Pessoal,
Há pouco tempo, publiquei o artigo «Metal TIMs 101: Capítulo 1», em colaboração com o Jon Major. Agora chegou a altura do Capítulo 2!
Dr. Ron: Jon, o que é o TIM1.5?
Jon: O TIM1.5 refere-se normalmente à interface entre um die nu (um die sem tampa) e um dissipador de calor ou placa fria. Ao contrário do TIM1, não existe um dissipador de calor, pelo que o die está em contacto direto com a solução de arrefecimento. Ver Figura 1. Referimo-nos ao TIM1.5 como um TIM ao nível do sistema porque a CPU/GPU/ASIC já se encontra soldada a uma placa de circuito impresso (PCB), pelo que o TIM é aplicado durante a montagem do sistema (por vezes designada por FATP (Montagem Final, Teste e Embalagem)). A maioria das embalagens TIM1.5 são consideradas embalagens do tipo BGA sem tampa. O TIM2 é também um TIM ao nível do sistema em muitos produtos.
Figura 1. A aplicação do TIM1, do TIM2 e do TIM1.5
Dr. Ron: Quando é que se utiliza o TIM1.5?
Jon: Cada interface numa pilha térmica aumenta a resistência térmica. Ao eliminar a tampa num projeto, a resistência térmica total entre o chip e a solução de arrefecimento é, em teoria, reduzida. No entanto, o material de interface térmica utilizado numa aplicação TIM1.5 desempenha um papel muito importante no desempenho da pilha térmica global. Frequentemente, os pacotes utilizados em aplicações de Computação de Alto Desempenho (HPC), como GPUs, CPUs ou, por vezes, ASICs, são concebidos sem tampa para minimizar a resistência térmica, pelo que se torna necessário um material TIM1.5. A Figura 2 mostra um TIM1.5 a cobrir quatro chips de circuitos integrados (IC) prontos para a fixação do dissipador de calor.
Figura 2. Um TIM1.5 a cobrir quatro chips de circuitos integrados, à espera da aplicação do dissipador de calor.
Dr. Ron: Quais são os desafios associados ao TIM1.5?
Jon: O principal objetivo de um TIM é preencher os espaços de ar entre uma superfície quente, como o chip semicondutor, e uma superfície fria, como um dissipador de calor. Embora os TIMs à base de metal tenham uma condutividade térmica volumétrica muito elevada em comparação com os TIMs à base de polímeros, a condutividade térmica não é o único critério para a seleção de um TIM; as resistências nas interfaces do TIM com o circuito integrado e o dissipador de calor também são importantes. Assim, no caso dos TIMs metálicos, é importante dispor de uma solução metálica com baixa resistência de interface térmica. Além disso, é importante compreender que um TIM que funciona bem num determinado tipo de embalagem pode não ser o ideal para outros. Compreender como o TIM será aplicado durante a montagem do sistema é igualmente fundamental. Vemos TIMs metálicos compressíveis, TIMs soldados, bem como TIMs de metal líquido utilizados em aplicações TIM1.5. Os desafios que ajudamos os clientes a resolver nas aplicações TIM1.5 centram-se principalmente na resistência térmica, humedecimento da superfície, planicidade da superfície, rugosidade da superfície, força de fixação, temperatura de refluxo (se soldado), metalizações da superfície, métodos de inspeção de vazios, fiabilidade a longo prazo, bem como na implementação e otimização do processo. Alguns clientes preferem utilizar um TIM de solda para o TIM1.5, outros optam por TIMs compressíveis e muitos estão interessados em TIMs de metal líquido devido à sua espessura reduzida da linha de ligação (BLT), excelente humedecimento e baixa resistência interfacial.
Dr. Ron: Fale-nos sobre os TIMs de metal compressível utilizados no TIM1.5.
Jon: As folhas metálicas planas têm sido utilizadas como TIM compressível há várias décadas. Normalmente, trata-se de folhas de índio ou de cobre utilizadas nos setores das telecomunicações, militar ou de RF, entre outros. Em 2008, a Indium Corporation patenteou uma folha metálica padronizada denominada«Heat-Spring®», que constitui agora uma família de várias ligas e tipos de padrões concebida para responder a uma variedade de aplicações de alto desempenho, incluindo TIM1.5, TIM2, testes de burn-in, placas de base de grande área e placas de arrefecimento para aplicações de alta potência, como IGBTs (transístores bipolares de porta isolada) e pacotes de SiC, bem como aplicações de arrefecimento por imersão. O metal padronizado ajuda a melhorar a condutividade da interface térmica, eliminando bolsas de ar entre o TIM e o dissipador de calor e entre o TIM e o circuito integrado (IC). Uma boa condutividade da interface térmica é um critério de desempenho crítico para um TIM metálico compressível.
O Heat-Spring® é um material de interface térmica (TIM) constituído por uma liga metálica macia (SMA-TIM). Trata-se de um TIM compressível sem refluxo, muito fácil de aplicar devido ao seu padrão. Oferece uma maior adaptabilidade às superfícies do chip e do dissipador de calor, em comparação com as folhas metálicas planas. A pressão concentra-se em pequenas áreas de contacto no padrão, provocando uma deformação plástica e melhorando o contacto, o que reduz a resistência térmica ao longo do tempo. Quando comprimido entre duas superfícies,o Heat-Spring® proporciona uma resistência térmica ultrabaixa, mesmo que essas superfícies estejam deformadas, rugosas ou não estejam no mesmo plano. Quando utilizado como TIM1.5,o Heat-Spring® oferece uma solução de TIM à base de metal sem a necessidade de processos de refluxo complexos e dispendiosos ao nível do sistema.
Desenvolvemos recentemente um novo padrão inovador denominado «HSx», que utiliza uma nova técnica de fabrico, oferecendo maior flexibilidade para matrizes curvadas ou com maior empenamento (>150 μm de empenamento), além de proporcionar uma resistência térmica ultrabaixa com menor pressão (30 psi) em comparação com os nossos padrões atuais (HSD e HSHP (perfil alto)). Ver Figura 3.
Figura 3. Os diferentes modelosHeat-Spring ®.
A conformidadedo Heat-Spring® melhora com o tempo e com os ciclos térmicos, um processo conhecido como «burn-in». O HSx tem um período de burn-in especialmente curto e o seu desempenho melhora com os ciclos térmicos. Ver Figura 4.
Figura 4. Ciclos de ligar e desligar do HSx, 0-600 Watts durante 35 000 ciclos. A Tj diminui com o tempo e estabiliza, como se pode ver acima.
Os clientes continuam a considerar a deformação um grande desafio, devido à incompatibilidade dos coeficientes de expansão térmica (CTE) entre o substrato e o chip de silício. Por isso, desenvolvemos o novo padrão tendo em conta a deformação. Uma vez que não é necessária qualquer metalização na face posterior, o HSx é uma opção ideal de TIM1.5 para aplicações em que esteja disponível uma força de fixação de, pelo menos, 30 psi.
Dr. Ron: Porque não usar pasta térmica? Parece que lida bem com a deformação e já existe há muito tempo.
Jon: Para algumas aplicações, a pasta térmica é um TIM perfeitamente aceitável, desde que a potência seja baixa. Para essas aplicações de baixa densidade de potência, a pasta térmica costuma funcionar bem, mas existe sempre o risco de «pump-out», que ocorre quando os ciclos térmicos e as incompatibilidades de CTE fazem com que a pasta térmica seja efetivamente expulsa da interface do TIM, levando frequentemente a uma falha térmica. Os TIMs de metal sólido, no entanto, não estão sujeitos a este modo de falha por «pump-out» e são ideais para componentes de elevada densidade de potência.
Dr. Ron: Pela Figura 5, o cobre apresenta uma resistência térmica volumétrica mais baixa. Porque não usar cobre?
Figura 5. Resistência térmica de materiais representativos em função da espessura da linha de ligação (BLT)
Jon: Embora o cobre tenha uma condutividade térmica volumétrica impressionante de quase 400 W/mK, é demasiado duro e rígido para ser ligado diretamente a um chip como TIM. Não é possível aplicar pressão suficiente para deformar plasticamente o cobre de forma a preencher as lacunas de ar sem esmagar o chip. O desafio dos TIMs de cobre pode ser observado na Figura 6. Repare-se na elevada resistência térmica do cobre em lacunas, em função da pressão, quando comparado com o índio. A Figura 5 também mostra a resistência térmica muito elevada da pasta térmica.
Figura 6. Resistência térmica de metais representativos em função da pressão.
Dr. Ron: Como é queo Heat-Spring® funciona no arrefecimento por imersão?
Jon:O Heat-Spring® é um TIM comprovado tanto em aplicações de refrigeração direta no chip (DTC) como em refrigeração por imersão. É bastante comum vero Heat-Spring® utilizado como TIM em sistemas de imersão. Ao contrário das pastas térmicas ou dos populares materiais poliméricos de mudança de fase (PCMs),o Heat-Spring®não se dissolve nem contamina os fluidos dielétricos de imersão orgânicos ou fluorados padrão. É fácil de instalar, quer como TIM2 quer como TIM1.5 – basta colocar oHeat-Spring® e fixar o dissipador de calor ou a placa de refrigeração ao conjunto. Dispomos também de novas formas inovadoras de aplicar oHeat-Spring®, o que reduz ainda mais a resistência de contacto. Estamos ansiosos por apresentar estes novos métodos à indústria num futuro próximo.
Dr. Ron: As fontes termais são recicláveis?
Jon: Sim!Os Heat-Spring®à base de índio são 100% recicláveis e representam uma enorme vantagem para os programas de sustentabilidade. Em vez de enviar o material para um aterro sanitário, iremos recomprar o índio usado, bem como muitos outros metais, que podem ser reutilizados.
Dr. Ron: Jon , obrigado. Vamos discutir outras soluções da TIM para os desafios da gestão térmica num futuro próximo
Jon: Podes crer!
