여러분,
얼마 전, 저는 존 메이저와 함께 “Metal TIMs 101: 제1장”을 게시했습니다 . 이제 제2장을 소개할 차례입니다!
론 박사님 존, TIM1.5가 무엇인가요?
Jon: TIM1.5는 일반적으로 베어 다이(커버가 없는 다이)와 방열판 또는 콜드 플레이트 사이의 인터페이스를 의미합니다. TIM1과 달리 열 확산판이 없기 때문에, 다이가 냉각 솔루션과 직접 접촉합니다. 그림 1을 참조하십시오. CPU/GPU/ASIC이 이미 PCB에 납땜되어 있으므로, TIM1.5는 시스템 수준 TIM으로 분류됩니다. 즉, TIM은 시스템 조립 단계(때로는 FATP(최종 조립, 테스트 및 패키징)라고도 함)에서 도포됩니다. 대부분의 TIM1.5 패키지는 리드리스 BGA 방식 패키지로 간주됩니다. TIM2 역시 많은 제품에서 시스템 수준 TIM으로 사용됩니다.
그림 1. TIM1, TIM2 및 TIM1.5의 애플리케이션
론 박사님 TIM1.5는 언제 사용되나요?
Jon: 열 스택업의 각 인터페이스는 열 저항을 증가시킵니다. 설계에서 덮개를 제거하면 이론적으로 다이(die)와 냉각 솔루션 사이의 총 열 저항이 감소합니다. 그러나 TIM1.5 애플리케이션에 사용되는 열 인터페이스 재료(TIM)는 전체 열 스택업의 성능에 매우 중요한 역할을 합니다. 종종 GPU, CPU, 또는 때로는 ASIC과 같은 고성능 컴퓨팅(HPC) 애플리케이션에 사용되는 패키지는 열 저항을 최소화하기 위해 뚜껑 없이 설계되므로, 이때 TIM1.5 소재가 필요합니다. 그림 2는 방열판 부착을 준비한 4개의 집적회로(IC) 다이를 덮고 있는 TIM1.5를 보여줍니다.
그림 2. 방열판 적용을 기다리는 4개의 IC 다이를 덮고 있는 TIM1.5.
론 박사님 TIM1.5의 문제점은 무엇인가요?
존: TIM의 주된 목적은 반도체 다이와 같은 고온 표면과 방열판과 같은 저온 표면 사이의 공기 틈을 메우는 것입니다. 금속 기반 TIM은 폴리머 기반 TIM에 비해 체적 열전도도가 매우 높지만, 열전도도만이 TIM을 선택하는 유일한 기준은 아닙니다. TIM과 IC, 방열판 사이의 계면에서 발생하는 저항도 중요합니다. 따라서 금속 TIM의 경우, 열 인터페이스 저항이 낮은 금속 용액을 사용하는 것이 중요합니다. 또한, 특정 패키지 형태에 잘 맞는 TIM이 다른 패키지 형태에는 적합하지 않을 수 있다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 시스템 조립 과정에서 TIM이 어떻게 도포될지 파악하는 것 또한 매우 중요합니다. TIM1.5 응용 분야에서는 압축성 금속 TIM, 솔더형 TIM, 그리고 액체 금속 TIM이 사용되고 있습니다. 당사가 TIM1.5 응용 분야에서 고객의 문제 해결을 돕는 주요 과제는 열 저항, 표면 습윤성, 표면 평탄도, 표면 거칠기, 클램핑 힘, 리플로우 온도(솔더형인 경우), 표면 금속화, 보이드 검사 방법, 장기 신뢰성, 그리고 공정 구현 및 최적화에 중점을 두고 있습니다. 일부 고객은 TIM1.5에 솔더 TIM을 선호하고, 다른 고객은 압축성 TIM을 선호하며, 많은 고객은 얇은 본드라인 두께(BLT), 우수한 습윤성, 낮은 계면 저항을 이유로 액체 금속 TIM에 관심을 보이고 있습니다.
론 박사님: TIM1.5에 사용되는 압축성 금속 TIM에 대해 알려주세요.
존: 평평한 금속 포일은 수십 년 동안 압축 가능한 TIM으로 사용되어 왔습니다. 일반적으로 통신, 군사, RF 분야 등에서 사용되는 인듐 금속 또는 구리 심입니다. 2008년, 인듐 코퍼레이션(IndiumCorporation)은 “Heat-Spring®”이라는패턴이 적용된 금속 포일에 대한 특허를 취득했으며, 현재 이 제품은 TIM1.5, TIM2, 번인(burn-in), IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터) 및 SiC 패키지와 같은 고전력 응용 분야를 위한 콜드 플레이트용 대면적 베이스플레이트, 그리고 침지 냉각 응용 분야를 포함하여 다양한 고성능 응용 분야를 해결하기 위해 설계된 다양한 합금 및 패턴 유형으로 구성된 제품군으로 자리 잡았습니다. 이 패턴화된 금속은 TIM과 방열판 사이, 그리고 TIM과 IC 사이의 공기 주머니를 제거함으로써 열 인터페이스 전도도를 향상시키는 데 기여합니다. 우수한 열 인터페이스 전도도는 압축 가능한 금속 TIM의 핵심 성능 기준입니다.
Heat-Spring®은 연질 금속 합금 열 인터페이스 재료(SMA-TIM)입니다. 이 제품은 패턴화되어 있어 적용이 매우 쉬운 비리플로 압축 가능한 TIM입니다. 평평한 금속 포일에 비해 다이 및 방열판 표면에 대한 순응도가 높습니다. 패턴의 작은 접촉 영역에 압력이 집중되어 소성 변형이 발생하고 접촉이 개선되어 시간이 지남에 따라 열 저항이 감소합니다. 두 표면 사이에 압축된 Heat-Spring®은 표면이 휘어지거나 거칠거나 동일 평면이 아닌 경우에도 매우 낮은 열 저항을 제공합니다. TIM1.5로 사용할 경우 Heat-Spring®은 복잡하고 비용이 많이 드는 시스템 레벨 리플로우 공정 없이도 금속 기반 TIM 솔루션을 제공합니다.
당사는 최근 “HSx”라는 혁신적인 신규 패턴을 개발했습니다. 이 패턴은 새로운 제조 기술을 적용하여, 휘어지거나 뒤틀림이 심한 다이(뒤틀림 >150 μm)에 대해 향상된 유연성을 제공할 뿐만 아니라, 당사의 기존 패턴(HSD 및 HSHP(하이 프로파일))에 비해 더 낮은 압력(30 psi)으로도 초저 열저항을 실현합니다. 그림 3을 참조하십시오.
그림 3. 다양한 Heat-Spring® 패턴.
Heat-Spring®의 유연성은 시간이 지남에 따라, 그리고 “번인(burn-in)”이라고 하는 열 사이클을 거치면서 향상됩니다. HSx는 특히 번인 기간이 짧으며, 열 사이클을 거칠수록 성능이 향상됩니다. 그림 4를 참조하십시오.
그림 4. HSx의 전원 온/오프 사이클 테스트(0~600와트, 35,000회). 위에서 볼 수 있듯이 Tj는 시간이 지남에 따라 감소하다가 안정화된다.
기판과 실리콘 칩 간의 열팽창 계수(CTE) 불일치로 인해, 고객들은 여전히 뒤틀림을 주요 과제로 인식하고 있습니다. 이에 따라 당사는 뒤틀림 문제를 고려하여 새로운 패턴을 개발했습니다. 뒷면 메탈라이제이션이 필요하지 않기 때문에, HSx는 최소 30 psi의 클램핑 힘이 가해질 수 있는 응용 분야에 이상적인 TIM1.5 옵션입니다.
론 박사님 열 그리스를 사용하지 않는 이유는 무엇인가요? 뒤틀림에 잘 견디는 것 같고 오랫동안 사용되어 온 제품입니다.
존: 일부 응용 분야의 경우 , 전력 소비가 낮다면 열전도 그리스도 충분히 적합한 TIM입니다. 이러한 저전력 밀도 응용 분야에서는 그리스만으로도 성능이 충분히 만족스러울 수 있지만, 항상 “펌프아웃”의 위험이 존재합니다. 펌프아웃은 열 사이클링과 열팽창계수(CTE)의 불일치로 인해 열전도 그리스가 TIM 접합부 밖으로 밀려나오는 현상으로, 이로 인해 열적 결함이 발생하는 경우가 많습니다. 반면, 고체 금속 TIM은 펌프아웃 고장 현상의 영향을 받지 않으며, 고전력 밀도 부품에 이상적입니다.
론 박사: 그림 5에서 구리는 벌크 열 저항이 낮습니다. 구리를 사용하지 않는 이유는 무엇인가요?
그림 5. 대표적인 소재의 열 저항과 본드라인 두께(BLT) 비교
존: 구리는 400 W/mK에 달하는 인상적인 체적 열전도도를 가지고 있지만 , 너무 단단하고 유연성이 없어 TIM(열전도 그리스)으로서 다이에 직접 연결하기에는 부적합합니다. 다이를 파손시키지 않고 공기 틈새를 메울 만큼 구리를 소성 변형시킬 만큼의 충분한 압력을 가하는 것은 불가능합니다. 구리 TIM의 문제점은 그림 6에서 확인할 수 있습니다. 인듐과 비교했을 때, 압력에 따른 구리의 높은 틈새 열저항을 주목해 보십시오. 그림 5에서는 열전도 그리스의 열저항이 매우 높다는 점도 확인할 수 있습니다.
그림 6. 압력에 따른 대표적인 금속의 열 갭 저항.
론 박사: 침수 냉각에서 Heat-Spring®은 어떻게 작동하나요?
존:Heat-Spring®은 직접 칩 접촉(DTC) 및 침지 냉각 응용 분야 모두에서 그 성능이 입증된 열전도 재료(TIM)입니다. 침지 냉각 시스템에서Heat-Spring®이 TIM으로 사용되는 것은 꽤 흔한 일입니다. 열전도 그리스나 널리 사용되는 고분자 상변화 물질(PCM)과 달리,Heat-Spring®은표준 유기 또는 불소계 유전체 침지 유체를 용해시키거나 오염시키지 않습니다. TIM2 또는 TIM1.5로 설치하기 쉽습니다.Heat-Spring®을 배치한 후 방열판이나 콜드 플레이트를 어셈블리에 고정하기만 하면 됩니다. 또한 접촉 저항을 더욱 줄여주는Heat-Spring®의 새로운 적용 방법도 개발했습니다. 조만간 업계에 이러한 새로운 방법을 소개할 수 있기를 기대하고 있습니다.
론 박사님 온천수는 재활용할 수 있나요?
존: 네! 인듐 기반 히트 스프링®은100% 재활용이 가능하며 지속 가능성 프로그램에 엄청난 이점이 있습니다. 폐기물을 매립지로 보내는 대신 사용한 인듐과 기타 여러 금속을 매입하여 다시 사용할 수 있습니다.
론 박사님 존, 고마워요. 가까운 시일 내에 열 관리 문제에 대한 몇 가지 다른 TIM 솔루션에 대해 논의해 보겠습니다.
Jon: 당연하죠!
