여러분,
론 박사님: 다음 몇 개의 포스팅에서는 인디엄 코퍼레이션의 금속 열 인터페이스 재료(TIM) 제품 매니저인 Jon Major와 금속 TIM에 대해 이야기를 나누고자 합니다. Jon, 기술 배경, 인디엄 코퍼레이션과 인연을 맺게 된 계기, TIM에 관심을 갖게 된 계기 등 본인에 대해 소개해 주시겠어요?
존: 저는 항상 제품 개발, 엔지니어링, 소재, 제조 분야에 깊은 열정을 가져왔습니다 . 운 좋게도 실리콘밸리에서 경력을 시작하게 되어, 전 세계에서 가장 뛰어난 엔지니어들과 함께 일할 수 있었습니다. 첫 번째 아이패드 에어, ‘사이드킥(Sidekick)’이라는 최초의 클라우드 기반 스마트폰, 최초의 인터넷 연결 라디오, 그 밖의 여러 모바일 기기, 그리고 커넥티드 차량용 IoT 플랫폼 등 여러 획기적인 제품 개발에 참여할 기회를 얻었습니다.
존: 열 관리는 특히 소비자용 제품을 다룰 때 항상 설계 단계에서 고려되어 왔습니다. 인듐 코퍼레이션(Indium Corporation)에서는 소재 자체뿐만 아니라, 다양한 표면 및 압력 조건에서, 그리고 다양한 뒤틀림 조건 하에서 소재가 어떻게 성능을 발휘하는지, 또한 서로 다른 사용 조건에서 얼마나 오래 견딜 수 있는지에 대해서도 심도 있게 연구할 기회를 얻고 있습니다. 최근 저희 수석 열 설계 엔지니어가 열 인터페이스 소재(TIM)의 성능을 평가할 수 있는 대표적인 환경을 제공하는 사내용 열 테스트 장치를 개발했습니다. 정말 흥미롭습니다! 다양한 조건에서 금속 기반 TIM이 어떻게 작동하는지에 대한 귀중한 데이터를 고객에게 제공할 수 있게 해준 이 프로젝트에 참여하게 되어 기쁩니다.
론 박사님 Jon, 금속 TIM이 필요한 이유와 작동 원리에 대해 간단히 설명해 주시겠어요?
존: 집적회로(IC) 기술이 발전함에 따라 고성능 IC에서 발생하는 열의 양은 어마어마한 수준에 이르렀으며, 때로는 한 변의 길이가 1인치(2.5cm)보다 약간 큰 IC에서도 1,000와트를 초과하기도 합니다. 일반적으로 IC는 100°C 미만의 온도에서 작동해야 하며, 그렇지 않으면 수명이 너무 짧아집니다. IC에서 발생한 열을 방열판으로 전달해 주는 열전도 물질(TIM)이 없다면, 이러한 목표를 달성하는 것은 불가능할 것입니다.
(그림 1은 방열판으로 열을 전도하기 위해 두 개의 TIM이 있는 IC의 회로도를 보여줍니다.)
그림 1. TIM1은 IC에서 IC 패키지 뚜껑으로 열을 전달합니다. TIM2는 IC 패키지 덮개에서 방열판으로 열을 전달합니다.
존: 과거에는 고분자(전통적인) TIM, 젤 및 기타 비금속 TIM이 사용되었습니다. 일부 응용 분야에서는 오늘날에도 여전히 사용되고 있습니다. 가장 흔한 것은 수십 년 동안 사용되어 온 열전도 그리스였습니다. 열전도 그리스는바셀린®과 거의 유사한 운반체를 가지고 있습니다. 이 캐리어에는 전도성 입자가 함유되어 있습니다. 그런 다음 그림 1에서 금속 TIM이 있는 위치에 열전도 그리스를 도포합니다. 열전도 그리스에는 두 가지 단점이 있습니다. 첫째, 고성능 컴퓨팅(HPC), AI, 가속 처리 장치(APU), 그래픽 처리 장치(GPU)의 발전 추세로 인해 발생하는 높은 열유속을 충족시키기에는 열전도도가 충분하지 않습니다. 다른 하나는 전자 기기의 켜짐/꺼짐 주기로 인해 “펌프아웃(pump-out)” 현상이 발생할 수 있다는 점입니다. 펌프아웃은 열전도 그리스가 IC에서 열을 방출하기 위해 차지하고 있던 공간에서 밀려나올 때 발생합니다. 열전도 그리스가 밀려나오면 더 이상 그 기능을 수행할 수 없게 됩니다.
존: 바로 여기서 금속 기반 TIM이 그 역할을 합니다. 이 소재는 가장 낮은 열저항을 제공할 뿐만 아니라, 특정 패키지의 요구 사항에 맞춰 맞춤 제작할 수 있습니다. 또한 일반적으로 펌프아웃 현상이 발생하지 않습니다.
Jon: HPC가 발전함에 따라 다이 박형화 및 휨, 열 누화(주변 부품에서 발생하는 열) 및 기타 다양한 설계 문제로 인해 고객이 추가적인 어려움을 겪고 있습니다. 금속 기반 TIM은 이러한 많은 문제를 해결하고 고전력 밀도 애플리케이션에 필요한 성능과 신뢰성을 제공할 수 있기 때문에 수요가 계속 증가하고 있습니다.
Jon: TIM의 주요 목적은 뜨거운 표면에서 차가운 표면으로 열을 전달하는 것이지만, 특정 애플리케이션에서 고려해야 할 다른 속성(예: 조립 용이성, 신뢰성, 지속 가능성)도 있습니다. 금속 기반 TIM은 납땜(리플로), 압축 가능(비리플로), 액체 기반(액체 금속 TIM) 또는 상 변화 TIM으로 분류할 수 있습니다. 상 변화 TIM은 특정 온도에 도달하면 상이 변하도록 설계되었습니다. 향후 포스팅에서 이러한 모든 금속 TIM에 대해 다룰 예정입니다.
Jon: 금속 TIM은 TIM 재료 중 벌크 열전도율이 가장 높다는 장점이 있지만, 벌크 열전도율만이 TIM 선택의 유일한 기준이 아니라는 점을 인식하는 것이 중요합니다. 열 접촉 저항 또는 계면 저항이 일반적으로 전체 TIM 열 저항을 지배합니다. 따라서 열 접촉 저항을 최소화하기 위한 높은 표면 습윤도는 TIM 성능의 중요한 기준입니다.
론 박사님:제가 알기로는TIM1은 보통 납땜 TIM이라고 알고 있습니다. 어떻게 작동하는지 설명해 주시겠어요?
존: TIM1은 일반적으로 다이 뒷면과 통합 방열판(IHS) 및 부품 캡의 밑면 사이의 인터페이스로 불립니다. 이 인터페이스에 적용된 납땜형 TIM(sTIM)은 TIM 중에서도 ‘최고급’에 속합니다. 리플로우 공정을 거치면 sTIM은 금속간 화합물을 형성하여 낮은 계면 저항을 제공합니다. 금속 기반 TIM이 높은 체적 열전도도를 지닌다는 점과 더불어, sTIM은 전체적으로 매우 낮은 열저항을 제공합니다. 또한 sTIM은 계면에 금속간 화합물(IMC)이 형성됨에 따라 다이와 IHS를 기계적으로 단단히 고정합니다. 종종 솔더 접합부의 강성이 전원 사이클링 중에 문제를 일으킬 수 있는지 묻는 질문을 받곤 합니다. 적절한 합금과 공정을 적용하면 sTIM은 패키지 수명 기간 동안 필요한 연성을 제공할 수 있으므로, 강성 문제는 우려할 필요가 없습니다.
Jon: sTIM을 선정할 때 고려해야 할 공정상의 사항이 많습니다. 인듐 코퍼레이션(Indium Corporation)은 고객이 sTIM의 이점을 최대한 활용할 수 있도록 돕는 풍부한 경험과 지침을 보유하고 있습니다. TIM1 조립 시 직면하는 과제 중 하나는 리플로우 과정에서 발생하는 기포 현상입니다(그림 2 참조). 기포 현상은 리플로우를 여러 번 반복할수록 더욱 심해집니다.
그림 2. TIM1은 칩(또는 다이)과 IHS 사이에 배치됩니다.
Ron 박사: 무효화를 줄이는 데 몇 가지 획기적인 진전이 있었다고 알고 있는데 설명해 주시겠어요?
Jon: 역사적으로 sTIM은 주로 LGA 또는 PGA 스타일 패키지에 사용되었습니다. 이러한 패키지는 한 번 리플로우하여 sTIM을 리플로우했습니다. sTIM이 제공하는 이점 때문에 일반적으로 240~250°C의 최고 온도에서 여러 번의 BGA 리플로우 사이클을 견딜 수 있는 패키지를 위한 최적의 sTIM 재료와 공정을 찾기 위한 노력이 계속되고 있습니다. 후속 리플로우가 진행될 때마다 기존 sTIM 재료는 보이드 성장이 발생하여 열 성능이 저하됩니다.
(InAg 합금은 순수 인듐에 비해 상당한 개선 효과를 보여 후속 리플로우에서 보이드 성장을 줄입니다. 그림 3 참조)
그림 3. InAg TIM1은 In TIM1에 비해 보이드가 현저히 감소합니다.
존: 하지만 솔더 접합부에 은(Ag)을 첨가할 경우 장단점이 있습니다. 은의 함량이 높아지면 체적 열전도율이 낮아지고 솔더 접합부의 강성이 증가하여 기계적 신뢰성이 저하될 수 있습니다. 현재 다양한 표면에 대한 인듐-은(InAg) 혼합물의 습윤 특성과 신뢰성 시험 시의 성능을 파악하기 위한 연구가 활발히 진행 중입니다. 열 접촉 저항을 최소화하기 위한 높은 표면 젖음성은 TIM의 핵심 성능 기준입니다. 또한, 젖음성이 나쁘면 기공 발생이 증가하여 열 성능 저하로 이어질 수 있습니다. 적절한 합금 선택과 플럭스 및 공정 고려 사항을 통해, 여러 번의 리플로우 사이클을 거치게 될 플립 칩 BGA(FCBGA) 방식의 패키지에 sTIM을 적용할 수 있습니다(그림 4 참조).
그림 4. InAg sTIM은 FCBGA에 적합합니다.
여러분,
mTIMS1.5에 대한 다음 포스팅을 기대해 주세요!
건배,
론 박사
