Przegląd materiałów termoprzewodzących na bazie metalu

Metalowe materiały termiczne (thermal interface materials, TIM) powszechnie uważane są za idealne rozwiązanie w aplikacjach wymagających wysokiego przepływu ciepła. Wysoka przewodność cieplna metali i stopów oraz łatwość ich wytwarzania sprawiają, iż dominują one w zastosowaniach związanych z zarządzaniem temperaturą w radiatorach, rozpraszaczach itp.

Wysoka przewodność elektryczna i cieplna metalu jest spowodowana występowaniem swobodnych elektronów, które z łatwością przewodzą ciepło i elektryczność pomiędzy połączeniami. Warto też zauważyć, że metale o najwyższej przewodności elektrycznej (Cu, Ag, Au, Al) mają również najwyższą przewodność cieplną (Tabela 1).

Źródło: 'Full Metal TIMs',  Robert N. Jarrett, Jordan P. Ross, Ross Berntson © Indium

Przewodnictwo cieplne metali i stopów jest izotropowe, co zapewnia zarówno dobre ścieżki rozpraszania ciepła, jak i ścieżki odprowadzania z jego lokalnych źródeł. W przeciwieństwie do ceramiki, tworzyw sztucznych, półprzewodników, soli itp. metale i stopy przenoszą znaczną część energii cieplnej przez drgania elektronowe (oddziaływanie elektron-fonon). Z kolei powierzchnie międzyfazowe, tworzone pomiędzy polimerami i metalami lub polimerami i ceramiką mają jedynie ograniczoną zdolność przewodzenia, ze względu na występowanie zjawiska określanego jako niedopasowanie fononowe.

Pomimo zastosowania domieszek materiałów o wysokiej przewodności,  dodawanych do polimerowych smarów, klejów i płynów, takich jak płatki srebra, cząsteczki diamentu i nanorurki węglowe (o przewodnościach ~400, 2400 a nawet do 10000 W/mK), powstałe kompozyty mają przewodność cieplną w masie na poziomie niższym niż 10 W/mK. Oznacza to, że wymiana ciepła od środka zwilżającego (tj. polimeru) do przewodzącego ciała stałego przebiega jedynie na ograniczoną skalę.

Wadą wolnych elektronów w metalach jest ich ‘pokrewieństwo’ wobec pierwiastków takich jak tlen i siarka. W metalach szlachetnych (Au, Pt, Pd) tlen przylega do powierzchni metalu, ale nie tworzy stabilnego tlenku. Mniej szlachetne metale (Al, Ag, Ni, In, Sn) tworzą pasywujące cienkie warstwy ściśle przylegającego tlenku, które ograniczają dalszą penetrację tlenu.

Kluczem do osiągnięcia pożądanych właściwości TIM jest bliski kontakt z powierzchnią, z którą materiał ma współpracować. Aby osiągnąć takie połączenie, metale są używane w czterech różnych postaciach - lutowia, ciekłych metali, metali z przemianą fazową i metali ściśliwych. Bariery międzyfazowe można przełamać przez stopienie metali w celu uzyskania kontaktu w ich płynnej fazie lub przez zastosowanie nacisku w celu uzyskania stałego kontaktu. Luty, metale z przemianą fazową i ciekłe stopy bazują na kontakcie tworzonym w fazie ciekłej. TIM oparte na metalach ściśliwych bazują z kolei na nacisku, odkształcając się plastycznie.

Luty TIM

Lutowanie jest powszechnym typem połączenia, branym pod uwagę jako część całościowego rozwiązania termicznego układu. Połączenia lutowane zapewnia niską oporność termiczną i jednocześnie ciągłość mechaniczną całej ścieżki odprowadzania ciepła. Aby umożliwić zwilżenie lutem silikonowej powierzchni i połączenie z radiatorem, wymagana jest jej metalizacja. Zazwyczaj na tylną stronę matrycy nakłada się kilka warstw metalu, takiego jak tytan, wanad czy chrom. Następnie warstwa pośrednia (na przykład nikiel, kobalt lub platyna) wiąże się zarówno z lutem, jak i metalem podstawowym na krzemie. Na koniec, aby zapobiec tworzeniu się warstwy tlenku na warstwie pośredniej, stosuje się ochronną powłokę na bazie złota lub platyny.

Podczas operacji lutowania złota powłoka jest rozpuszczana w lutowiu, co umożliwia związanie lutowia z warstwą niklu. Lut tworzy z niklem cienką warstwę stopu i po zestaleniu pozostaje związany metalurgicznie.

Połączenie lutowane matrycy jest tworzone przez stopienie kontrolowanej objętości metalu w postaci preformowanego drutu lub pasty. Aby połączenie między lutem a metalową powierzchnią styku nie zostało zakłócone tlenkami, stosuje się odpowiednie topniki, zapewniające dobre właściwości metalurgiczne. W złączu lutowanym łączącym matrycę z radiatorem, ze względu na zróżnicowany współczynnik rozszerzalności miedzi (16,7 ppm / C) i samej matrycy (3,2 ppm / C), mogą wystąpić duże naprężenia ścinające. Połączenie termiczne musi uwzględniać owo niedopasowanie współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE) poprzez zachowanie wewnętrznej plastyczności (tzw. miękkie luty) lub przenoszenie naprężeń na inne komponenty, które mają właściwości elastyczne. W praktycznych zastosowaniach do złącza lutowanego stosuje się grubszą warstwę wiązania, aby złagodzić niedopasowanie CTE.

Stopy płynne

Niektóre stopy galu w temperaturze pokojowej pozostają w stanie ciekłym - najczęściej spotykane to eutektyczne stopy gal-ind i gal-ind-cyna. Ciekłe metale można nakładać bezpośrednio pomiędzy matrycę a radiator, tworząc bardzo cienką warstwę styku. Kontakt termiczny utworzony z tych stopów charakteryzuje się pełnym zwilżeniem powierzchni przy minimalnej odporności termicznej. W przypadku ciekłych TIM, nie występuje też problem niezgodności CTE.

Aby używać tego typów stopów, należy zastosować system zabezpieczający przed przemieszczaniem się metalu, co skutkowałoby  zwarciem innych elementów układu. System hermetyzacji służy również do zminimalizowania narażenia ciekłego stopu na utlenianie. Dzieje się tak, ponieważ pasywujące warstwy tlenków w ciekłych stopach są stale przerywane, co umożliwia utlenianie nowo odsłoniętych warstw, co może pogorszyć kontakt termiczny i ograniczyć żywotność TIM.

Gal powoduje też korozję większości metali, zwłaszcza aluminium. Tam, gdzie inne metale stykają się z ciekłymi stopami, aby przeciwdziałać reakcji z galem, ich powierzchnie można pokryć chromem, wolframem lub innymi odpornymi metalami.

Stopy metali o zmiennej fazie (Phase Change Metal Alloys, PCMA)

Metale zmiennofazowe mają postać folii w stanie stałym, podobnej do wypełniaczy szczelin. Stop topi się podczas pierwszego cyklu temperaturowego lub w efekcie podgrzania wstępnego podczas montażu, co pozwala mu rozpłynąć się na powierzchni układu scalonego i zwilżyć go w podobny sposób jak lut. W przeciwieństwie do lutów, PCMA topi się podczas normalnej pracy układu scalonego, przewodząc ciepło jak ciekły metal TIM. Stopy te są również podatne na degradację oksydacyjną, podobnie jak TIM z ciekłych metali, co wymaga odizolowania powierzchni folii od atmosfery, aby zapobiec utlenianiu.

TIM na bazie ściśliwego metalu  

Miękkie metale można ściskać między dwiema powierzchniami interfejsu termicznego, wytwarzając połączenie TIM o bardzo niskiej rezystancji. Ogólnie rzecz biorąc, aby dopasować się do powierzchni styku, ten typ interfejsu wymaga nacisku kilkuset funtów na cal kwadratowy lub więcej. Dzięki wytrzymałości na rozciąganie w temperaturze pokojowej wynoszącej zaledwie 270 psi (sześć razy bardziej miękkie niż ołów), metaliczny ind i stopy indu doskonale nadają się do zastosowań o niższym ciśnieniu.

Należy zauważyć, że metalowy TIM dociśnięty do szorstkiej powierzchni dopasowuje się do najwyższych szczytów o mikroskopijnych wymiarach. Twardy materiał mechanicznie osadza się w bardziej miękkim materiale, powodując bliski kontakt na tym obszarze.

Gdy stykającymi się materiałami są dwa metale, kontakt elektryczny i termiczny jest wzmacniany przez wspólne elektrony. Odkształcenie plastyczne odsłania świeżą powierzchnię metalu, co skutkuje metalurgicznym wiązaniem w tym regionie.

Podsumowanie

Metalowe materiały termoprzewodzące zapewniają znacznie wyższą przewodność cieplną niż inne TIM dostępne na rynku. Dzięki wysokiej przewodności metalowe TIM oferują najniższą oporność termiczną, umożliwiając projektowanie układów o większej mocy lub gęściej upakowanych.  Ponadto wysoka przewodność przekłada się na możliwość tworzenia cieńszych warstw wiązania, minimalizując jednocześnie kwestie współpłaszczyznowości.

Źródło: 'Full Metal TIMs',  Robert N. Jarrett, Jordan P. Ross, Ross Berntson © Indium