Gente,
Poco tempo fa ho pubblicato “Metal TIMs 101: Capitolo 1” insieme a Jon Major. Ora è il momento del Capitolo 2!
Dr. Ron: Jon, cos'è il TIM1.5?
Jon: Con il termine TIM1.5 si intende comunemente l’interfaccia tra un die nudo (un die senza copertura) e un dissipatore di calore o una piastra di raffreddamento. A differenza del TIM1, non è presente alcuno spreader termico e, pertanto, il die è a contatto diretto con la soluzione di raffreddamento. Vedi la Figura 1. Definiamo il TIM1.5 un TIM a livello di sistema perché la CPU/GPU/ASIC è già saldata su un PCB, quindi il TIM viene applicato durante l’assemblaggio del sistema (talvolta indicato come FATP, ovvero Final Assembly, Test and Pack). La maggior parte dei pacchetti TIM1.5 è costituita da pacchetti di tipo BGA senza coperchio. Anche il TIM2 è un TIM a livello di sistema in molti prodotti.
Figura 1. Applicazione di TIM1, TIM2 e TIM1.5
Dr. Ron: Quando si usa il TIM1.5?
Jon: Ogni interfaccia in uno stack termico aggiunge resistenza termica. Eliminando il coperchio in un progetto, la resistenza termica totale tra il die e la soluzione di raffreddamento viene ridotta, in teoria. Tuttavia, il materiale di interfaccia termica utilizzato in un’applicazione TIM1.5 svolge un ruolo molto importante nelle prestazioni dell’intero stack termico. Spesso, i pacchetti utilizzati nelle applicazioni di calcolo ad alte prestazioni (HPC), come GPU, CPU o, talvolta, ASIC, sono progettati senza coperchio per ridurre al minimo la resistenza termica; in questi casi è quindi necessario un materiale TIM1.5. La Figura 2 mostra un TIM1.5 che ricopre quattro die di circuiti integrati (IC) pronti per il fissaggio del dissipatore di calore.
Figura 2. Un TIM1.5 che copre quattro die IC in attesa dell'applicazione del dissipatore di calore.
Dr. Ron: Quali sono le sfide di TIM1.5?
Jon: Lo scopo principale di un TIM è quello di colmare gli spazi d’aria tra una superficie calda, come il die del semiconduttore, e una superficie fredda, come un dissipatore di calore. Sebbene i TIM a base metallica presentino una conduttività termica volumetrica molto elevata rispetto a quelli a base polimerica, la conduttività termica non è l’unico criterio per la scelta di un TIM; sono importanti anche le resistenze alle interfacce tra il TIM, il circuito integrato e il dissipatore di calore. Pertanto, per i TIM metallici, è importante disporre di una soluzione metallica con una bassa resistenza termica di interfaccia. Inoltre, è importante comprendere che un TIM che funziona bene per un determinato tipo di contenitore potrebbe non essere l’ideale per altri. È fondamentale anche comprendere come il TIM verrà applicato durante l’assemblaggio del sistema. Nelle applicazioni TIM1.5 si utilizzano TIM metallici comprimibili, TIM saldati e TIM a metallo liquido. Le sfide che aiutiamo i clienti a risolvere nelle applicazioni TIM1.5 riguardano principalmente la resistenza termica, la bagnabilità superficiale, la planarità della superficie, la rugosità superficiale, la forza di serraggio, la temperatura di riflusso (se saldato), le metallizzazioni superficiali, i metodi di ispezione dei vuoti, l’affidabilità a lungo termine, nonché l’implementazione e l’ottimizzazione del processo. Alcuni clienti preferiscono utilizzare un TIM a saldatura per il TIM1.5, altri TIM comprimibili e molti sono interessati ai TIM a metallo liquido per via del loro spessore ridotto dello strato di incollaggio (BLT), dell’eccellente bagnabilità e della bassa resistenza interfacciale.
Dr. Ron: Ci parli dei TIM metallici comprimibili utilizzati in TIM1.5.
Jon: Le lamine metalliche piatte vengono utilizzate come TIM comprimibili da diversi decenni. In genere si tratta di spessori in indio metallico o rame impiegati, tra l’altro, nei settori delle telecomunicazioni, militare e delle radiofrequenze. Nel 2008, Indium Corporation ha brevettato una lamina metallica con motivo denominata“Heat-Spring®”, che oggi costituisce una famiglia di varie leghe e tipi di motivi progettati per soddisfare una vasta gamma di applicazioni ad alte prestazioni, tra cui TIM1.5, TIM2, test di burn-in, piastre di base di ampia superficie e piastre di raffreddamento per applicazioni ad alta potenza come gli IGBT (transistor bipolari a gate isolato) e i pacchetti SiC, nonché applicazioni di raffreddamento a immersione. La lamina metallica con motivo contribuisce a migliorare la conduttività dell’interfaccia termica eliminando le sacche d’aria tra il TIM e il dissipatore di calore e tra il TIM e il circuito integrato (IC). Una buona conduttività dell’interfaccia termica è un criterio prestazionale fondamentale per un TIM metallico comprimibile.
Heat-Spring® è un materiale di interfaccia termica in lega metallica morbida (SMA-TIM). Si tratta di un TIM comprimibile senza riflusso che è molto facile da applicare e da modellare. Offre una maggiore aderenza alle superfici dello stampo e del dissipatore di calore rispetto alle lamine metalliche piatte. La pressione si concentra su piccole aree di contatto nel disegno, provocando una deformazione plastica e migliorando il contatto, riducendo la resistenza termica nel tempo. Quando viene compresso tra due superfici, Heat-Spring® offre una resistenza termica bassissima anche se tali superfici sono deformate, ruvide o non complanari. Se utilizzato come TIM1.5, Heat-Spring® offre una soluzione TIM a base metallica senza la necessità di complicati e costosi processi di rifusione a livello di sistema.
Recentemente abbiamo sviluppato un nuovo modello innovativo denominato “HSx” che utilizza una nuova tecnica di fabbricazione, offrendo una maggiore elasticità per stampi deformati o con deformazione più elevata (>150 μm di deformazione) e garantendo al contempo una resistenza termica estremamente bassa con una pressione inferiore (30 psi) rispetto ai nostri modelli attuali (HSD e HSHP (profilo alto)). Vedi la Figura 3.
Figura 3. I diversi modelli Heat-Spring®.
La conformitàdi Heat-Spring® migliora con il tempo e i cicli termici, processo noto come “burn-in”. HSx presenta un periodo di burn-in particolarmente breve e le sue prestazioni migliorano con i cicli termici. Vedi la Figura 4.
Figura 4. Cicli di accensione/spegnimento dell'HSx, da 0 a 600 Watt per 35.000 cicli. La temperatura Tj diminuisce nel tempo e si stabilizza, come si vede sopra.
I clienti continuano a considerare la deformazione una sfida importante, data la discrepanza nel coefficiente di espansione termica (CTE) tra il substrato e il chip di silicio. Abbiamo quindi sviluppato il nuovo modello tenendo conto proprio di questo problema. Poiché non è necessaria alcuna metallizzazione sul retro, HSx rappresenta un’opzione TIM1.5 ideale per applicazioni in cui è disponibile una forza di serraggio di almeno 30 psi.
Dr. Ron: Perché non usare il grasso termico? Sembra che sia in grado di gestire bene le deformazioni e che sia in circolazione da molto tempo.
Jon: Per alcune applicazioni, il grasso termico è un TIM perfettamente accettabile, purché la potenza sia bassa. Per tali applicazioni a bassa densità di potenza, il grasso spesso funziona bene, ma c’è sempre il rischio di “pump-out”, che si verifica quando i cicli termici e le discrepanze nel CTE finiscono per espellere il grasso termico dall’interfaccia TIM, portando spesso a un guasto termico. I TIM in metallo solido, invece, non sono soggetti a questo tipo di guasto da “pump-out” e sono ideali per componenti ad alta densità di potenza.
Dr. Ron: Dalla Figura 5, il rame ha una resistenza termica di massa inferiore. Perché non usare il rame?
Figura 5. Resistenza termica di materiali rappresentativi rispetto allo spessore della linea di giunzione (BLT)
Jon: Sebbene il rame abbia un’impressionante conducibilità termica volumetrica di quasi 400 W/mK, è troppo duro e rigido per essere collegato direttamente a un die come TIM. Non è possibile applicare una pressione sufficiente a deformare plasticamente il rame per colmare gli spazi d’aria senza schiacciare il die. La sfida dei TIM in rame è illustrata nella Figura 6. Si noti l’elevata resistenza termica del rame in presenza di spazi d’aria in funzione della pressione rispetto all’indio. La Figura 5 mostra inoltre l’elevatissima resistenza termica del grasso termico.
Figura 6. Resistenza del gap termico di metalli rappresentativi in funzione della pressione.
Dr. Ron: Come funziona Heat-Spring® nel raffreddamento ad immersione?
Jon:Heat-Spring® è un TIM collaudato sia nelle applicazioni “direct-to-chip” (DTC) che in quelle di raffreddamento a immersione. È piuttosto comune vedereHeat-Spring® utilizzato come TIM nei sistemi a immersione. A differenza dei grassi termici o dei diffusi materiali polimerici a cambiamento di fase (PCM),Heat-Spring®non si dissolve né contamina i fluidi di immersione dielettrici standard, sia organici che fluorurati. È facile da installare sia come TIM2 che come TIM1.5: basta posizionareHeat-Spring® e fissare il dissipatore di calore o la piastra di raffreddamento all’assieme. Disponiamo inoltre di nuovi e innovativi metodi di applicazione diHeat-Spring®, che riducono ulteriormente la resistenza di contatto. Non vediamo l’ora di presentare questi nuovi metodi al settore nel prossimo futuro.
Dr. Ron: Le molle termiche sono riciclabili?
Jon: Sì! Le Heat-Spring®a base di indio sono recuperabili al 100% e presentano un enorme vantaggio per i programmi di sostenibilità. Invece di mandare il materiale in discarica, riacquistiamo l'indio usato e molti altri metalli che possono essere riutilizzati.
Dottor Ron: Jon, grazie. Parliamo di altre soluzioni TIM per le sfide di gestione termica nel prossimo futuro.
Jon: Ci puoi scommettere!
