皆さん、
ロン博士今回から数回にわたって、インジウム・コーポレーションの金属熱界面材料（TIMs）製品マネージャー、ジョン・メジャー氏と金属TIMsについてお話ししたいと思います。ジョンさん、技術的な経歴、インジウム・コーポレーションとの出会い、TIMに興味を持ったきっかけなど、ご自身のことを少し教えていただけますか？
ジョン：私は 以前から、製品開発、エンジニアリング、材料、製造に情熱を注いできました 。幸運にも、シリコンバレーでキャリアをスタートさせ、世界屈指の優秀なエンジニアたちと共に働くことができました。その過程で、初代iPad Airや、「Sidekick」と呼ばれる世界初のクラウドベースのスマートフォン、世界初のインターネット接続型ラジオ、その他いくつかのモバイルデバイス、さらにはコネクテッドカー向けのIoTプラットフォームなど、数々の画期的な製品の開発に携わる機会を得ました。
ジョン：熱管理は 、特に民生向け製品を扱う場合、常に設計段階から考慮されてきました。インジウム・コーポレーションでは、材料そのものだけでなく、さまざまな表面や圧力、歪みの異なる条件下での性能、さらには異なる使用条件下でどの程度の耐久性があるかといった点についても、深く掘り下げて研究する機会を得ています。 当社の主任熱設計エンジニアが最近、熱界面材料（TIM）の性能を検証するための代表的な環境を再現する、社内の熱試験装置を開発しました。これは実に興味深いものです！金属系TIMが様々な条件下でどのように機能するかについて、お客様に貴重なデータを提供できるプロジェクトに参加できたことを嬉しく思います。
ロン博士 ジョン、なぜメタルTIMが必要なのか、どのように機能するのか、簡単に説明してもらえますか？
ジョン： 集積回路（IC）技術の進歩に伴い 、高性能ICから発生する熱量は驚異的なものとなっており、一辺がわずか1インチ（2.5 cm）強のICであっても、1,000ワットを超えることがあります。 通常、ICは100°C未満で動作させる必要があり、そうしないと寿命が著しく短くなってしまいます。ICからヒートシンクへと熱を伝導させる熱伝導材料（TIM）がなければ、この目標を達成することは不可能です。
(図1は、ヒートシンクに熱を伝える2つのTIMを持つICの回路図である)
図1.TIM1はICからICパッケージの蓋に熱を伝導する。TIM2はICパッケージの蓋からヒートシンクに熱を伝導する。
ジョン：かつては、高分子系（従来の）TIMやゲル、その他の非金属系TIMが使用されていました。一部の用途では、現在もなお使用されています。最も一般的だったのはサーマルグリースで、数十年にわたって使用されてきました。サーマルグリースのキャリアは、ヴァセリン®とほぼ同様のものです。 このキャリアには導電性粒子が配合されています。その後、図1で金属系TIMが配置されている箇所にサーマルグリースが塗布されます。サーマルグリースには2つの欠点があります。1つは、高性能コンピューティング（HPC）、AI、アクセラレーテッド・プロセッシング・ユニット（APU）、グラフィックス・プロセッシング・ユニット（GPU）のトレンドによって発生する高熱流束に対応するには、その熱伝導率が不十分であるという点です。 もう一つは、電子機器のオン／オフサイクルによって「ポンプアウト」が発生する可能性があることです。ポンプアウトとは、ICから熱を伝導するために熱伝導グリースが占めていた空間から、グリースが押し出されてしまう現象です。熱伝導グリースが押し出されてしまうと、その機能を果たせなくなってしまいます。
ジョン：ここで金属系TIMの出番となります。これらは最も低い熱抵抗を実現でき、パッケージごとの要件に合わせてカスタマイズすることも可能です。また、通常、ポンプアウト現象も発生しません。
ジョン：HPCの進歩に伴い、ダイの薄型化や反り、サーマルクロストーク（隣接する部品からの熱）、その他さまざまな設計上の課題により、お客様がさらなる課題を抱えていることを目の当たりにしています。メタルベースTIMは、これらの課題の多くを解決し、高電力密度アプリケーションで求められる性能と信頼性を提供できるため、需要は伸び続けています。
ジョン： TIM の主な目的は、高温の表面から低温の表面への熱伝導を助けることですが、用途によっては他の特性も考慮する必要があります（組み立ての容易さ、信頼性、持続可能性など）。金属ベースのTIMは、はんだ付け（リフロー）、圧縮性（非リフロー）、液体ベース（液体金属TIM）、または相変化TIMに分類することができます。相変化TIMは、ある温度に達すると相変化するように設計されています。これらすべてのメタルTIMについては、今後の記事で取り上げる予定です。
ジョン：メタルTIMはTIM材料の中で最も高いバルク熱伝導率を持つという利点がありますが、バルク熱伝導率だけがTIM選択の唯一の基準ではないことを認識することが重要です。熱接触抵抗、すなわち界面抵抗は通常、TIM全体の熱抵抗を支配します。したがって、熱接触抵抗を最小化するための高い表面濡れ性は、TIMの性能基準として極めて重要です。
ロン博士：私の理解では、TIM1は通常はんだTIMです。どのように機能するのか説明してもらえますか？
ジョン：TIM1は 、一般的にダイの裏面と、統合型ヒートスプレッダー（IHS）およびコンポーネントキャップの底面との間の界面を指します。この界面にはんだ付けされたTIM（sTIM）は、TIMの中でも「最高級品」と言えます。リフロー処理後、sTIMは金属間結合を形成し、界面抵抗を低く抑えます。 さらに、金属系TIMは体積熱伝導率が高いため、sTIMは全体として非常に低い熱抵抗を実現します。また、界面で金属間化合物（IMC）が形成されるため、sTIMはダイとIHSを機械的に固定する役割も果たします。しばしば、はんだ接合部の剛性が電源のオン・オフを繰り返す際に問題を引き起こすのではないかという質問を受けます。 適切な合金とプロセスを用いれば、sTIMはパッケージの寿命期間を通じて必要な延性を確保できるため、剛性に関する懸念はありません。
ジョン sTIMの選定にあたっては、多くのプロセス上の考慮事項があります。インジウム・コーポレーションは、お客様がsTIMのメリットを最大限に活かせるよう支援するための経験とガイドラインを有しています。TIM1の組み立てにおける課題の一つは、リフロー時のボイドの発生です（図2を参照）。ボイドは、リフローを繰り返し行うにつれて悪化します。
図 2.TIM1 はチップ（またはダイ）と IHS の間に配置される。
ロン博士： 排泄を減らす画期的な方法があるそうですが、説明していただけますか？
ジョン： 歴史的に、sTIMは主にLGAやPGAスタイルのパッケージで使われていました。これらのパッケージは、sTIMをリフローするために一度リフローされていました。sTIMには利点があるため、ピーク温度240～250℃のBGAリフローサイクルに複数回耐えられるパッケージ用の最適なsTIM材料とプロセスを見つける努力がなされています。その後のリフローのたびに、従来のsTIM材料はボイドの成長を示し、熱性能の低下につながります。
(InAg合金は、純インジウムと比較して、その後のリフローでのボイド成長を低減するために著しい改善を示している。図3参照)。
図3.InAg TIM1はIn TIM1に比べて有意に排泄を抑制する。
ジョン：しかし 、はんだ接合部に銀（Ag）を添加することにはトレードオフも存在します。銀の含有量が増えると、体積熱伝導率が低下し、はんだ接合部の剛性が高まるため、機械的信頼性が低下することになります。現在、さまざまな組成のInAgが各種表面にどのように濡れ、信頼性試験においてどのような性能を示すかを解明するための研究が精力的に進められています。 熱接触抵抗を最小限に抑えるための高い表面濡れ性は、TIMの重要な性能基準である。さらに、濡れ性が悪いとボイドの発生が増加し、これも熱性能の低下につながる。適切な合金の選定、フラックスおよびプロセスの配慮により、sTIMは、複数のリフローサイクルを経るフリップチップBGA（FCBGA）スタイルのパッケージに採用することができる（図4参照）。
図4.InAg sTIMはFCBGAに適している。
皆さん、
mTIMS1.5に関する次回の記事にご期待ください！
乾杯
ロン博士
