A palavra Creep não é algo que um engenheiro queira ouvir quando está a conceber um TIM metálico para a sua pilha de díodos laser. Mas será que a fluência é realmente um problema, e será que compreendemos realmente a fluência quando falamos de índio? A resposta é relativa. Em anexo, encontra-se um diagrama de empilhamento que fiz de uma pilha de díodos típica. Esta pode ser uma aplicação laser ou uma aplicação LED. A camada de ligação ao molde é normalmente uma solda de alta temperatura ou um epóxi com prata. O índio pode ser utilizado a este nível? A resposta é sim, se e somente se a temperatura da junção estiver longe do ponto de fusão do índio puro, que é 156C. As soldas macias são apenas isso, são macias, e no die attach alguns clientes utilizaram o índio a este nível, mas não é tão comum como outras soldas de temperatura mais elevada como AuSn, ligas Sac ou SnAg. Os epóxis com enchimento de prata estão a ficar cada vez melhores, mas há alguns problemas com a sua condutividade e o seu processo. Quando se utiliza uma solda como fixação da matriz, a própria matriz pode flutuar ou mover-se durante o refluxo. Neste caso, pode ser utilizado algum tipo de mecanismo para o manter no lugar durante a refusão, de modo a garantir que o seu alinhamento é perfeito. Portanto, para responder à pergunta, a solda pode ser usada como fixação de matriz nesta aplicação, mas a liga escolhida determinará realmente a eficácia e a fiabilidade da mesma.
No caso do TIM2 (material de interface térmica de nível 2), há mais algumas considerações a fazer. Comecemos por assumir que vamos efetuar a refusão a este nível. O cobre ao nível do espalhador de calor não será um problema, mas o níquel ao nível do espalhador/dissipador será um problema. O alumínio também será um problema aqui. O problema é que estes materiais são difíceis de soldar, mas pode ser feito. Pode ser utilizado um fluxo de alta atividade, como o Indiums RSA ou o Flux number 3, para quebrar a camada de óxido que estará presente. No entanto, uma camada de ouro na superfície ajudará a garantir que a soldadura será eficaz. A Indium recomenda que não se exceda 50 micro polegadas de ouro, e recomenda que quanto mais fino melhor, normalmente 10 micro polegadas são suficientes. O elemento índio dissolverá efetivamente o ouro ou, de outra forma, o ouro difundir-se-á no índio. Durante a soldadura, forma-se um intermetálico de índio/ouro. Esta é uma camada frágil e, se for utilizado demasiado ouro, pode induzir problemas de fiabilidade e fissuras na junta. Assim, voltando à nossa pergunta original: porque é que se usaria índio aqui e se pode usar índio aqui? Esta é a área mais comum onde a fluência do índio pode ser um problema. No entanto, a fluência pode ser aceitável. O índio não se deformará a ponto de sair como uma bomba ou como um jogo. O grau de deformação está relacionado com a pressão exercida, ou seja: movimento CTE ou pressão direta de fixação, bem como com a temperatura a que a interface está sujeita. Se a temperatura da junção for inferior a 20 graus do ponto de fusão e for permitido algum movimento, como numa aplicação de LED, isso é aceitável. No entanto, numa aplicação laser, a Indium Corporation aconselha normalmente a não utilizar índio puro a este nível e a escolher uma liga como prata de índio ou prata de estanho. Quanto mais prata for adicionada à liga, mais duro se tornará o material. Considera o seguinte. O índio puro tem uma condutividade de 86W/mk, mp=156C Eutéctico e uma resistência do estanho de 273 psi. Se adicionarmos 3% de prata, o MP passa para 143C Eutéctico, a condutividade desce para 73, mas a resistência do ouropel sobe para 800 psi. Melhor ainda, adicione 10% de prata e o MP é agora plástico de 143 a 237, a condutividade desce para 67, mas o tensil sobe para 1650 psi. Depois, considere o SnAg que tem um ponto de fusão de 221C, uma condutividade de 33W/mk e uma tensão de 5800 psi. Qual é o melhor para a sua aplicação? Se o CTE for um problema, opte por menos prata, se a temperatura for um problema, opte por nenhum índio, se a condutividade for um problema, opte por um índio elevado.
Quando se considera um metal compressível ao nível do TIM2, a questão que se coloca agora é a pressão que se tem, a temperatura da junção e a planaridade da superfície. Obviamente, com uma interface compressível, já não é necessário ouro e não haverá problemas com o índio em contacto direto com o níquel. No entanto, o cobre e o índio podem formar um intermetálico ao longo do tempo; contudo, a camada de óxido sobre o cobre impede que isso aconteça. De facto, no nosso laboratório térmico, só vimos isto acontecer quando cozemos os módulos durante mais de 1000 horas a 125C+. Mesmo assim, o fenómeno era nominal. Se não acredita que irá retrabalhar a interface 4-5 anos após a sua construção, diria que isso não será um problema, na verdade irá melhorar o desempenho térmico e a fiabilidade. O retrabalho dentro de 1-2 anos não será um problema. Muitos dos nossos clientes já utilizam o índio a este nível como interface compressível, mas poucos estão conscientes de que podem efetivamente melhorar o desempenho se o converterem para um Heat-Spring ™. O Heat-Spring é um processo patenteado que nos permite diminuir a resistência de contacto do metal se a pressão for de pelo menos 50 psi. Isso permite que o empilhamento use uma espessura de linha de ligação mais fina e melhore o desempenho térmico da interface térmica do metal. E quanto à fluência nesta interface? Mais uma vez, a alteração da liga pode eliminar a possibilidade de isso acontecer, mas a conversão de uma folha plana de índio padrão para uma mola térmica diminuirá ainda mais essas hipóteses, porque a sua linha de ligação é normalmente muito menor se utilizar uma mola térmica. (Em média, cerca de 0,003").
Em resumo, os aspectos a considerar quando se utiliza uma interface térmica metálica ou uma solda de encaixe são os seguintes
- Qual é a temperatura de trabalho da interface?
- Esta temperatura está demasiado próxima do ponto de fusão da interface térmica metálica?
- O dispositivo consegue suportar a temperatura de refluxo de uma solda de temperatura mais elevada, como a solda ouro-estanho ou prata-estanho
- O desempenho térmico da interface é um problema, pelo que, se alterar a condutividade da interface térmica metálica diminuindo o teor de índio, estará a prejudicar a condutividade de toda a pilha? Por exemplo, passar de 86w/mK para 67w/mK.
- A fluência é realmente um problema? Se o dispositivo puder aceitar um pequeno grau de movimento, não há problema em utilizar índio. Se até mesmo um ligeiro problema causar um problema, sugira uma liga de índio e não índio puro.
No final, a Indium Corporation está aqui para o ajudar. Consulte o nosso sítio Web para obter informações adicionais, incluindo a nossa lista eletrónica de ligas para o ajudar a escolher o melhor Material de Interface Térmica Metálica.
