Gente,
Dr. Ron: Per i prossimi post, vorrei chiacchierare con Jon Major, Product Manager di Indium Corporation per i materiali di interfaccia termica (TIM) in metallo, a proposito dei TIM in metallo. Jon, puoi parlarci un po' di te, del tuo background tecnico, di come sei entrato in contatto con Indium Corporation, di come ti sei interessato ai TIM e così via?
Jon: Ho sempre nutrito una grande passione per lo sviluppo dei prodotti, l’ingegneria, i materiali e la produzione. Ho avuto la fortuna di iniziare la mia carriera nella Silicon Valley, lavorando con gli ingegneri più brillanti del pianeta; ho avuto l’opportunità di lavorare a diversi prodotti rivoluzionari, come il primo iPad Air, il primo smartphone basato sul cloud chiamato “Sidekick”, la prima radio connessa a Internet e numerosi altri dispositivi mobili, oltre a una piattaforma IoT per veicoli connessi.
Jon: La gestione termica è sempre stata presa in considerazione in fase di progettazione, soprattutto quando si tratta di prodotti di consumo. Alla Indium Corporation ho l’opportunità di approfondire non solo i materiali in sé, ma anche il loro comportamento a contatto con diverse superfici, a diverse pressioni, in condizioni di deformazione variabili, e la loro durata in diverse condizioni d’uso. Il nostro ingegnere termico capo ha recentemente sviluppato un banco di prova termico interno che offre un ambiente rappresentativo per esaminare le prestazioni dei materiali di interfaccia termica. È davvero affascinante! Sono stato felice di far parte di un progetto che ci permette di fornire ai nostri clienti dati preziosi sulle prestazioni dei TIM a base metallica in condizioni variabili.
Dr. Ron: Jon, puoi spiegare brevemente perché i TIM metallici sono necessari e come funzionano?
Jon: Con l’evolversi della tecnologia dei circuiti integrati (IC), la quantità di calore generata da un circuito integrato ad alte prestazioni è sbalorditiva, superando talvolta i 1.000 watt quando il circuito integrato misura solo poco più di un pollice (2,5 cm) su un lato. In genere, l’IC deve funzionare a una temperatura inferiore a 100 °C, altrimenti la sua durata sarà troppo breve. Senza i TIM (materiali termoconduttivi) che dissipano il calore dall’IC verso il dissipatore, questo obiettivo sarebbe impossibile da raggiungere.
(La Figura 1 mostra uno schema di un circuito integrato con due TIM che conducono il calore al dissipatore).
Figura 1. TIM1 conduce il calore dal circuito integrato al coperchio del pacchetto IC. TIM2 conduce il calore dal coperchio del pacchetto IC al dissipatore di calore.
Jon: In passato venivano utilizzati TIM polimerici (tradizionali), gel e altri TIM non metallici. In alcune applicazioni, vengono utilizzati ancora oggi. Il più comune era il grasso termico, in uso da molti decenni. Il grasso termico ha un veicolo quasi similealla Vaseline®. Il vettore è arricchito con particelle conduttive. La pasta termica viene quindi applicata nei punti in cui si trovano i TIM metallici nella Figura 1. La pasta termica presenta due limiti. Il primo è che la sua conduttività termica non è sufficiente a far fronte ai flussi di calore più elevati generati dalle tendenze relative al calcolo ad alte prestazioni (HPC), all’intelligenza artificiale (AI), alle unità di elaborazione accelerata (APU) e alle unità di elaborazione grafica (GPU). L’altro è che i cicli di accensione e spegnimento dei componenti elettronici possono causare il fenomeno del “pump-out”. Il pump-out si verifica quando il grasso termico viene espulso dallo spazio che occupa per dissipare il calore dal circuito integrato (IC). Una volta espulso, il grasso termico non è più in grado di svolgere la sua funzione.
Jon: È qui che entrano in gioco i TIM a base metallica. Sono in grado di garantire la resistenza termica più bassa e possono essere personalizzati in base alle esigenze specifiche di ciascun pacchetto. Inoltre, in genere non sono soggetti al fenomeno del “pump-out”.
Jon: Con l'avanzamento dell'HPC, vediamo che i clienti devono affrontare ulteriori sfide dovute all'assottigliamento e alla curvatura degli stampi, al cross talk termico (calore proveniente da componenti vicini) e a varie altre sfide progettuali. La domanda di TIM a base metallica continua a crescere, perché possono risolvere molte di queste problematiche e fornire le prestazioni e l'affidabilità richieste nelle applicazioni ad alta densità di potenza.
Jon: Sebbene lo scopo principale di un TIM sia quello di contribuire a trasferire il calore da una superficie calda a una fredda, ci sono altri attributi da considerare in alcune applicazioni (ad esempio, facilità di montaggio, affidabilità, sostenibilità). I TIM a base metallica possono essere classificati come saldati (reflowed), comprimibili (non-reflowed), a base liquida (liquid metal TIM) o a cambiamento di fase. I TIM a cambiamento di fase sono progettati per cambiare fase quando si raggiunge una determinata temperatura. Tratteremo tutti questi TIM metallici nei prossimi post.
Jon: I TIM metallici hanno il vantaggio di avere alcune delle più alte conduttività termiche di massa tra i materiali TIM, ma è importante riconoscere che la sola conduttività termica di massa non è l'unico criterio per la scelta di un TIM. La resistenza al contatto termico, o resistenza interfacciale, domina in genere la resistenza termica complessiva del TIM. Pertanto, un'elevata bagnatura superficiale, per ridurre al minimo la resistenza al contatto termico, è un criterio critico per le prestazioni del TIM.
Dr. Ron: Daquanto ho capito, il TIM1 è solitamente un TIM a saldare. Può spiegare come funzionano?
Jon: Il TIM1 è comunemente definito come l’interfaccia tra il lato posteriore di un die e la parte inferiore di un dissipatore di calore integrato (IHS) e del cappuccio del componente. Un TIM saldato (sTIM) in questa interfaccia è la “Cadillac” dei TIM. Una volta rifusi, gli sTIM formano legami intermetallici che garantiscono una bassa resistenza interfacciale. Insieme al fatto che i TIM a base metallica presentano un’elevata conduttività termica volumetrica, lo sTIM garantisce una resistenza termica complessiva molto bassa. Gli sTIM fissano inoltre meccanicamente il die e l’IHS tra loro, grazie alla formazione di un composto intermetallico (IMC) a livello dell’interfaccia. Spesso ci viene chiesto se la rigidità del giunto saldato possa causare problemi durante i cicli di accensione e spegnimento. Con la lega e il processo adeguati, lo sTIM è in grado di fornire la duttilità necessaria per tutta la durata del pacchetto, pertanto i problemi di rigidità non costituiscono motivo di preoccupazione.
Jon: Nella scelta di uno sTIM occorre tenere conto di numerosi aspetti legati al processo. Indium Corporation dispone dell’esperienza e delle linee guida necessarie per aiutare i clienti a trarre il massimo vantaggio dagli sTIM. Una delle difficoltà nell’assemblaggio dei TIM1 è la formazione di vuoti durante il riflusso (vedi Figura 2). La formazione di vuoti tende ad aggravarsi dopo ripetuti cicli di riflusso.
Figura 2. TIM1 è collocato tra il chip (o die) e l'IHS.
Dr. Ron: So che ci sono stati dei progressi nella riduzione della minzione, può spiegare?
Jon: Storicamente, gli sTIM venivano utilizzati principalmente in pacchetti di tipo LGA o PGA. Questi pacchetti venivano sottoposti a rifusione una volta per rifondere lo sTIM. A causa dei vantaggi offerti dagli sTIM, si sta cercando di trovare un materiale sTIM e un processo ottimali per i pacchetti che possono sopravvivere a più cicli di rifusione BGA, in genere con una temperatura di picco di 240-250°C. Ad ogni successivo reflow, i materiali sTIM tradizionali presentano una crescita dei vuoti che porta a prestazioni termiche scadenti.
(Le leghe di InAg mostrano un miglioramento significativo rispetto all'indio puro per ridurre la crescita dei vuoti nei riflussi successivi). Si veda la Figura 3).
Figura 3. I TIM1 InAg riducono significativamente la minzione rispetto ai TIM1 In.
Jon: Tuttavia , l’aggiunta di argento (Ag) al giunto di saldatura comporta alcuni compromessi. Una maggiore quantità di Ag comporta infatti una minore conduttività termica volumetrica e un giunto di saldatura più rigido, con conseguente riduzione dell’affidabilità meccanica. Sono in corso importanti ricerche per comprendere come le diverse composizioni di InAg si depositino su varie superfici e come si comportino durante i test di affidabilità. Un’elevata bagnabilità superficiale, volta a ridurre al minimo la resistenza termica di contatto, è un criterio fondamentale per le prestazioni dei TIM. Inoltre, una scarsa bagnabilità può causare una maggiore formazione di vuoti, con conseguente riduzione delle prestazioni termiche. Con una corretta selezione delle leghe e tenendo conto del flussante e del processo, i TIM possono essere adottati in contenitori di tipo Flip Chip BGA (FCBGA) che saranno sottoposti a più cicli di riflusso (vedi Figura 4).
Figura 4. Gli InAg sTIM si adattano bene agli FCBGA.
Gente,
Restate sintonizzati per il prossimo post su mTIMS1.5!
Salute,
Dr. Ron
