皆さん、
先日、ジョン・メジャー氏との共著 『Metal TIMs 101：第1章』 を公開しました 。さて、いよいよ第2章の登場です！
ロン博士：ジョン、TIM1.5とは何ですか？
ジョン：TIM1.5とは、一般にベアダイ（カバーのないダイ）とヒートシンクまたはコールドプレートとの間のインターフェースを指します。TIM1とは異なり、ヒートスプレッダーが存在しないため、ダイは冷却材と直接接触しています。 図1を参照してください。TIM1.5を「システムレベルのTIM」と呼ぶのは、CPU/GPU/ASICがすでにPCBにはんだ付けされているため、TIMの塗布がシステム組立工程（FATP（Final Assembly, Test and Pack）と呼ばれることもある）で行われるからです。TIM1.5のパッケージの多くは、リッドレスBGAスタイルのパッケージと見なされています。TIM2も、多くの製品においてシステムレベルのTIMです。
図1.TIM1、TIM2、TIM1.5のアプリケーション
ロン博士TIM1.5はいつ使うのですか？
ジョン：熱スタックアップを構成する各インターフェースは、熱抵抗を増大させます。設計からリッドを排除することで、理論上はダイと冷却ソリューション間の総熱抵抗を低減できます。しかし、TIM1.5アプリケーションで使用される熱界面材料は、熱スタックアップ全体の性能において非常に重要な役割を果たします。 多くの場合、GPU、CPU、あるいはASICなどのハイパフォーマンスコンピューティング（HPC）アプリケーションで使用されるパッケージは、熱抵抗を最小限に抑えるためにリッドなしの設計となっているため、TIM1.5材料が必要となります。図2は、ヒートシンクの取り付け準備が整った4つの集積回路（IC）ダイを覆うTIM1.5を示しています。
図2.TIM1.5で4つのICダイを覆い、ヒートシンクの装着を待つ。
ロン博士TIM1.5の課題は何ですか？
ジョン： TIMの主な目的は 、半導体ダイなどの高温面とヒートシンクなどの低温面との間の空隙を埋めることです。金属系TIMはポリマー系TIMに比べて体積熱伝導率が非常に高いですが、熱伝導率だけがTIM選定の唯一の基準というわけではありません。TIMとIC、およびヒートシンクとの界面における抵抗も重要な要素となります。 したがって、金属系TIMにおいては、熱界面抵抗の低い金属溶液であることが重要です。さらに、あるパッケージ形状で良好に機能するTIMが、他の形状では最適ではない場合があることを理解しておく必要があります。システム組立時にTIMがどのように塗布されるかを把握することも極めて重要です。 TIM1.5の用途では、圧縮性金属TIM、はんだTIM、および液体金属TIMが使用されています。当社がTIM1.5の用途において顧客の課題解決を支援する主な分野は、熱抵抗、表面濡れ性、表面平坦度、表面粗さ、クランプ力、リフロー温度（はんだ使用の場合）、表面メタライゼーション、ボイド検査方法、長期信頼性、ならびにプロセスの導入と最適化に重点を置いています。 TIM1.5には、はんだTIMを好む顧客もいれば、圧縮性TIMを好む顧客もおり、また、その薄いボンディングライン厚（BLT）、優れた濡れ性、低い界面抵抗から、液体金属TIMに関心を寄せる顧客も多数います。
ロン博士TIM1.5で使われている圧縮性金属TIMについて教えてください。
ジョン：平らな 金属箔は、数十年にわたり圧縮可能なTIMとして使用されてきました。一般的に、これらはインジウム金属や銅製のシムであり、通信、軍事、RF分野などで使用されています。 2008年、インジウム・コーポレーションは「Heat-Spring®」と呼ばれるパターン付き金属箔の特許を取得しました。現在では、TIM1.5、TIM2、バーンイン、IGBT（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やSiCパッケージなどの高出力用途向けのコールドプレート用大面積ベースプレート、さらには浸漬冷却用途など、様々な高性能アプリケーションに対応するよう設計された、多様な合金およびパターンタイプからなる製品群となっています。 このパターン化された金属は、TIMとヒートシンクの間、およびTIMとICの間の空気の隙間を排除することで、熱界面伝導率の向上に寄与します。優れた熱界面伝導率は、圧縮性金属TIMにとって極めて重要な性能基準です。
Heat-Spring®は軟質金属合金サーマルインターフェイス材（SMA-TIM）です。非リフローの圧縮性TIMで、パターン化されているため塗布が非常に簡単です。平坦な金属箔と比較して、ダイやヒートシンク表面へのコンプライアンスが向上します。圧力はパターン内の小さな接触部分に集中し、塑性変形を起こして接触が改善されるため、時間の経過とともに熱抵抗が減少します。Heat-Spring®は、2つの表面間で圧縮されると、それらの表面が反っていたり、粗かったり、同一平面でなくても、超低熱抵抗を提供します。TIM1.5として使用する場合、Heat-Spring®は複雑でコストのかかるシステムレベルのリフロー工程を必要とせず、金属ベースのTIMソリューションを提供します。
当社は最近、「HSx」と呼ばれる革新的な新パターンを開発しました。これは新しい製造技術を採用しており、反りや大きな反り（反り量150 μm以上）のある金型に対して高い順応性を発揮するほか、当社の現行パターン（HSDおよびHSHP（ハイプロファイル））と比較して、より低い圧力（30 psi）で超低熱抵抗を実現します。図3を参照してください。
図3.さまざまなヒートスプリング®パターン。
Heat-Spring®のコンプライアンスは、時間の経過や熱サイクル（いわゆる「バーンイン」）に伴い向上します。HSxは特にバーンイン期間が短く、熱サイクルを繰り返すにつれて性能が向上します。図4を参照してください。
図4. HSxの電源オン・オフ試験（0～600ワット、35,000サイクル）。上図に示すように、Tjは時間の経過とともに低下し、その後安定する。
基板とシリコンチップの熱膨張係数（CTE）の不一致により、顧客は依然として反りを大きな課題として捉えています。そこで、当社は反りを考慮した新しいパターンを開発しました。裏面メタライゼーションが不要なため、HSxは、少なくとも30 psiのクランプ力が確保できる用途において、理想的なTIM1.5の選択肢となります。
ロン博士 なぜサーマルグリースを使わないのですか？熱伝導グリスは反りによく効くし、昔から使われている。
ジョン： 一部の用途では 、消費電力が低い限り、サーマルグリースでも十分に適切な熱伝導材料（TIM）となります。このような低電力密度の用途では、グリースでも問題なく機能することが多いですが、常に「ポンプアウト」のリスクがあります。これは、熱サイクルや熱膨張係数（CTE）の不一致によって、サーマルグリースがTIMの界面から実際に押し出されてしまう現象であり、多くの場合、熱的な故障につながります。 一方、固体金属TIMはポンプアウトによる故障モードの影響を受けず、高電力密度の部品に最適です。
ロン博士図5から、銅の方がバルク熱抵抗が低いことがわかります。なぜ銅を使わないのですか？
図5.代表的な材料の熱抵抗とボンドライン厚さ（BLT）の関係
ジョン： 銅は400 W/mK近くという驚異的な体積熱伝導率を持つものの 、硬すぎて柔軟性に欠けるため、TIMとしてダイに直接接続することはできません。ダイを破損させることなく、空隙を埋めるために銅を塑性変形させるのに十分な圧力を加えることは不可能です。銅製TIMの課題は図6から確認できます。インジウムと比較した、圧力に応じた銅の高いギャップ熱抵抗に注目してください。 図5は、サーマルグリースの熱抵抗が極めて高いことも示している。
図6.代表的な金属の熱間ギャップ抵抗を圧力の関数として示す。
Dr.ロン：ヒートスプリング®は液浸冷却でどのように機能するのですか？
ジョン：Heat-Spring®は、ダイレクト・トゥ・チップ（DTC）および浸漬冷却の両用途において、その性能が実証されている熱伝導材料（TIM）です。浸漬冷却システムにおいて、Heat-Spring®がTIMとして使用される例は比較的よく見られます。サーマルグリースや一般的なポリマー系相変化材料（PCM）とは異なり、Heat-Spring®は、標準的な有機系またはフッ素系誘電体浸漬液を溶解したり汚染したりすることはありません。 TIM2またはTIM1.5として簡単に設置できます。Heat-Spring®を配置し、ヒートシンクまたはコールドプレートをアセンブリにクランプするだけで済みます。また、接触抵抗をさらに低減する、Heat-Spring®の新しい革新的な適用方法も開発しています。近い将来、これらの新しい方法を業界に紹介できることを楽しみにしています。
ロン博士 ヒートスプリングはリサイクル可能ですか？
ジョン：はい！インジウムベースのヒートスプリング®は100％再生可能で、持続可能性プログラムにとって大きなメリットがあります。材料を埋立地に送るのではなく、使用済みのインジウムや他の多くの金属を買い取り、再び使用することができるのです。
ロン博士： ジョン、ありがとう。近い将来、熱管理の課題に対する他のTIMソリューションについて議論しましょう。
ジョン：そうだろうね！
