乡亲们
不久前，我与乔恩·梅杰（Jon Major） 共同发布了《 金属TIMs 入门指南：第一章 》 。现在，第二章即将登场！
罗恩博士乔恩，什么是 TIM1.5？
Jon：TIM1.5通常指裸露的芯片 （即未安装顶盖的芯片 ）与散热器或冷板之间的接口。与TIM1不同，这里没有散热片，因此芯片 直接与散热解决方案接触。 参见图1。我们将TIM1.5称为系统级导热材料，因为CPU/GPU/ASIC已焊接在PCB 上，因此导热材料是在系统组装过程中（有时称为FATP（最终组装、测试和封装））涂覆的。大多数TIM1.5封装被视为无盖BGA式封装。在许多产品中，TIM2也属于系统级导热材料。
图1. TIM1、TIM2和TIM1.5的应用
罗恩博士何时使用 TIM1.5？
Jon：热堆叠中的每个界面都会增加降低热阻 。理论上，通过在设计中省去顶盖，芯片 与散热解决方案之间的总降低热阻 会减少。然而，TIM1.5应用 中使用的导热界面材料对整个热堆叠的性能起着非常重要的作用。 通常，用于高性能计算（HPC）应用 的封装（如 GPU、CPU 或某些 ASIC）在设计时会省去顶盖，以最大限度地减少降低热阻 ，因此需要使用 TIM1.5 材料。图 2 展示了一层覆盖四个集成电路 (IC) 芯片的 TIM1.5，该层已准备好用于连接散热器
图2. 一个TIM1.5，覆盖着四个芯片 集成电路，正等待散热器的应用 。
罗恩博士TIM1.5 有哪些挑战？
Jon：热界面材料 （TIM）的 主要作用是 填充高温表面（如半导体芯片 ）与低温表面（如散热器 ）之间的空气间隙。尽管与聚合物基TIM相比，金属基TIM的体积热导率 非常高，但热导率 并非选择TIM的唯一标准；TIM与集成电路（IC）及散热器之间的界面电阻同样重要。 因此，对于金属TIMs ，采用热界面电阻较低的金属溶液至关重要。此外，必须认识到，适用于某种封装形式的TIM未必适用于其他封装形式。了解TIM在系统组装过程中的具体应用方式也至关重要。 我们看到可压缩 金属TIMs 、焊接型TIM，以及液态金属 等TIM被应用于TIM1.5应用 中。我们在TIM1.5应用 中协助客户解决的挑战，主要集中在降低热阻 、表面润湿 、表面平整度 、表面粗糙度、夹紧力、回流温度（若采用焊接）、表面金属化、气孔检测方法、长期性能可靠性 ，以及工艺实施与优化等方面。 部分客户倾向于将焊料热界面材料（TIM）用于TIM1.5，另一些客户则偏好可压缩 热界面材料，还有许多客户因其薄的焊接层厚度（BLT） （BLT）、出色的润湿 以及低界面电阻而对液态金属 热界面材料感兴趣。
罗恩博士：请向我们介绍一下TIM1.5中使用的可压缩 （金属TIMs ）。
乔恩： 几十年来，扁平 金属箔一直被用作可压缩 热界面材料（TIM）。通常，这些是铟金属或铜垫片，主要应用于电信、军事或射频等领域。 2008年，铟泰公司 *专利产品 推出了一种名为“Heat-Spring®”的图案化金属箔，如今该产品系列已涵盖多种合金和图案类型，旨在满足各类高性能应用 的需求，包括TIM1.5、TIM2、老化测试、大面积底板至冷板，适用于高功率应用 器件（如IGBT（绝缘栅双极晶体管）和SiC封装），以及浸没冷却应用 。 这种带图案的金属有助于消除热界面材料（TIM）与散热器之间以及TIM与集成电路（IC）之间的气隙，从而提高热界面导热性。良好的热界面导热性是可压缩 金属热界面材料的关键性能指标。
Heat-Spring®是一种软金属形状记忆合金热界面材料（合金 ，简称SMA-TIM）。作为一种无需回流焊接的可压缩 热界面材料，它经过预成型处理，因此非常易于涂敷。与平坦的金属箔相比，它能更好地适应芯片 和散热器表面的形状。压力集中在预成型图案中的小接触区域，从而引起塑性变形并改善接触，随着时间的推移减少降低热阻 。 当被夹在两个表面之间时，即使这些表面存在翘曲、粗糙或非共面的情况，Heat-Spring®也能提供超低的降低热阻 。作为TIM1.5使用时，Heat-Spring®提供了一种基于金属的TIM解决方案，无需复杂且昂贵的系统级回流工艺。
我们最近开发了一种名为“HSx”的创新型新模具，该模具采用了一种新的制造工艺，可提高对弯曲或翘曲较严重（翘曲量>150 μm）模具的顺应性，与我们当前的模具（HSD和HSHP（高轮廓））相比，在更低的压力（30 psi）下也能提供超低的降低热阻 。参见图3。
图 3.不同的Heat-Spring®模式。
Heat-Spring®的柔韧性会随着时间的推移而提高，热循环 ，这一过程被称为“老化”。HSx 的老化周期特别短，且性能会随着热循环 而提升。参见图 4。
图4. HSx的电源循环测试，0-600瓦特，共35,000个循环。如图所示，Tj随时间推移逐渐降低，并最终趋于稳定。
鉴于基板与硅芯片之间存在热膨胀系数（CTE）不适配 ，客户仍将翘曲视为一项重大挑战。因此，我们在设计新工艺时特别考虑了翘曲问题。由于无需进行背面金属化处理，HSx是应用 中理想的TIM1.5解决方案，前提是该工艺可提供至少30 psi的夹紧力。
罗恩博士：为什么 不使用导热硅脂 呢？它似乎能很好地处理翘曲问题，而且已经存在很久了。
乔恩：对于 某些应用 应用，导热硅脂 是一种非常理想的可接受 导热材料（TIM），前提是功耗较低。对于此类低功耗密度 应用 应用，润滑脂通常表现良好，但始终存在“泵出”的风险——当热循环 和热膨胀系数（CTE）不匹配时，会导致导热硅脂 被从 TIM 界面中“泵出”，这往往会引发热失效。然而，固态金属TIMs 则不会出现这种“泵出”失效模式，非常适合高功耗密度 元器件 应用。
罗恩博士：从图5可以看出，铜的体积降低热阻 较低。为什么不使用铜呢？
图5. 代表性材料的降低热阻 与焊接层厚度（BLT） （BLT）的对比
乔恩：尽管 铜的体热导率热导率 高达近400 W/mK，但其硬度过高且缺乏柔韧性，无法作为热界面材料（TIM）直接连接到芯片 上。若要施加足够的压力使铜发生塑性变形以填充气隙，势必会压碎芯片 ，因此这种做法不可行。图6展示了铜基TIM面临的挑战。请注意，与铟相比，铜在不同压力下仍存在较大的气隙降低热阻 。 图5还显示了导热硅脂 的降低热阻 值非常高。
图 6.代表性金属的热间隙电阻与压力的函数关系。
罗恩博士：Heat-Spring® 在浸入式冷却中是如何工作的？
乔恩：Heat-Spring®是一种在直接芯片散热（DTC）和浸没式冷却应用 中均经过验证的热界面材料（TIM）。在浸没式冷却系统中，Heat-Spring®作为热界面材料的使用相当普遍。与导热膏或常见的聚合物相变材料（PCM）不同，Heat-Spring®既不会溶解也不会污染标准的有机或氟化介电浸没液。 无论是作为TIM2还是TIM1.5，其安装都非常简便——只需放置Heat-Spring®，然后将散热器或冷板夹紧到组件上即可。我们还开发了应用Heat-Spring®的新颖方法，可进一步降低接触电阻。我们期待在不久的将来向业界介绍这些新方法。
罗恩博士 热弹簧可以回收利用吗？
乔恩：是的！铟基热弹簧® 是 100% 可回收的，对可持续发展计划大有裨益。我们不会将材料送往垃圾填埋场，而是回购用过的铟和许多其他金属，这些材料可以再次使用。
罗恩博士：乔恩 ，谢谢。让我们在不久的将来讨论一些应对热管理 挑战的其他TIM解决方案。
乔恩：当然！
