朋友們
羅恩博士在接下來的幾篇文章中，我想和 Indium Corporation 的金屬熱介面材料 (TIM) 產品經理 Jon Major 談談金屬 TIM。Jon，你能告訴我們一些關於你自己的事嗎；你的技術背景、你如何與 Indium Corporation 結緣、你如何對 TIMs 感興趣等等？
喬恩：我 一直對產品開發、工程、材料和製造充滿熱情。我很幸運能在矽谷展開職涯，與全球最傑出的工程師們共事；我有機會參與多項開創性產品的開發，例如首款 iPad Air、首款名為「Sidekick」的雲端智慧型手機、首款連網收音機，以及其他數款行動裝置，還有專為聯網車輛設計的物聯網平台。
Jon：熱 管理向來是設計階段就需考量的重點，特別是在處理消費性產品時。在 Indium Corporation，我有機會深入探究，不僅是材料本身，還包括它們在不同表面、壓力及各種翹曲條件下的表現，以及在不同使用條件下能維持多久的耐用性。 我們的主管級熱管理工程師最近開發了一套內部熱測試平台，能提供具代表性的環境來檢驗熱界面材料的性能。這實在令人著迷！我很榮幸能參與這個專案，讓我們得以向客戶提供寶貴的數據，說明金屬基熱界面材料在各種條件下的表現。
羅恩博士 Jon，您能簡單解釋一下為什麼需要金屬 TIM，以及它們是如何工作的嗎？
喬恩：隨著 積體電路（IC）技術的進步，高性能 IC 所產生的熱量驚人，有時即使 IC 的單邊長度僅略大於一英吋（2.5 公分），其發熱量仍可能超過 1,000 瓦。 IC 通常需要在低於 100°C 的溫度下運作，否則其使用壽命將過短。若沒有熱界面材料（TIM）將熱量從 IC 導出並傳導至散熱片，這個目標將無法達成。
(圖 1 顯示一個 IC 的示意圖，其中有兩個 TIM 將熱傳導至散熱片）。
圖 1.TIM1 將 IC 的熱傳導至 IC 封裝蓋。TIM2 將 IC 封裝蓋上的熱傳導至散熱片。
Jon：過去曾使用聚合物（傳統）熱界面材料（TIM）、凝膠及其他非金屬熱界面材料。在某些應用中，這些材料至今仍在使用。其中最常見的是導熱膏，其使用歷史已長達數十年。導熱膏的載體質地幾乎與凡士林®（Vaseline®）相似。 該載體中含有導電顆粒。隨後，將導熱膏塗佈於圖 1 中金屬 TIMs 所在的位置。導熱膏有兩大缺點。其一是其熱導率不足以應對高效能運算（HPC）、人工智慧（AI）、加速處理單元（APU）及圖形處理單元（GPU）等趨勢所產生的高熱通量。 另一項缺點是，電子元件的開關機循環可能導致「泵出」現象。當導熱膏從其所佔據的空間中被泵出，無法再將熱量從積體電路（IC）導出時，便會發生泵出現象。一旦導熱膏被泵出，便無法再發揮其功能。
喬恩：這正是金屬基熱界面材料（TIM）派上用場的地方。它們能提供最低的熱阻，並可根據特定封裝的需求進行客製化。此外，它們通常也不會發生泵出現象。
Jon:隨著 HPC 的進步，我們看到客戶因為晶粒變薄和翹曲、熱交談 (來自鄰近元件的熱量) 以及其他各種設計挑戰，而面臨額外的挑戰。由於金屬基 TIM 可解決上述許多挑戰，並提供高功率密度應用所需的效能與可靠性，因此市場對金屬基 TIM 的需求持續成長。
Jon：雖 然 TIM 的主要目的是幫助將熱量從熱表面傳遞到冷表面，但在某些應用中還需要考慮其他屬性（例如易於組裝、可靠性、可持續性）。金屬基 TIM 可分為焊接型 (回流焊)、壓縮型 (非回流焊)、液態型 (液態金屬 TIM) 或相變 TIM。相變 TIM 的設計目的是在達到一定溫度時改變相位。我們將在未來的文章中涵蓋所有這些金屬 TIM。
Jon：金屬 TIM 的優點是具有最高的 TIM 材料體積熱導率，但必須認識到，僅僅體積熱導率並非選擇 TIM 的唯一標準。热接触电阻或界面电阻通常主导 TIM 的整体热阻。因此，高表面润湿性以最小化热接触电阻是 TIM 性能的关键标准。
羅恩博士據我瞭解，TIM1 通常是焊接 TIM。您能解釋一下它們是如何工作的嗎？
Jon：TIM1 通常被稱為晶片背面與整合式散熱片（IHS）底面及元件蓋之間的介面。此介面處的焊接型熱介質（sTIM）堪稱熱介質中的「凱迪拉克」。經回流焊接後，sTIM 會形成金屬間化合物，從而提供極低的介面熱阻。 加上金屬基熱界面材料本身具有高體熱導率，sTIM 能提供極低的整體熱阻。由於介面處會形成金屬間化合物（IMC），sTIM 還能將晶片與 IHS 機械性地緊密結合。我們經常被問到，焊點的剛性是否會在電源循環過程中造成問題。 只要選用適當的合金並採用正確的製程，sTIM 便能提供封裝壽命期間所需的延展性，因此剛性問題無需擔憂。
喬恩 在選用 sTIM 時，有許多製程方面的考量因素。Indium Corporation 擁有豐富的經驗與相關指引，可協助客戶充分發揮 sTIM 的優勢。組裝 TIM1 時面臨的挑戰之一，是在回流過程中產生氣孔（參見圖 2）。經過多次回流後，氣孔問題會更加嚴重。
圖 2.TIM1 置於晶片 (或裸片) 與 IHS 之間。
Ron 醫生： 我知道在減少排尿方面有一些突破，您能解釋一下嗎？
Jon： 過去，sTIM 主要用於 LGA 或 PGA 型封裝。這些封裝需要回流一次以回流 sTIM。由於 sTIM 所提供的優點，人們正努力尋找最佳的 sTIM 材料和製程，讓封裝能在多次 BGA 回流週期（通常峰值溫度為 240-250°C）中經得起考驗。隨後的每次回流，傳統的 sTIM 材料都會出現空隙增生，導致熱性能變差。
(與純铟相比，InAg 合金在減少後續回流的空隙增長方面有顯著改善。見圖 3)。
圖 3.與 In TIM1s 相比，InAg TIM1s 能顯著減少排尿。
Jon：然而， 在焊點中添加銀（Ag）會帶來取捨。銀含量增加也意味著體熱導率降低，且焊點剛性增加，進而導致機械可靠性下降。目前正進行大量研究，以了解不同成分的銦銀（InAg）合金在各種表面上的潤濕特性，以及其在可靠性測試中的表現。 高表面潤濕性是熱介質（TIM）的一項關鍵性能指標，可將熱接觸電阻降至最低。此外，潤濕性不佳會導致氣孔率增加，進而造成熱性能下降。透過適當的合金選用、助焊劑及製程考量，sTIM 可應用於將經歷多次回流循環的倒裝晶片 BGA（FCBGA）式封裝中（參見圖 4）。
圖 4.InAg sTIM 非常適合 FCBGA。
朋友們
敬請期待我們下一篇關於 mTIMS1.5 的文章！
乾杯
羅恩博士
