乡亲们
罗恩博士：在接下来的几篇博文中，我想与铟泰公司公司的金属导热材料（导热界面材料（TIMs） ）产品经理乔恩·梅杰（Jon Major）聊聊导热界面材料（金属TIMs ）。乔恩，你能简单介绍一下自己吗？包括你的技术背景、你是如何与铟泰公司 结缘的，以及你是如何对导热界面材料（TIMs）产生兴趣的等等？
乔恩：我 一直对产品开发、工程、材料和制造充满热情。我很幸运能在硅谷开启职业生涯，与全球最杰出的工程师 共事；我有幸参与了多款开创性产品的研发，例如首款iPad Air、首款名为“Sidekick”的云端智能手机、首款联网收音机，以及多款移动设备 设备，还有一款面向联网汽车的物联网平台。
乔恩： 在设计层面，热管理（ 热管理 ） 一直都是需要考虑的因素，尤其是在涉及消费类产品时。在铟泰公司 ，我有机会深入研究，不仅涉及材料本身，还包括它们在不同表面、不同压力以及各种翘曲条件下的表现，以及在不同使用条件下能维持多长时间。 我们首席热工程师最近开发了一款内部热测试平台，该平台能够提供具有代表性的环境，用于检验热界面材料的性能。这真是令人着迷！我很高兴能参与这个项目，它使我们能够向客户提供有关金属基热界面材料在各种条件下性能表现的宝贵数据。
罗恩博士：乔恩 ，你能简要说明一下为什么需要金属TIMs ，以及它们是如何工作的吗？
乔恩：随着 集成电路（集成电路 ，简称IC）技术的进步，高性能IC产生的热量之大令人震惊——有时，当IC的一边长度仅略大于1英寸（2.5厘米）时，其发热量就可能超过1,000瓦。 集成电路通常需要在低于100°C的温度下工作，否则其使用寿命将大幅缩短。如果没有热界面材料（TIM）将热量从集成电路导出并传递至散热器，这一目标将无法实现。
（图1展示了一款集成电路的示意图，该电路采用两个热界面材料（TIM）将热量传导至散热器 ）
图1. TIM1将热量从集成电路（IC）传导至IC封装盖。TIM2将热量从IC封装盖传导至散热器
乔恩：过去，人们使用的是聚合物（传统）热界面材料（TIM）、凝胶以及其他非金属TIMs 。在某些应用 中，这些材料至今仍在使用。 最常见的是导热硅脂 ，该产品已使用数十年之久。 导热硅脂 的载体质地近似凡士林®。该载体中填充了导电颗粒。随后将导热硅脂 涂覆于图1中所示的金属TIMs 位置。导热硅脂 存在两个缺点。其一是其热导率 不足以满足高性能计算（HPC）、人工智能（AI）、加速处理单元（APU）和图形处理单元（GPU）发展趋势所产生的更高热通量。 另一个缺点是，电子设备的开关循环可能会导致“热泵出”现象。当热泵出发生时，热泵出（导热硅脂 ）会被从其所占据的空间中排出，从而无法将热量从集成电路（IC）中导出。一旦热泵出（导热硅脂 ）被排出，它便无法再发挥其功能。
乔恩：这就是金属基热界面材料（TIM）派上用场的地方。它们能提供最低的降低热阻 ，并可根据具体封装的需求进行定制。此外，它们通常不会出现热泵出现象。
乔恩：随着高性能计算（HPC）技术的进步，我们发现客户正面临更多挑战，包括芯片 的变薄和翘曲、热串扰（来自相邻元器件 的热量），以及其他各种设计难题。对金属基热界面材料（TIMs）的需求持续增长，因为它们能够解决其中许多挑战，并为高功率密度 应用 提供所需的性能和可靠性 。
乔恩：虽然 热界面材料（TIM）的主要目的是帮助将热量从高温表面传递到低温表面，但在某些应用 （例如：组装便捷性、可靠性 、可持续性）中，还有其他属性需要考虑。 金属基热界面材料可分为焊接型（回流型）、可压缩 （非回流型）、液态型（液态金属 TIM）或相变型热界面材料。相变型热界面材料的设计原理是在达到特定温度时发生相变。我们将在今后的博文中详细介绍所有这些类型金属TIMs 。
乔恩：热界面材料（TIM）中的热导率材料（金属TIMs ）具有体热导率（bulk thermal conductivities）居于TIM材料前列的优势，但必须认识到，仅凭体热导率（热导率 ）并不能作为选择TIM的唯一标准。热接触电阻（thermal contact resistance）或界面电阻（interfacial resistance）通常是影响TIM整体性能的主要因素降低热阻 。因此，为了最大限度地降低热接触电阻，高表面积（润湿 ）是TIM的一项关键性能指标。
罗恩博士据我所知，TIM1 通常是焊接 TIM。你能解释一下它们是如何工作的吗？
乔恩：TIM1通常 被视为芯片 背面与集成散热片（IHS）及元件盖底面之间的界面。该界面处采用焊接式热界面材料（sTIM）堪称热界面材料中的“凯迪拉克”。回流焊接后，sTIM会形成金属间化合物，从而提供较低的界面电阻。 再加上金属基导热材料具有较高的体积热导率 ，sTIM能提供极低的整体降低热阻 。此外，由于界面处形成了金属间化合物 （IMC），sTIM还能将芯片 与IHS机械地固定在一起。我们经常被问到，焊点的刚性是否会在电源循环过程中引发问题。 只要采用合适的合金 和工艺，sTIM 就能在封装寿命周期内提供必要的延展性，因此刚度问题无需担忧。
乔恩 在选择sTIM时，需要考虑许多工艺因素。铟泰公司 拥有丰富的经验和指导方针，可帮助客户充分发挥sTIM的优势。组装TIM1时面临的挑战之一是回流过程中出现的空洞率 （见图2）。经过多次回流后，空洞率 会进一步恶化。
图2. TIM1位于芯片（或芯片 ）与IHS之间。
罗恩博士：我 听说在降低空洞率 方面取得了一些突破，您能详细说明一下吗？
乔恩：从历史上看， sTIM主要应用于LGA或PGA类型的封装中。这些封装通常仅进行一次回流焊，以使sTIM熔融。鉴于sTIM所具备的优势，目前正致力于寻找一种最佳的sTIM材料及工艺，以使封装能够承受多次BGA回流焊循环，其峰值温度 通常为240-250°C。 随着后续回流次数的增加，传统sTIM材料会出现气孔增长，从而导致热性能下降。
(与纯铟相比，铟镁合金在减少后续回流的空隙增长方面有显著改善。见图 3）。
图3. 与In TIM1s相比，InAg TIM1s能显著降低空洞率 。
乔恩：然而 ，在焊点中添加银也会带来一些取舍。银含量越高，也意味着体积热导率热导率 越低，焊点刚性越大，从而导致机械强度可靠性 降低。目前正在开展大量研究，以了解不同配比的InAg在各种表面上的润湿情况，以及它们在可靠性 测试中的表现。 高表面润湿 ，以最大限度地降低热接触电阻，是热界面材料（TIM）的关键性能指标。此外，较差的润湿 会导致空洞率 升高，进而导致热性能下降。通过合理选择合金、助焊剂并综合工艺因素，sTIM可应用于将经历多次回流循环的倒装芯片球栅阵列（FCBGA）封装中（见图4）。
图 4.InAg sTIM 非常适合 FCBGA。
乡亲们
敬请关注我们关于 mTIMS1.5 的下一篇文章！
干杯
罗恩博士
