朋友們
不久前，我與 Jon Major 共同發表了《金屬 TIMs 入門指南：第一章》。現在，是時候推出第二章了！
羅恩博士Jon, TIM1.5 是什麼？
Jon：TIM1.5 通常指裸晶片（未裝蓋的晶片）與散熱器或冷板之間的介面。與 TIM1 不同，此處沒有散熱片，因此晶片會直接與散熱解決方案接觸。 參見圖 1。我們將 TIM1.5 稱為系統級熱界面材料（TIM），因為 CPU/GPU/ASIC 已焊接在 PCB 上，因此熱界面材料是在系統組裝階段（有時稱為 FATP，即最終組裝、測試與封裝）塗佈的。大多數 TIM1.5 封裝被視為無蓋 BGA 式封裝。在許多產品中，TIM2 同樣屬於系統級熱界面材料。
圖 1.TIM1、TIM2 和 TIM1.5 的應用
羅恩博士TIM1.5 何時使用？
Jon：熱堆疊中的每個介面都會增加熱阻。理論上，若在設計中省去頂蓋，晶片與散熱解決方案之間的總熱阻便會降低。然而，在 TIM1.5 應用中使用的熱介面材料，對於整體熱堆疊的性能至關重要。 通常，用於高效能運算（HPC）應用（如 GPU、CPU 或有時為 ASIC）的封裝，會採用無蓋設計以將熱阻降至最低，因此便需要使用 TIM1.5 材料。圖 2 展示了一層覆蓋四個積體電路（IC）晶片的 TIM1.5，此結構已準備好進行散熱片安裝。
圖 2.覆蓋四個 IC 晶粒的 TIM1.5 正等待散熱片的應用。
羅恩博士TIM1.5 有哪些挑戰？
Jon：熱界面材料 （TIM）的主要目的，是 填補高溫表面（例如半導體晶片）與低溫表面（例如散熱片）之間的空氣間隙。雖然與聚合物基熱界面材料相比，金屬基熱界面材料具有極高的體熱導率，但熱導率並非選用熱界面材料的唯一標準；熱界面材料與積體電路（IC）及散熱片之間的界面熱阻同樣至關重要。 因此，對於金屬熱界面材料而言，採用熱界面阻抗低的金屬溶液至關重要。此外，必須理解的是，某種封裝形式下表現良好的熱界面材料，未必適用於其他封裝形式。了解熱界面材料在系統組裝過程中的實際應用方式同樣至關重要。 在 TIM1.5 應用中，我們看到可壓縮金屬 TIM、焊料型 TIM 以及液態金屬 TIM 的應用。我們協助客戶解決的 TIM1.5 應用挑戰，主要集中在熱阻、表面潤濕性、表面平整度、表面粗糙度、夾緊力、回流溫度（若為焊料型）、表面金屬化、氣孔檢測方法、長期可靠性，以及製程實施與優化等方面。 部分客戶傾向於在 TIM1.5 應用中使用焊料型 TIM，另一些則偏好可壓縮型 TIM；此外，許多客戶對液態金屬 TIM 感興趣，因其具有薄的鍵合線厚度（BLT）、優異的潤濕性以及低界面阻力。
羅恩博士請告訴我們 TIM1.5 中使用的可壓縮金屬 TIM。
Jon：平整的 金屬箔片作為可壓縮熱界面材料（TIM）已有數十年的應用歷史。通常，這些是銦金屬或銅製墊片，廣泛應用於電信、軍事或射頻（RF）等領域。 2008 年，銦公司（Indium Corporation）為一種名為「Heat-Spring®」的圖案化金屬箔申請了專利，該產品現已發展成包含多種合金與圖案類型的系列產品，旨在滿足各類高性能應用需求，包括 TIM1.5、TIM2、老化測試、大面積底板至冷板等應用，適用於 IGBT（絕緣柵雙極電晶體）和 SiC 封裝等高功率應用，以及浸沒冷卻應用。 這種帶圖案的金屬箔有助於消除熱界面材料（TIM）與散熱器之間、以及熱界面材料與積體電路（IC）之間的氣隙，從而提升熱界面導熱性。良好的熱界面導熱性是可壓縮金屬熱界面材料（TIM）的一項關鍵性能指標。
Heat-Spring®是一種軟金屬合金熱介面材料 (SMA-TIM)。它是一種非回流可壓縮 TIM，非常容易應用，而且因為它是圖案化的。與平面金屬箔相比，它能增加模具和散熱表面的順應性。壓力集中在圖案中的小接觸區域，造成塑性變形並改善接觸，長時間使用可降低熱阻。當壓縮在兩個表面之間時，Heat-Spring® 可提供超低的熱阻，即使這些表面是扭曲、粗糙或不共面的。當用作 TIM1.5 時，Heat-Spring® 可提供金屬基 TIM 解決方案，而無需複雜且昂貴的系統層級回流製程。
我們最近開發了一種名為「HSx」的創新新模具，採用新型製造技術，能為彎曲或翹曲較嚴重的模具（翹曲量＞150 μm）提供更高的順應性，同時與我們目前的模具（HSD 和 HSHP（高輪廓））相比，在較低壓力（30 psi）下仍能提供超低的熱阻。請參見圖 3。
圖 3.不同的Heat-Spring®模式。
Heat-Spring®的順應性會隨著時間及熱循環而提升，此過程稱為「燒入」。HSx 的燒入期特別短，且其性能會隨著熱循環而提升。請參閱圖 4。
圖 4. HSx 的電源循環測試，0 至 600 瓦特，共 35,000 次循環。如上圖所示，Tj 隨時間推移而降低，並趨於穩定。
鑑於基板與矽晶片之間的熱膨脹係數（CTE）不匹配，客戶仍將翹曲視為一項重大挑戰。因此，我們在設計新圖案時特別考量了翹曲問題。由於無需進行背面金屬化處理，HSx 對於可提供至少 30 psi 夾緊力的應用場景而言，是理想的 TIM1.5 解決方案。
羅恩博士 為什麼不使用熱潤滑脂？這似乎可以很好地處理翹曲，而且已經存在很久了。
Jon：對於 某些應用而言 ，只要功率較低，導熱膏就是一種完全可接受的熱界面材料（TIM）。在這種低功率密度的應用中，導熱膏通常能發揮良好效能，但始終存在「泵出」的風險——當熱循環與熱膨脹係數（CTE）不匹配時，會將導熱膏從熱界面材料（TIM）的接觸面中擠出，這往往會導致熱傳導失效。 然而，固態金屬導熱材料則不會出現這種「泵出」失效模式，因此非常適合用於高功率密度的元件。
Ron 博士從圖 5 來看，銅的體積熱阻較低。為什麼不用銅呢？
圖 5.代表材料的熱阻 vs bondline 厚度 (BLT)
喬恩：雖然 銅的體熱導率高達近 400 W/mK，表現相當出色，但其硬度過高且缺乏韌性，無法直接作為熱界面材料（TIM）連接至晶片。若要施加足夠的壓力使銅產生塑性變形以填補氣隙，卻又不壓壞晶片，這在技術上是不可能的。圖 6 顯示了銅質熱界面材料所面臨的挑戰。請注意，相較於銦，銅在不同壓力下所呈現的高氣隙熱阻。 圖 5 亦顯示了導熱膏極高的熱阻。
圖 6.代表金屬的熱間隙電阻與壓力的關係。
Ron 博士：Heat-Spring® 如何在浸入式冷卻中發揮作用？
Jon：Heat-Spring®是一款在「直接接觸晶片」（DTC）及浸沒式冷卻應用中均經實證有效的熱界面材料（TIM）。在浸沒式冷卻系統中，Heat-Spring®作為熱界面材料的使用相當普遍。與導熱膏或常見的聚合物相變材料（PCM）不同，Heat-Spring®既不會溶解也不會污染標準的有機或氟化介電浸沒液。 無論作為 TIM2 或 TIM1.5 安裝都十分簡便——只需將Heat-Spring®放置到位，再將散熱器或冷板夾緊至組件上即可。我們還開發出應用Heat-Spring® 的新穎方法，可進一步降低接觸電阻。我們期待在不久的將來向業界介紹這些新方法。
羅恩博士 熱彈簧可以回收嗎？
Jon: 是的！铟基Heat-Spring®是 100% 可回收的，對可持續發展計劃有極大的益處。與其將材料送往垃圾掩埋場，我們會買回使用過的铟和許多其他金屬，這些材料可以再次使用。
羅恩博士 Jon, 謝謝。讓我們在不久的將來討論一些其他 TIM 解決方案，以解決熱管理方面的挑戰
Jon:當然！
