Mọi người ơi,
Cách đây không lâu, tôi đã đăng bài “Metal TIMs 101: Chương 1” cùng với Jon Major. Giờ thì đã đến lúc bắt đầu Chương 2 rồi!
Tiến sĩ Ron : Jon, TIM1.5 là gì?
Jon: TIM1.5 thường dùng để chỉ giao diện giữa một chip trần (chip không có nắp) và bộ tản nhiệt hoặc tấm làm mát. Khác với TIM1, TIM1.5 không có tấm phân tán nhiệt, do đó chip tiếp xúc trực tiếp với chất làm mát. Xem Hình 1. Chúng tôi gọi TIM1.5 là chất dẫn nhiệt cấp hệ thống (system-level TIM) vì CPU/GPU/ASIC đã được hàn lên bảng mạch in (PCB), do đó chất dẫn nhiệt được bôi trong quá trình lắp ráp hệ thống (thỉnh thoảng được gọi là FATP (Final Assembly, Test and Pack)). Hầu hết các gói TIM1.5 đều được coi là gói BGA không có nắp. TIM2 cũng là chất dẫn nhiệt cấp hệ thống trong nhiều sản phẩm.
Hình 1. Ứng dụng của TIM1, TIM2 và TIM1.5
Tiến sĩ Ron: Khi nào thì sử dụng TIM1.5?
Jon: Mỗi lớp giao diện trong cấu trúc tản nhiệt đều làm tăng điện trở nhiệt. Về mặt lý thuyết, việc loại bỏ nắp trong thiết kế sẽ giúp giảm tổng điện trở nhiệt giữa chip và giải pháp làm mát. Tuy nhiên, vật liệu giao diện nhiệt (TIM) được sử dụng trong ứng dụng TIM1.5 đóng vai trò rất quan trọng đối với hiệu suất của toàn bộ cấu trúc tản nhiệt. Thông thường, các gói được sử dụng trong các ứng dụng Tính toán Hiệu suất Cao (HPC) như GPU, CPU hoặc đôi khi là ASIC được thiết kế không có nắp để giảm thiểu điện trở nhiệt, do đó cần phải có vật liệu TIM1.5. Hình 2 cho thấy một lớp TIM1.5 phủ lên bốn chip mạch tích hợp (IC) đã sẵn sàng để gắn tản nhiệt.
Hình 2. Một TIM1.5 bao phủ bốn khối IC đang chờ lắp bộ tản nhiệt.
Tiến sĩ Ron: Những thách thức của TIM1.5 là gì?
Jon: Mục đích chính của chất dẫn nhiệt (TIM) là lấp đầy các khe hở không khí giữa bề mặt nóng, chẳng hạn như chip bán dẫn, và bề mặt lạnh, chẳng hạn như bộ tản nhiệt. Mặc dù các chất dẫn nhiệt gốc kim loại có độ dẫn nhiệt thể tích rất cao so với các chất dẫn nhiệt gốc polymer, nhưng độ dẫn nhiệt không phải là tiêu chí duy nhất để lựa chọn chất dẫn nhiệt; điện trở tại các giao diện giữa chất dẫn nhiệt với mạch tích hợp (IC) và bộ tản nhiệt cũng rất quan trọng. Do đó, đối với các loại TIM kim loại, điều quan trọng là phải có một dung dịch kim loại có điện trở giao diện nhiệt thấp. Ngoài ra, cần hiểu rằng một loại TIM hoạt động tốt cho một kiểu gói chip nhất định có thể không phù hợp với các kiểu khác. Việc hiểu rõ cách thức áp dụng TIM trong quá trình lắp ráp hệ thống cũng là yếu tố then chốt. Chúng tôi thấy các loại TIM kim loại nén được, TIM hàn, cũng như TIM kim loại lỏng được sử dụng trong các ứng dụng TIM1.5. Những thách thức mà chúng tôi giúp khách hàng giải quyết trong các ứng dụng TIM1.5 chủ yếu tập trung vào điện trở nhiệt, khả năng thấm ướt bề mặt, độ phẳng bề mặt, độ nhám bề mặt, lực kẹp, nhiệt độ tái chảy (nếu hàn), lớp mạ kim loại bề mặt, phương pháp kiểm tra lỗ rỗng, độ tin cậy lâu dài, cũng như triển khai và tối ưu hóa quy trình. Một số khách hàng ưa chuộng sử dụng TIM hàn chì cho TIM1.5, một số khác chọn TIM nén, và nhiều khách hàng quan tâm đến TIM kim loại lỏng nhờ độ dày lớp liên kết (BLT) mỏng, khả năng ướt bề mặt xuất sắc và điện trở giao diện thấp.
Tiến sĩ Ron: Hãy cho chúng tôi biết về TIM kim loại nén được sử dụng trong TIM1.5.
Jon: Các lá kim loại phẳng đã được sử dụng làm vật liệu dẫn nhiệt nén (TIM) trong nhiều thập kỷ qua. Thông thường, đó là các miếng lót bằng kim loại indi hoặc đồng được ứng dụng trong các lĩnh vực viễn thông, quân sự hoặc tần số vô tuyến (RF), cùng nhiều lĩnh vực khác. Năm 2008, Indium Corporation đã đăng ký bằng sáng chế cho một loại lá kim loại có hoa văn có tên là“Heat-Spring®”, hiện nay đã trở thành một dòng sản phẩm gồm nhiều loại hợp kim và kiểu hoa văn khác nhau, được thiết kế để đáp ứng nhiều ứng dụng hiệu suất cao, bao gồm TIM1.5, TIM2, burn-in, tấm đế diện tích lớn đến tấm làm mát cho các ứng dụng công suất cao như IGBT (bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện) và gói SiC, cũng như các ứng dụng làm mát bằng ngâm. Lá kim loại có hoa văn này giúp cải thiện độ dẫn nhiệt giao diện bằng cách loại bỏ các túi khí giữa TIM và bộ tản nhiệt cũng như giữa TIM và IC. Độ dẫn nhiệt giao diện tốt là một tiêu chí hiệu suất quan trọng đối với TIM kim loại nén được.
Heat-Spring ® là vật liệu giao diện nhiệt hợp kim kim loại mềm (SMA-TIM). Đây là TIM nén không chảy lại, rất dễ áp dụng và vì nó có hoa văn. Nó cung cấp khả năng tuân thủ cao hơn với bề mặt khuôn và tản nhiệt so với lá kim loại phẳng. Áp suất tập trung vào các vùng tiếp xúc nhỏ trong hoa văn, gây ra biến dạng dẻo và cải thiện tiếp xúc, giảm điện trở nhiệt theo thời gian. Khi được nén giữa hai bề mặt, Heat-Spring ® cung cấp điện trở nhiệt cực thấp ngay cả khi các bề mặt đó bị cong vênh, gồ ghề hoặc không đồng phẳng. Khi được sử dụng làm TIM1.5, Heat-Spring ® cung cấp giải pháp TIM gốc kim loại mà không cần các quy trình chảy lại cấp hệ thống phức tạp và tốn kém.
Gần đây, chúng tôi đã phát triển một mẫu khuôn mới mang tính sáng tạo có tên “HSx”, sử dụng kỹ thuật chế tạo tiên tiến, giúp tăng độ linh hoạt cho các khuôn bị cong hoặc có độ cong lớn (>150 μm) đồng thời mang lại độ kháng nhiệt cực thấp với áp suất thấp hơn (30 psi) so với các mẫu khuôn hiện tại của chúng tôi (HSD và HSHP (high profile)). Xem Hình 3.
Hình 3. Các mẫu Heat-Spring ® khác nhau.
Độ tuân thủcủa Heat-Spring® được cải thiện theo thời gian và qua các chu kỳ nhiệt, được gọi là “quá trình chạy thử”. HSx có thời gian chạy thử đặc biệt ngắn và hiệu suất được cải thiện qua các chu kỳ nhiệt. Xem Hình 4.
Hình 4. Thử nghiệm bật/tắt nguồn của HSx, trong khoảng 0–600 watt, với 35.000 chu kỳ. Nhiệt độ Tj giảm dần theo thời gian và ổn định như đã thấy ở trên.
Khách hàng vẫn coi hiện tượng cong vênh là một thách thức lớn, do sự không tương thích về hệ số giãn nở nhiệt (CTE) giữa chất nền và chip silicon. Do đó, chúng tôi đã phát triển mẫu thiết kế mới với mục tiêu giảm thiểu hiện tượng cong vênh. Vì không cần mạ kim loại mặt sau, HSx là lựa chọn TIM1.5 lý tưởng cho các ứng dụng có lực kẹp tối thiểu 30 psi.
Tiến sĩ Ron: Tại sao không sử dụng mỡ tản nhiệt? Có vẻ như nó xử lý cong vênh tốt và đã có từ lâu rồi.
Jon: Đối với một số ứng dụng, mỡ tản nhiệt là một chất dẫn nhiệt (TIM) hoàn toàn phù hợp, miễn là công suất thấp. Đối với các ứng dụng có mật độ công suất thấp như vậy, mỡ tản nhiệt thường hoạt động tốt, nhưng luôn tiềm ẩn nguy cơ “bị bơm ra”, hiện tượng xảy ra khi sự thay đổi nhiệt độ lặp đi lặp lại và sự không tương thích về hệ số giãn nở nhiệt (CTE) thực sự đẩy mỡ tản nhiệt ra khỏi giao diện TIM, thường dẫn đến sự cố tản nhiệt. Tuy nhiên, các chất dẫn nhiệt dạng kim loại rắn (TIM) không gặp phải hiện tượng “bơm ra” này và rất phù hợp cho các linh kiện có mật độ công suất cao.
Tiến sĩ Ron : Từ Hình 5, đồng có điện trở nhiệt khối thấp hơn. Tại sao không sử dụng đồng?
Hình 5. Độ bền nhiệt của vật liệu đại diện so với độ dày đường liên kết (BLT)
Jon: Mặc dù đồng có độ dẫn nhiệt thể tích ấn tượng, gần 400 W/mK, nhưng nó quá cứng và thiếu tính dẻo để có thể kết nối trực tiếp với chip dưới dạng chất dẫn nhiệt (TIM). Không thể tác dụng đủ áp lực để biến dạng dẻo đồng nhằm lấp đầy các khe hở không khí mà không làm nát chip. Thách thức của các chất dẫn nhiệt bằng đồng có thể thấy rõ trong Hình 6. Hãy lưu ý điện trở nhiệt do khe hở cao của đồng khi thay đổi theo áp lực so với indi. Hình 5 cũng cho thấy điện trở nhiệt rất cao của chất bôi trơn nhiệt.
Hình 6. Độ bền khe hở nhiệt của các kim loại tiêu biểu theo áp suất.
Tiến sĩ Ron : Heat-Spring ® hoạt động như thế nào khi làm mát ngâm?
Jon:Heat-Spring® là một chất dẫn nhiệt (TIM) đã được chứng minh hiệu quả trong cả ứng dụng làm mát trực tiếp lên chip (DTC) và làm mát ngâm. Việc sử dụngHeat-Spring® làm chất dẫn nhiệt trong các hệ thống làm mát ngâm là khá phổ biến. Khác với các loại mỡ tản nhiệt hoặc các vật liệu thay đổi pha polymer (PCM) thông dụng,Heat-Spring®sẽ không hòa tan cũng như không gây ô nhiễm các chất lỏng điện môi hữu cơ hoặc chứa flo tiêu chuẩn dùng trong hệ thống làm mát ngâm. Sản phẩm này rất dễ lắp đặt dưới dạng TIM2 hoặc TIM1.5 – chỉ cần đặtHeat-Spring® vào vị trí và kẹp bộ tản nhiệt hoặc tấm làm lạnh vào cụm lắp ráp. Chúng tôi cũng có những phương pháp mới và sáng tạo để áp dụngHeat-Spring®, giúp giảm thêm điện trở tiếp xúc. Chúng tôi rất mong được giới thiệu những phương pháp mới này đến ngành công nghiệp trong tương lai gần.
Tiến sĩ Ron: Lò xo nhiệt có thể tái chế được không?
Jon : Vâng! Heat- Spring® gốc Indium có thể tái chế 100% và có lợi ích to lớn cho các chương trình phát triển bền vững. Thay vì đưa vật liệu đến bãi chôn lấp, chúng tôi sẽ mua lại indium đã qua sử dụng và nhiều kim loại khác, có thể sử dụng lại.
Tiến sĩ Ron: Jon, cảm ơn. Chúng ta hãy thảo luận một số giải pháp TIM khác cho các thách thức quản lý nhiệt trong tương lai gần
Jon: Chắc chắn rồi!
