Pessoal,
Dr. Ron: Nos meus próximos posts, gostaria de conversar com o Diretor de Produto de materiais de interface térmica (TIMs) metálicos da Indium Corporation, Jon Major, sobre TIMs metálicos. Jon, pode falar-nos um pouco sobre si; a sua formação técnica, como se ligou à Indium Corporation, como se interessou pelos TIMs, etc.?
Jon: Sempre fui apaixonado pelo desenvolvimento de produtos, engenharia, materiais e fabrico. Tive a sorte de iniciar a minha carreira no Vale do Silício, a trabalhar com os engenheiros mais brilhantes do planeta; tive a oportunidade de trabalhar em vários produtos inovadores, tais como o primeiro iPad Air, o primeiro smartphone baseado na nuvem chamado «Sidekick», o primeiro rádio ligado à Internet e vários outros dispositivos móveis, bem como numa plataforma de IoT para veículos conectados.
Jon: A gestão térmica sempre foi tida em conta na fase de conceção, especialmente no que diz respeito a produtos de consumo. Na Indium Corporation, tenho a oportunidade de aprofundar o assunto, não só no que se refere aos próprios materiais, mas também ao seu desempenho em contacto com várias superfícies, sob diferentes pressões e em condições variáveis de deformação, bem como à sua durabilidade em diferentes condições de utilização. O nosso engenheiro térmico principal desenvolveu recentemente um equipamento de ensaio térmico interno que proporciona um ambiente representativo para avaliar o desempenho dos materiais de interface térmica. É bastante fascinante! Fiquei contente por fazer parte de um projeto que nos permite fornecer aos nossos clientes dados valiosos sobre o desempenho dos TIMs à base de metal em condições variáveis.
Dr. Ron: Jon, pode explicar brevemente porque é que os TIMs metálicos são necessários e como funcionam?
Jon: À medida que a tecnologia dos circuitos integrados (CI) tem avançado, a quantidade de calor gerada por um CI de alto desempenho é impressionante, chegando por vezes a ultrapassar os 1 000 watts quando o CI tem apenas um pouco mais de uma polegada (2,5 cm) de lado. Normalmente, o IC precisa de funcionar a uma temperatura inferior a 100 °C, caso contrário a sua vida útil será demasiado curta. Sem os TIMs para conduzir o calor para longe do IC e para o dissipador de calor, este objetivo seria impossível de alcançar.
(A Figura 1 mostra um esquema de um CI com dois TIMs para conduzir o calor para o dissipador de calor).
Figura 1. O TIM1 conduz o calor do CI para a tampa da embalagem do CI. O TIM2 conduz o calor da tampa da embalagem do CI para o dissipador de calor.
Jon: No passado, utilizavam-se TIMs poliméricos (tradicionais), géis e outros TIMs não metálicos. Em algumas aplicações, continuam a ser utilizados até hoje. O mais comum era a pasta térmica, que tem sido utilizada há muitas décadas. A pasta térmica tem um veículo que é quase semelhanteà Vaseline®. Este veículo está repleto de partículas condutoras. A pasta térmica é então aplicada nos locais onde se encontram os TIMs metálicos, conforme ilustrado na Figura 1. A pasta térmica apresenta duas desvantagens. A primeira é que a sua condutividade térmica não é suficiente para dar resposta aos fluxos de calor mais elevados gerados pelas tendências da computação de alto desempenho (HPC), da IA, das unidades de processo acelerado (APU) e das unidades de processamento gráfico (GPU). A outra é que os ciclos de ligar/desligar dos componentes eletrónicos podem causar o «pump-out». O «pump-out» ocorre quando a pasta térmica é expulsa do espaço que ocupa para dissipar o calor do circuito integrado (IC). Com a pasta térmica expulsa, esta deixa de poder desempenhar a sua função.
Jon: É aqui que entram os TIMs à base de metais. Estes podem proporcionar a resistência térmica mais baixa e ser personalizados de acordo com as necessidades específicas de cada pacote. Além disso, normalmente não sofrem de «pump-out».
Jon: Com o avanço da HPC, vemos os clientes a enfrentarem desafios adicionais devido ao enfraquecimento e empenamento da matriz, à interação térmica (calor de componentes vizinhos) e a vários outros desafios de design. A procura de TIMs à base de metal continua a crescer, uma vez que estes podem resolver muitos destes desafios e proporcionar o desempenho e a fiabilidade necessários em aplicações de alta densidade de potência.
Jon: Embora o principal objetivo de um TIM seja ajudar a transferir calor de uma superfície quente para uma fria, existem outros atributos a considerar em determinadas aplicações (por exemplo, facilidade de montagem, fiabilidade, sustentabilidade). Os TIM à base de metal podem ser classificados como soldados (refluxo), compressíveis (não refluxo), à base de líquido (TIM de metal líquido) ou como TIM de mudança de fase. Os TIMs de mudança de fase são concebidos para mudar de fase quando é atingida uma determinada temperatura. Iremos abordar todos estes TIMs metálicos em publicações futuras.
Jon: Os TIM metálicos têm a vantagem de possuir algumas das mais elevadas condutividades térmicas globais dos materiais TIM, mas é importante reconhecer que a condutividade térmica global não é, por si só, o único critério para a seleção de um TIM. A resistência ao contacto térmico, ou resistência interfacial, domina normalmente a resistência térmica global do TIM. Por conseguinte, uma elevada humidificação da superfície, para minimizar a resistência térmica de contacto, é um critério crítico de desempenho do TIM.
Dr. Ron: Pelo quesei, o TIM1 é normalmente um TIM de soldadura. Pode explicar como é que eles funcionam?
Jon: O TIM1 é geralmente referido como a interface entre a parte posterior de um die e a parte inferior de um dissipador de calor integrado (IHS) e da tampa do componente. Um TIM soldado (sTIM) nesta interface é o «Cadillac» dos TIMs. Após o refluxo, os sTIMs formam ligações intermetálicas que proporcionam uma baixa resistência interfacial. Aliado ao facto de os TIMs à base de metal apresentarem elevada condutividade térmica volumétrica, o sTIM proporciona uma resistência térmica global muito baixa. Os sTIMs também fixam mecanicamente o chip e o IHS, uma vez que se forma um composto intermetálico (IMC) na interface. Frequentemente, perguntam-nos se a rigidez da junta de solda poderá causar problemas durante os ciclos de alimentação. Com a liga e o processo adequados, o sTIM pode proporcionar a ductilidade necessária durante a vida útil do pacote, pelo que as questões de rigidez não constituem motivo de preocupação.
Jon: Existem muitos aspetos processuais a ter em conta na seleção de um sTIM. A Indium Corporation dispõe da experiência e das orientações necessárias para ajudar os clientes a tirar partido das vantagens dos sTIM. Um dos desafios na montagem de TIM1 é a formação de bolhas durante o refluxo (ver Figura 2). A formação de bolhas agrava-se após múltiplos ciclos de refluxo.
Figura 2. O TIM1 é colocado entre o chip (ou matriz) e o IHS.
Dr. Ron: Sei que tem havido alguns avanços na redução da micção, pode explicar-me?
Jon: Historicamente, os sTIMs eram utilizados principalmente em embalagens do tipo LGA ou PGA. Estas embalagens eram refundidas uma vez para refundir o sTIM. Devido às vantagens oferecidas pelos sTIMs, há esforços para encontrar um material sTIM ideal e um processo para embalagens que possam sobreviver a múltiplos ciclos de refusão BGA, normalmente com uma temperatura de pico de 240-250°C. Com cada refusão subsequente, os materiais sTIM tradicionais apresentam um crescimento de vazios que conduz a um fraco desempenho térmico.
(As ligas de InAg mostram uma melhoria significativa em comparação com o índio puro para reduzir o crescimento de vazios em refluxos subsequentes. Ver Figura 3).
Figura 3. Os TIM1s InAg reduzem significativamente a micção em comparação com os TIM1s In.
Jon: No entanto , a adição de prata (Ag) à junta de solda implica algumas desvantagens. Uma maior quantidade de prata significa também uma menor condutividade térmica volumétrica e uma junta de solda mais rígida, o que conduz a uma menor fiabilidade mecânica. Estão em curso investigações significativas para compreender como diferentes composições de InAg se humedecem em várias superfícies e qual o seu desempenho durante os testes de fiabilidade. Uma elevada humectação da superfície, para minimizar a resistência de contacto térmico, é um critério crítico de desempenho do TIM. Além disso, uma humectação deficiente pode resultar num maior número de bolhas, levando também a um desempenho térmico insatisfatório. Com a seleção adequada das ligas e tendo em conta as considerações relativas ao fluxo e ao processo, o sTIM pode ser adotado em pacotes do tipo Flip Chip BGA (FCBGA) que serão submetidos a múltiplos ciclos de refluxo (ver Figura 4).
Figura 4. Os sTIMs InAg adaptam-se bem aos FCBGAs.
Pessoal,
Fique atento à nossa próxima publicação sobre o mTIMS1.5!
Saúde,
Dr. Ron
