Materiały termoprzewodzące TIM1 i TIM2

Przegrzanie jest główną przyczyną awarii elementów elektronicznych a zapobieganie temu zjawisku wymaga aktywnych strategii zarządzania ciepłem. Właśnie dlatego materiały termoprzewodzące (thermal interface materials, TIM) stały się wszechobecne we współczesnych układach elektronicznych, odpowiadając za rozpraszanie ciepła z wrażliwych na ciepło komponentów, poprawiając niezawodność urządzeń i zapobiegając przedwczesnym awariom.

Dwie główne kategorie materiałów termoprzewodzących to TIM1 i TIM2. Stosowane razem tworzą kompleksowe rozwiązanie zarządzania ciepłem, zarówno na poziomie układu scalonego, jak i obudowy półprzewodników.

Materiały TIM1 usuwają ciepło na poziomie komponentu, tworząc ścieżkę przewodzenia ciepła od jego wytwarzającej ciepło struktury do metalowej pokrywy. Jako pierwsza linia obrony przed przegrzaniem, materiały TIM1 są niezbędne dla długoterminowej niezawodności całego układu. Materiały TIM1 zostały opracowane tak, aby spełniały rygorystyczne wymagania: muszą wytrzymać temperatury do 150°C (w badaniach cykli niezawodności), skutecznie zwilżać przylegające powierzchnie i łagodzić naprężenia mechaniczne wywołane niedopasowaniem współczynnik rozszerzalności cieplnej (coefficient of thermal expansion, CTE, opisujący stopień, w jakim materiał rozszerza się i kurczy w wyniku zmian temperatury).

Materiały TIM2 usuwają ciepło z poziomu obudowy, tworząc ścieżkę przewodzenia ciepła z zewnętrznej części obudowy komponentu do radiatora, rurki cieplnej lub innego rozpraszacza ciepła. Materiały TIM2 stanowią drugą linię obrony przed przegrzaniem i w starzeniowych testach niezawodności muszą wytrzymać temperatury do 120°C.

Podczas użytkowania materiały TIM1 i TIM2 będą pracować w różnych temperaturach, definiowanych typem komponentu, z którym współdziałają. W chipach Mosfet lub IGBT stosowanych z motoryzacji, temperatura robocza na powierzchni matrycy może znacznie przekraczać 120°C. Temperatury pracy są niższe w przypadku układów scalonych przeznaczonych dla centrów danych, a jeszcze niższe w przypadku przenośnych urządzeń elektronicznych.

Cykle termiczne i przyczepność powierzchni to główne wyzwania, które wpływają na długoterminową niezawodność i wydajność materiałów TIM. Same surowce jak i gotowe wypełniacze muszą być starannie dobrane i opracowane, aby uniknąć zjawisk kruchości czy rozwarstwienia pod wpływem cykli termicznych. Muszą też być w stanie zachować swój kształt w ekstremalnych warunkach przez cały okres eksploatacji urządzenia, dopasowując się do szorstkich konturów przylegających powierzchni, wypełniając szczeliny powietrzne i puste przestrzenie.

Wszystkie elementy elektroniczne wytwarzają nadmiar ciepła. W miarę jak urządzenia elektroniczne stają się coraz mniejsze, szybsze i bardziej funkcjonalne, generują coraz więcej ciepła w mniejszych, bardziej ograniczonych przestrzeniach, co prowadzi do poważnych problemów z niezawodnością w przypadku przekroczenia maksymalnych temperatur roboczych. Zjawisko to nazywane jest zwiększonym strumieniem ciepła i jest mierzone w watach/cm².

Ciepło jest głównym problemem związanym z niezawodnością w elektronice, a materiały przewodzące ciepło są istotą jego rozwiązywania, dlatego też rynek TIM przeżywa boom. Grand View Research szacuje, że światowy rynek TIM osiągnął wartość 1,84 mld USD w 2021 roku i przewiduje, że będzie się rozwijał w średniorocznym tempie (CAGR) na poziomie 11,4%, osiągając poziom 4,86 mld USD do 2030 roku.

Źródło: ‘Basics of Polymers for Thermal Management of Electronic Devices’ © DuPont.

Materiały TIM1

Materiały typu TIM1 są stosowane jako pierwsza linia obrony zapobiegająca przegrzaniu i poprawiająca niezawodność elementów wrażliwych na ciepło, takich jak układy scalone. Materiały TIM1 są zazwyczaj umieszczane wewnątrz obudowy półprzewodnika, pomiędzy wytwarzającą ciepło matrycą a rozpraszającą ciepło metalową pokrywą, stykając się z obydwoma częściami w celu bezpośredniego rozpraszania ciepła.

Coraz częściej jako podstawowy materiał dla materiału TIM1 stosowany jest silikon, a receptury zawierają starannie dobrane wypełniacze przewodzące, o odpowiednim poziomie przewodności i zwilżania powierzchni (zwilżanie oznacza łatwość, z jaką materiał wiąże się z danym podłożem). Aby zapewnić optymalne zwilżanie i zmniejszoną odporność termiczną, wykorzystuje się różnorodne siły (jonowe, statyczne, polarne, van der Waalsa itp.), przyczyniające się do tworzenia wiązań chemicznych i poprawy przyciągania molekularnego.

Materiały TIM2

W przypadku komponentów wytwarzających dużo ciepła, takich jak TO, FPGA, Mosfet i IGBT, na zewnątrz obudowy półprzewodników dodawane są radiatory, rurki cieplne, wentylatory i rozpraszacze ciepła. Materiały TIM2 są wykorzystywane w tej konfiguracji jako druga linia obrony w celu dalszego rozpraszania ciepła, zapobiegania przegrzaniu i poprawy niezawodności. Jak pokazano na Rysunku 1, materiały TIM2 są zwykle umieszczane między zewnętrzną częścią obudowy półprzewodnika a radiatorem. W połączeniu z produktami TIM1, materiały TIM2 zapewniają dodatkową zdolność rozpraszania ciepła.

Wymagania dotyczące wydajności

Z technologicznego punktu widzenia, wymagania dotyczące niezawodności i wydajności TIM1 są znacznie bardziej rygorystyczne niż w przypadku TIM2. Materiały TIM1 muszą wytrzymują ekstremalne cykle temperatur od -40°C do 150°C, podczas gdy górna granica funkcjonalności materiałów TIM2 jest zazwyczaj zbliżona do 120°C. Chociaż ta 30°C w górnej granicy temperatury może  wydawać się nieduża, znacznie zmniejsza ona wymagania dotyczące składu wypełniacza, umożliwiając większą swobodę w doborze materiału podstawowego i wypełniacza. Niektóre żywice epoksydowe lub inne materiały termoplastyczne, stosowane jedynie w TIM2, nie mogą wytrzymać temperatur 150°C bez stwardnienia i rozwarstwienia, co skutkuje uszkodzeniem termicznym.

Z tych powodu, aby osiągnąć górną granicę 150°C, większość materiałów TIM1 jest tworzonych na bazie silikonu, które muszą być ponadto poddane obróbce, której celem jest funkcjonalizacja cząstek wypełniacza przewodzącego ciepło, zmieniając ich żelowe właściwości i indukowane naprężenia mechanicznych towarzyszące wysokiemu niedopasowaniu CTE, tak aby w efekcie wytrzymywał on ekstremalne temperatury bez występowania defektu kruchości.

Cykle temperaturowe i niezawodność

Zrozumienie związku między niedopasowaniem CTE a środowiskiem użytkowania końcowego jest ważne dla projektowania niezawodnych produktów TIM. Z powodu niedopasowania CTE między przylegającymi powierzchniami, ekstremalne wahania temperatury mogą powodować znaczne naprężenia mechaniczne, co może prowadzić do rozwarstwiania się materiału TIM.

Na wydajność wymiany ciepła zarówno materiałów TIM1, jak i TIM2 duży wpływ ma chropowatość powierzchni, na które są nakładane. Niedoskonałości powierzchni (pokazuje to Rysunek 2) utrudniają przenoszenie ciepła, tworząc działające jak izolatory mikroskopijne kieszenie powietrzne. Małe szczyty i doliny na szorstkich powierzchniach zatrzymują powietrze i w efekcie zwiększają odporność termiczną. Aby skutecznie przenosić ciepło, materiały TIM muszą być wystarczająco miękkie i plastyczne, aby wypełnić szczeliny powietrzne. Z tego powodu większość materiałów TIM1 zaprojektowano jako jednorazowe żele, które płyną i zwilżają przylegające powierzchnie bez wprowadzania naprężeń ściskających, podczas gdy materiały TIM2 są zaprojektowane tak, aby były plastyczne i odkształcały się pod wpływem naprężeń ściskających, wypełniając w ten sposób puste przestrzenie.

Mechanika wydajności cieplnej.

Typowym punktem w karcie danych technicznych materiału (technical data sheet, TDS) jest przewodność cieplna, oznaczana jako ‘k’, która wskazuje na naturalną zdolność materiału do przewodzenia ciepła. Przewodność cieplna jest mierzona w watach na metr Kelvina (W/mK).

Należy zauważyć, że wartość przewodności cieplnej materiału jest tylko częścią większego równania, które opisuje zdolność całego zespołu do przewodzenia ciepła w rzeczywistych zastosowaniach - na zdolność układu do przewodzenia ciepła mają wpływ też takie czynniki jak grubość materiału przewodzącego ciepło oraz nierówności powierzchni.

Całkowita impedancja cieplna ‘Rth’ jest lepszym wskaźnikiem wydajności cieplnej niż przewodność cieplna samego materiału TIM. Impedancja cieplna, czyli suma wszystkich oporów cieplnych zespołu, jest mierzona w kelwinach na centymetr kwadratowy na wat (Kcm²/W). Przykład obliczania impedancji termicznej przedstawiono na Rysunku 3.

Rysunek 3. Obliczanie impedancji termicznej typowego zespołu TIM 1.

Źródło: ‘Basics of Polymers for Thermal Management of Electronic Devices’ ©DuPont.

RTIM oznacza łączny opór cieplny materiału TIM, natomiast RC1 i RC2 to rezystancje termiczne kontaktu między TIM a przyległymi powierzchniami. Zespół, który lepiej przewodzi ciepło (wyższa wartość k), będzie miał niższą wartość RTIM i zwykle będzie miał również niższą impedancję termiczną (niższą wartość Rth), ale są od tego wyjątki.

Jeśli materiał ma niski współczynnik RTIM, ale ma również wysoką rezystancję styku (tj. nie zwilża skutecznie przylegających powierzchni), może w rzeczywistości mieć wyższy współczynnik Rth niż materiał o niższej przewodności cieplnej, ale bardzo niskiej rezystancji styku.

Przewodność cieplna i grubość linii wiązania

Optymalizacja grubości linii wiązania (bond line thickness, BLT) to jedna z metod uzyskiwania niższej impedancji termicznej i poprawy wydajności termicznej całego zespołu TIM. Wybieranie materiałów TIM tworzących cieńsze warstwy lub przyłożenie sił ściskających do materiałów TIM to powszechne techniki stosowane w celu zminimalizowania grubości i obniżenia impedancji termicznej. Trzeba jednak podkreślić, iż w zastosowaniach TIM1, gdzie naprężenia mechaniczne są szkodliwe dla integralności matrycy, unika się stosowania zbyt dużego nacisku. Z kolei w zastosowaniach TIM2, w których podłoża są bardziej trwałe, dopasowujące się podkładki szczelinowe i wypełniacze szczelinowe są aplikowane przy zastosowaniu nacisku, który jest zazwyczaj wywierany za pomocą mechanicznego systemu mocowania. To ciśnienie mechaniczne pomaga usunąć szczeliny powietrzne i puste przestrzenie oraz ściska przewodzące cząsteczki wypełniacza bliżej siebie, co poprawia wydajność termiczną. Celem jest osiągnięcie takiej wartości kompresji, która zapewni  najkorzystniejszą wydajność termiczną (zwykle od 20 do 40 psi). Na ciśnienie, niezbędne do osiągnięcia minimalnego BLT, ma wpływ skład chemiczny stosowanego wypełniacza. Jak pokazano na Rysunku 4, ciśnienie mechaniczne zmniejsza całkowitą grubość i tworzy bliski kontakt między przewodzącymi cząstkami wypełniacza, poprawiając w efekcie wydajność cieplną.

Rysunek 4. Ciśnienie zmniejsza całkowitą grubość i tworzy bliski kontakt między przewodzącymi cząstkami wypełniacza, wyrównując je w celu uzyskania optymalnej wydajności termicznej.

Artykuł opracowano na podstawie informacji zawartych w materiale ‘Basics of Polymers for Thermal Management of Electronic Devices’ autorstwa Claire Wemp z firmy © DuPont.

Zapraszamy na jednodniowe targi elektroniki we Wrocławiu! Zapisz się