La parola Creep non è qualcosa che un ingegnere vuole sentire quando progetta un TIM metallico nel suo stack up di diodi laser. Ma il creep è davvero un problema e lo intendiamo davvero quando parliamo di indio? La risposta è relativa. In allegato troverete un diagramma di stack up che ho realizzato di un tipico stack di diodi. Potrebbe trattarsi di un'applicazione laser o di un'applicazione LED. Lo strato di fissaggio dei diodi è solitamente costituito da una saldatura ad alta temperatura o da una resina epossidica caricata con argento. È possibile utilizzare l'indio a questo livello? La risposta è sì, se e solo se la temperatura della giunzione è ben lontana dal punto di fusione dell'indio puro, che è di 156°C. Le saldature morbide sono proprio così, sono morbide, e negli attacchi per stampi alcuni clienti hanno utilizzato l'indio a questo livello, ma non è così comune come altre saldature a temperatura più elevata come AuSn, leghe Sac o SnAg. Le epossidiche caricate con argento stanno migliorando sempre di più, ma ci sono alcuni problemi con la loro conduttività e il loro processo. Quando si utilizza una saldatura come supporto per la matrice, la matrice stessa può fluttuare o muoversi durante il riflusso. In questo caso è possibile utilizzare un qualche tipo di meccanismo per tenerlo in posizione durante la rifusione e garantire che l'allineamento sia perfetto. Perciò, per rispondere alla domanda, la saldatura può essere utilizzata per il fissaggio della matrice in questa applicazione, ma la lega scelta ne determina l'efficacia e l'affidabilità.
Nel caso di TIM2 (materiale di interfaccia termica di livello 2), ci sono alcune considerazioni in più. Supponiamo innanzitutto di dover eseguire il reflow a questo livello. Il rame a livello dello spargitore di calore non sarà un problema, ma il nichel a livello dello spargitore/deposito lo sarà. Anche l'alluminio sarà un problema. Il problema è che questi materiali sono difficili da saldare, ma si può fare. Per rompere lo strato di ossido presente è possibile utilizzare un flussante ad alta attività come l'RSA o il flussante numero 3 per gli indio. Tuttavia, uno strato d'oro sulla superficie aiuterà a garantire l'efficacia della saldatura. Indium consiglia di non superare i 50 micropollici di oro e raccomanda che più sottile è, meglio è, di solito 10 micropollici sono sufficienti. L'indio è un elemento che dissolve l'oro o che, come è noto, diffonde l'oro nell'indio. Durante la saldatura si forma un intermetallo di indio e oro. Si tratta di uno strato fragile e, se si utilizza una quantità eccessiva di oro, può causare problemi di affidabilità e crepe nel giunto. Torniamo quindi alla domanda iniziale: perché usare l'indio in questo punto e se è possibile usarlo? Questa è l'area più comune in cui il creep dell'indio può essere un problema. Il creep può essere comunque accettabile. L'indio non striscia al punto da uscire come un pump out o un play-doe. Il grado di creep è legato alla pressione esercitata, ossia al movimento del CTE o alla pressione diretta del serraggio, nonché alla temperatura a cui è sottoposta l'interfaccia. Se la temperatura della giunzione è inferiore a 20 gradi rispetto al punto di fusione e un certo movimento è consentito, come nel caso di un'applicazione LED, questo è accettabile. Tuttavia, in un'applicazione laser, Indium Corporation di solito consiglia di non utilizzare l'indio puro a questo livello e di scegliere piuttosto una lega come Indium Silver o Tin Silver. Più argento si aggiunge alla lega, più il materiale diventa duro. Si consideri questo. L'indio puro ha una conduttività di 86W/mk, un MP=156C eutettico e una resistenza allo stagno di 273 psi. Aggiungendo il 3% di argento, l'MP passa a 143 C eutettici, la conduttività scende a 73 ma la resistenza del tinsel sale a 800 psi. Meglio ancora, si aggiunge il 10% di argento e il MP passa da 143 a 237, la conduttività scende a 67 ma il tensil sale a 1650 psi. Consideriamo poi lo SnAg, che ha un punto di fusione di 221°C, una conduttività di 33W/mk e una resistenza alla trazione di 5800 psi. Qual è il migliore per la vostra applicazione? La risposta sta in ciò che è accettabile per voi: se il CTE è un problema, scegliete una quantità minore di argento, se la temperatura è un problema, scegliete l'assenza di indio, se la conduttività è un problema, scegliete un indio elevato.
Quando si prende in considerazione un metallo comprimibile a livello TIM2, il problema è la quantità di pressione, la temperatura della giunzione e la planarità della superficie. Ovviamente con un'interfaccia comprimibile non è più necessario l'oro e non ci saranno problemi con l'indio a contatto diretto con il nichel. Tuttavia, il rame e l'indio possono formare un intermetallo nel corso del tempo; tuttavia lo strato di ossido sul rame di solito impedisce che ciò accada. In effetti, nel nostro laboratorio termico abbiamo osservato questo fenomeno solo quando abbiamo effettivamente cotto i moduli per oltre 1000 ore a 125 C+. Anche in quel caso il fenomeno era nominale. Se non credete di dover rilavorare l'interfaccia 4-5 anni dopo la sua costruzione, direi che questo non sarà un problema, anzi migliorerà le prestazioni termiche e l'affidabilità. La rilavorazione entro 1-2 anni non sarà un problema. Molti dei nostri clienti utilizzano già l'indio a questo livello come interfaccia comprimibile, ma pochi sono consapevoli del fatto che possono effettivamente migliorare le prestazioni se si convertono a un Heat-Spring™. L'Heat-Spring è un processo brevettato che ci permette di ridurre la resistenza di contatto del metallo se la pressione è di almeno 50 psi. Ciò consente di utilizzare una linea di incollaggio più sottile e di migliorare le prestazioni termiche dell'interfaccia termica metallica. E che dire del creep in questa interfaccia? Ancora una volta la modifica della lega può eliminare la possibilità che ciò accada, ma la conversione da una lamina piatta di indio standard a una Heat-Spring ridurrà ulteriormente queste possibilità perché la linea di legame è di solito significativamente inferiore se si utilizza una Heat-Spring. (In media circa 0,003").
In sintesi, gli aspetti da considerare quando si utilizza un'interfaccia termica metallica o una saldatura a stampo sono i seguenti:
- Qual è la temperatura di lavoro dell'interfaccia?
- Questa temperatura è troppo vicina al punto di fusione dell'interfaccia termica metallica?
- Il dispositivo è in grado di gestire la temperatura di riflusso di una saldatura a temperatura più elevata, come Oro-Stagno o Stagno-Argento
- Le prestazioni termiche dell'interfaccia sono un problema, per cui se si modifica la conduttività dell'interfaccia termica metallica diminuendo il contenuto di indio, si compromette la conduttività dell'intero stack up? Ad esempio, passando da 86w/mK a 67w/mK.
- Il creep è davvero un problema? Se il dispositivo può accettare un piccolo grado di movimento, non è un problema utilizzare l'indio. Se il problema è anche minimo, suggerite una lega di indio e non l'indio puro.
In definitiva, Indium Corporation è qui per aiutarvi. Consultate il nostro sito web per ulteriori informazioni, tra cui il nostro elenco elettronico di leghe per aiutarvi a scegliere il miglior materiale di interfaccia termica metallica.
