Mọi người ơi,
Tiến sĩ Ron: Trong một số bài đăng tiếp theo, tôi muốn trò chuyện với Jon Major, Giám đốc sản phẩm vật liệu giao diện nhiệt kim loại (TIM) của Indium Corporation, về TIM kim loại. Jon, anh có thể cho chúng tôi biết đôi chút về bản thân anh không; lý lịch kỹ thuật của anh, cách anh kết nối với Indium Corporation, cách anh quan tâm đến TIM, v.v.?
Jon: Tôi luôn đam mê phát triển sản phẩm, kỹ thuật, vật liệu và sản xuất. Tôi may mắn được bắt đầu sự nghiệp tại Thung lũng Silicon, làm việc cùng những kỹ sư tài năng nhất trên thế giới; tôi đã có cơ hội tham gia phát triển nhiều sản phẩm đột phá, như chiếc iPad Air đầu tiên, chiếc điện thoại thông minh dựa trên đám mây đầu tiên mang tên “Sidekick”, chiếc radio kết nối internet đầu tiên, cùng nhiều thiết bị di động khác, cũng như một nền tảng IoT dành cho xe kết nối.
Jon: Quản lý nhiệt luôn được xem xét ngay từ giai đoạn thiết kế, đặc biệt là khi nói đến các sản phẩm tiêu dùng. Tại Indium Corporation, tôi có cơ hội nghiên cứu sâu hơn, không chỉ về bản thân các vật liệu mà còn về cách chúng hoạt động trên các bề mặt khác nhau, dưới các mức áp suất khác nhau, trong các điều kiện cong vênh thay đổi, cũng như thời gian tồn tại của chúng trong các điều kiện sử dụng khác nhau. Kỹ sư nhiệt chính của chúng tôi gần đây đã phát triển một thiết bị thử nghiệm nhiệt nội bộ, tạo ra môi trường tiêu biểu để kiểm tra hiệu suất của các vật liệu giao diện nhiệt (TIM). Điều này thực sự rất thú vị! Tôi rất vui khi được tham gia vào dự án này, giúp chúng tôi cung cấp cho khách hàng những dữ liệu quý giá về hiệu suất của các vật liệu giao diện nhiệt gốc kim loại (TIM) trong các điều kiện khác nhau.
Tiến sĩ Ron: Jon, bạn có thể giải thích ngắn gọn tại sao cần có TIM kim loại và chúng hoạt động như thế nào không?
Jon: Cùng với sự phát triển của công nghệ mạch tích hợp (IC), lượng nhiệt do một IC hiệu suất cao sinh ra là vô cùng lớn, đôi khi vượt quá 1.000 watt dù kích thước của IC chỉ lớn hơn một inch (2,5 cm) một chút ở một cạnh. Thông thường, IC cần hoạt động ở nhiệt độ dưới 100°C, nếu không tuổi thọ của nó sẽ bị rút ngắn. Nếu không có chất dẫn nhiệt (TIM) để dẫn nhiệt ra khỏi IC và truyền sang bộ tản nhiệt, mục tiêu này sẽ không thể đạt được.
(Hình 1 cho thấy sơ đồ của IC có hai TIM để dẫn nhiệt đến bộ tản nhiệt.)
Hình 1. TIM1 dẫn nhiệt từ IC đến nắp gói IC. TIM2 dẫn nhiệt từ nắp gói IC đến bộ tản nhiệt.
Jon: Trước đây, người ta sử dụng các chất dẫn nhiệt polymer (truyền thống), gel và các chất dẫn nhiệt phi kim loại khác. Trong một số ứng dụng, chúng vẫn được sử dụng cho đến ngày nay. Phổ biến nhất là mỡ dẫn nhiệt, đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ. Mỡ dẫn nhiệt có chất mang gần giống nhưVaseline®. Chất mang này chứa các hạt dẫn nhiệt. Sau đó, mỡ tản nhiệt được bôi vào vị trí mà các chất TIM kim loại nằm trong Hình 1. Mỡ tản nhiệt có hai nhược điểm. Thứ nhất là độ dẫn nhiệt của nó không đủ để đáp ứng các dòng nhiệt cao hơn do các xu hướng tính toán hiệu suất cao (HPC), trí tuệ nhân tạo (AI), đơn vị xử lý tăng tốc (APU) và đơn vị xử lý đồ họa (GPU) tạo ra. Thứ hai là các chu kỳ bật/tắt của thiết bị điện tử có thể gây ra hiện tượng “bơm ra ngoài”. Hiện tượng bơm ra ngoài xảy ra khi chất bôi trơn nhiệt bị bơm ra khỏi không gian mà nó chiếm giữ để dẫn nhiệt ra khỏi IC. Khi chất bôi trơn nhiệt bị bơm ra ngoài, nó sẽ không còn thực hiện được chức năng của mình nữa.
Jon: Đây chính là lúc các chất dẫn nhiệt (TIM) gốc kim loại phát huy tác dụng. Chúng có thể mang lại điện trở nhiệt thấp nhất và được tùy chỉnh để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của từng loại vỏ đóng gói. Ngoài ra, chúng thường không gặp hiện tượng “pump-out”.
Jon: Với sự tiến bộ của HPC, chúng tôi thấy khách hàng gặp thêm nhiều thách thức do hiện tượng mỏng và cong vênh của die, nhiễu xuyên nhiệt (nhiệt từ các thành phần lân cận) và nhiều thách thức khác về thiết kế. Nhu cầu về TIM dựa trên kim loại tiếp tục tăng vì chúng có thể giải quyết nhiều thách thức này và cung cấp hiệu suất và độ tin cậy cần thiết trong các ứng dụng mật độ công suất cao.
Jon: Trong khi mục đích chính của TIM là giúp truyền nhiệt từ bề mặt nóng sang bề mặt lạnh, thì vẫn có những thuộc tính khác cần xem xét trong một số ứng dụng nhất định (ví dụ: dễ lắp ráp, độ tin cậy, tính bền vững). TIM gốc kim loại có thể được phân loại thành hàn (nung chảy lại), nén được (không nung chảy lại), gốc lỏng (TIM kim loại lỏng) hoặc TIM đổi pha. TIM đổi pha được thiết kế để đổi pha khi đạt đến một nhiệt độ nhất định. Chúng tôi sẽ đề cập đến tất cả các TIM kim loại này trong các bài đăng trong tương lai.
Jon: TIM kim loại có lợi thế là có một số độ dẫn nhiệt khối cao nhất trong các vật liệu TIM, nhưng điều quan trọng là phải nhận ra rằng độ dẫn nhiệt khối không phải là tiêu chí duy nhất để lựa chọn TIM. Điện trở tiếp xúc nhiệt hoặc điện trở giao diện thường chi phối điện trở nhiệt TIM tổng thể. Do đó, độ ướt bề mặt cao, để giảm thiểu điện trở tiếp xúc nhiệt, là tiêu chí hiệu suất TIM quan trọng.
Tiến sĩ Ron: Theo tôi hiểu, TIM1 thường là TIM hàn. Bạn có thể giải thích cách chúng hoạt động không?
Jon: TIM1 thường được gọi là giao diện giữa mặt sau của chip và mặt dưới của bộ tản nhiệt tích hợp (IHS) cùng nắp bảo vệ linh kiện. Chất dẫn nhiệt hàn (sTIM) tại giao diện này được coi là “Cadillac” trong các loại TIM. Sau khi nung chảy lại, sTIM tạo ra các liên kết kim loại giữa các kim loại, giúp giảm điện trở giao diện. Cùng với thực tế là các loại TIM gốc kim loại có độ dẫn nhiệt khối cao, sTIM mang lại điện trở nhiệt tổng thể rất thấp. sTIM cũng gắn chặt chip và IHS với nhau về mặt cơ học do có hợp chất liên kim loại (IMC) được hình thành tại giao diện này. Thường thì chúng tôi được hỏi liệu độ cứng của mối hàn có thể gây ra vấn đề trong quá trình chuyển đổi nguồn điện hay không. Với hợp kim và quy trình phù hợp, sTIM có thể cung cấp độ dẻo cần thiết trong suốt vòng đời của gói sản phẩm, do đó các vấn đề về độ cứng không phải là mối lo ngại.
Jon: Có nhiều yếu tố liên quan đến quy trình cần xem xét khi lựa chọn sTIM. Indium Corporation có kinh nghiệm và các hướng dẫn để giúp khách hàng tận dụng tối đa những lợi ích của sTIM. Một trong những thách thức khi lắp ráp TIM1 là hiện tượng tạo bọt khí trong quá trình nung lại (xem Hình 2). Hiện tượng tạo bọt khí sẽ trở nên nghiêm trọng hơn sau nhiều lần nung lại.
Hình 2. TIM1 được đặt giữa chip (hoặc khuôn) và IHS.
Tiến sĩ Ron: Tôi hiểu là đã có một số đột phá trong việc giảm tình trạng đi tiểu, ông có thể giải thích không?
Jon: Theo truyền thống, sTIM chủ yếu được sử dụng trong các gói theo phong cách LGA hoặc PGA. Các gói này được nấu chảy lại một lần để nấu chảy lại sTIM. Do những lợi ích mà sTIM mang lại, người ta đang nỗ lực tìm ra vật liệu sTIM tối ưu và quy trình cho các gói có thể tồn tại qua nhiều chu kỳ nấu chảy lại BGA, thường có nhiệt độ đỉnh là 240-250°C. Với mỗi lần nấu chảy lại tiếp theo, vật liệu sTIM truyền thống sẽ biểu hiện sự phát triển lỗ rỗng dẫn đến hiệu suất nhiệt kém.
(Hợp kim InAg cho thấy sự cải thiện đáng kể so với indium nguyên chất trong việc giảm sự phát triển của lỗ rỗng trong các lần nấu chảy lại tiếp theo. Xem Hình 3.)
Hình 3. InAg TIM1 làm giảm đáng kể tình trạng đi tiểu nhiều hơn so với In TIM1.
Jon: Tuy nhiên , việc bổ sung Ag vào mối hàn cũng đi kèm với những nhược điểm. Lượng Ag cao hơn đồng nghĩa với độ dẫn nhiệt thể tích thấp hơn và mối hàn cứng hơn, dẫn đến độ tin cậy cơ học giảm sút. Hiện đang có nhiều nghiên cứu sâu rộng nhằm tìm hiểu cách các thành phần InAg khác nhau bám ướt lên các bề mặt khác nhau và hiệu suất của chúng trong các thử nghiệm độ tin cậy. Khả năng thấm ướt bề mặt cao, nhằm giảm thiểu điện trở tiếp xúc nhiệt, là một tiêu chí hiệu suất quan trọng của TIM. Ngoài ra, khả năng thấm ướt kém có thể dẫn đến hiện tượng rỗng cao hơn, từ đó làm giảm hiệu suất nhiệt. Với việc lựa chọn hợp kim phù hợp, cùng các cân nhắc về chất trợ hàn và quy trình, sTIM có thể được áp dụng trong các gói linh kiện kiểu Flip Chip BGA (FCBGA) sẽ trải qua nhiều chu kỳ nung lại (xem Hình 4).
Hình 4. InAg sTIM phù hợp với FCBGA.
Mọi người ơi,
Hãy theo dõi bài đăng tiếp theo của chúng tôi về mTIMS1.5!
Chúc mừng,
Tiến sĩ Ron
