM1 commence par la préparation de la plaquette et l’application d’une métallisation sur la face arrière. Après la séparation et le positionnement des puces, un TIM de soudure est déposé à la surface de la puce. Un adhésif est appliqué sur le pourtour du substrat. Le couvercle est aligné avec précision, puis l’ensemble est chauffé selon des conditions strictement contrôlées afin de créer une liaison uniforme et continue. Les cycles de chauffage dépendent de la conception spécifique de la puce, du choix de l’adhésif et de l’alliage du TIM de soudure. Un refroidissement lent et régulier empêche l’accumulation de contraintes et la formation de vides. Une inspection, souvent réalisée par analyse aux rayons X ou acoustique, garantit l’absence de défauts, car même des vides mineurs peuvent nuire considérablement à la dissipation thermique au niveau de la puce.
Dans le procédé TIM1.5, l’échelle et la robustesse sont primordiales. Les surfaces du substrat et des puces sont préparées avant l’application d’un TIM de soudure destiné à recouvrir l’ensemble des puces ou l’intégralité du couvercle. Des entretoises spécialisées permettent de maintenir la coplanarité lors de l’alignement avec le dissipateur thermique. Le procédé TIM1.5 constituant la dernière étape de l’assemblage par refusion, le contrôle de la température est essentiel, non seulement pour l’intégrité du joint de soudure TIM, mais aussi pour l’ensemble des composants SMT déjà présents sur la carte mère. Pour les soudures de grande surface, des technologies de refusion innovantes, telles que les systèmes sous vide et sous pression, peuvent contribuer à favoriser l’élimination des vides. L’inspection par rayons X permet de détecter la formation de vides, mais la microscopie acoustique à balayage (SAM) peut s’avérer incompatible selon l’architecture des ailettes du dissipateur thermique soudé. Généralement, l’assemblage complet de la carte est très coûteux à ce stade. Heureusement, le TIM1.5 peut faire l’objet d’une retouche grâce à l’absence de mastic d’étanchéité sur le couvercle dans l’empilement et à la grande ductilité de l’alliage TIM de soudure.
Conclusion
À mesure que les exigences en matière de puissance et de performances des appareils ne cessent de croître, il est plus important que jamais de comprendre les principales différences entre les procédés TIM1 et TIM1.5. Le TIM1 offre précision et résistance thermique ultra-faible au niveau de la puce, tandis que le TIM1.5 permet de mettre en œuvre des solutions fiables et évolutives pour les grandes surfaces et les modules à puces multiples. En maîtrisant les stratégies avancées de TIM pour la soudure dans les deux cas, les ingénieurs peuvent mieux gérer la chaleur, améliorer les performances et garantir la longévité des technologies de demain.
Envie d'en savoir plus ? Regardez notre webinaire de la série InSIDER intitulé «1 kW et au-delà : les TIM à base d'indium (sTIM) pour l'assemblage de puces nues », pour découvrir les dernières informations, les défis et les solutions en matière de conditionnement haute puissance.
