ТЕПЛОПРОВІДНІ МАТЕРІАЛИ ТІМ1 І ТІМ2

03.02.2023 |

Термічний цикл і поверхнева адгезія є основними проблемами, які впливають на довгострокову надійність і продуктивність теплопровідних матеріалів.

Перегрів є основною причиною несправності електронних компонентів, і для запобігання цьому явищу потрібні активні стратегії управління температурою. Ось чому термоінтерфейсні матеріали (TIM) стали такими необхідними в сучасних електронних схемах, розсіюючи тепло від термочутливих компонентів, підвищуючи надійність пристрою та запобігаючи передчасному його виходу з ладу.

Є дві основні категорії теплопровідних матеріалів – TIM1 і TIM2. Використовуючи разом, вони створюють комплексне рішення для управління температурою як на рівні чіпа (мікросхем), так і на рівні напівпровідника.

Матеріали TIM1 відводять тепло на рівні компонентів, створюючи шлях теплопровідності від чіпа, що виділяє тепло, до металевої кришки. Як перша лінія захисту від перегріву, матеріали TIM1 необхідні для довгострокової надійності системи. Матеріали TIM1 були розроблені відповідно до суворих вимог: вони повинні витримувати температуру до 150 °C (у дослідженнях циклу надійності), ефективно змочувати суміжні поверхні та пом’якшувати механічні навантаження, спричинені невідповідністю коефіцієнта теплового розширення (КТР – описує ступінь розширення та звуження матеріалу через зміни температури).

Матеріали TIM2 відводять тепло на рівні корпусу, створюючи шлях теплопровідності від зовнішньої сторони корпусу компонента до радіатора, теплової труби чи іншого розподілювача тепла. Матеріали TIM2 є другою лінією захисту від перегріву і повинні витримувати температуру до 120 °C у тестах на надійність старіння.

Під час використання матеріали TIM1 і TIM2 матимуть діапазон робочих температур, який буде продиктований типом чіпа, з яким вони підключені. В автомобільних мікросхемах Mosfet або IGBT робоча температура на поверхні матриці може значно перевищувати 120 °C. Робочі температури нижчі для мікросхем центрів обробки даних і навіть нижчі для портативної електроніки.

Термічний цикл і поверхнева адгезія є основними проблемами, які впливають на довгострокову надійність і продуктивність матеріалів TIM. Сама сировина, а також готові наповнювачі повинні бути ретельно відібрані та розроблені, щоб уникнути крихкості або розшарування під впливом термічних циклів. Вони також повинні мати можливість зберігати свою форму в екстремальних умовах протягом усього терміну служби пристрою, відповідаючи шорстким контурам суміжних поверхонь, заповнюючи повітряні проміжки та пустоти.

Усі електронні компоненти виділяють надлишок тепла. Оскільки електронні пристрої стають меншими, швидшими та більш функціональними, вони виробляють все більше тепла в менших, більш обмежених просторах, що призводить до серйозних проблем з надійністю при перевищенні максимальних робочих температур. Це явище називається збільшеним тепловим потоком і вимірюється у Вт/см2.

Тепло є основною проблемою надійності в електроніці, і теплопровідні матеріали є основою її вирішення, тому ринок TIM процвітає. За оцінками Grand View Research, у 2021 році світовий ринок TIM досяг 1,84 мільярда доларів США, і прогнозує, що він буде зростати із середньорічним темпом зростання на 11,4%, досягнувши 4,86 ​​мільярда доларів США до 2030 року.

Матеріали ТІМ1

Матеріали типу TIM1 використовуються як перша лінія захисту для запобігання перегріву та підвищення надійності чутливих до тепла компонентів, таких як інтегральні схеми. Матеріали TIM1 зазвичай розміщуються всередині корпусу напівпровідника між чіпом/кристалом, що виділяє тепло, і металевою кришкою, що розсіює тепло, у контакті з обома для прямого розсіювання тепла. Звичайна конфігурація збірки TIM1 показана на мал. 1.

Малюнок 1. Звичайна конфігурація збірки TIM1.

Силікон все частіше використовується як основний матеріал для TIM1, а рецептури включають ретельно відібрані електропровідні наповнювачі з відповідними рівнями провідності та змочування поверхні (змочування означає легкість, з якою матеріал з’єднується з підкладкою). Щоб забезпечити оптимальне змочування та знижений термічний опір, різні сили (іонні, статичні, полярні, Ван-дер-Ваальсові тощо) використовуються для створення хімічних зв’язків і покращення молекулярного притягання.

Матеріали ТІМ2

Для компонентів, які генерують багато тепла, таких як TO, FPGA, Mosfet і IGBT, радіатори, теплові трубки, вентилятори та розподільники тепла додаються зовні корпусу напівпровідника. Матеріали TIM2 використову ються в цій конфігурації як друга лінія захисту для подальшого розсіювання тепла, запобігання перегріву та підвищення надійності. Як показано на малюнку 2, матеріали TIM2 зазвичай затиснуті між зовнішньою частиною корпусу напівпровідника та радіатором. У поєднанні з продуктами TIM1 матеріали TIM2 забезпечують додаткову здатність відводу тепла.

Малюнок 2. Матеріали TIM2 зазвичай розміщують між зовнішньою частиною корпусу напівпровідника та радіатором.

Вимоги до виконання

З технологічної точки зору, вимоги до надійності та продуктивності TIM1 набагато суворіші, ніж вимоги до TIM2. Матеріали TIM1 повинні витримувати екстремальні температурні цикли від -40 до +150 °C, тоді як верхня межа функціональності матеріалів TIM2 зазвичай близька до 120 °C. Хоча ця верхня межа температури в 30 °C може здатися невеликою, вона значно знижує вимоги до складу наповнювача, надаючи більшу свободу у виборі основного матеріалу та наповнювача. Деякі епоксидні смоли або інші термопластичні матеріали, які використовуються лише в TIM2, не можуть витримувати температуру 150 °C без затвердіння та розшарування, що призводить до термічного пошкодження.

З цієї причини, щоб досягти верхньої межі 150 °C, більшість матеріалів TIM1 виготовлені на силіконовій основі, яку також необхідно обробити для функціональності теплопровідних частинок наповнювача, змінюючи їх гелеподібні характеристики та індуковані механічні напруги, пов’язані з високою невідповідністю КТР, щоб він витримував екстремальні температури і не ставав крихким.

Температурний цикл і надійність

Розуміння зв’язку між невідповідністю КТР та середовищем кінцевого використання є важливим для розробки надійних продуктів TIM. Екстремальні коливання температури можуть спричинити значні механічні напруги через невідповідність КТР між суміжними поверхнями, що може призвести до розшарування матеріалу TIM.

На продуктивність теплопередачі матеріалів TIM1 і TIM2 сильно впливає шорсткість поверхонь, на які вони наносяться. Недосконалості поверхні (див. малюнок 3) перешкоджають теплопередачі, створюючи мікроскопічні повітряні кишені, які діють як ізолятори. Невеликі виступи та западини на шорстких поверхнях затримують повітря, збільшуючи термічний опір. Для ефективної передачі тепла матеріали TIM повинні бути досить м’якими та пластичними, щоб заповнювати повітряні проміжки. З цієї причини більшість матеріалів TIM1 розроблені як одноразові гелі, які течуть і змочують прилеглі поверхні без введення напруги стиснення, тоді як матеріали TIM2 розроблені так, щоб бути пластичними та деформуватися під напругою стиснення, таким чином заповнюючи порожнечі.

Малюнок 3. Недоліки шорсткості поверхні перешкоджають теплопередачі, створюючи мікроскопічні повітряні кишені.

Механіка теплових характеристик

Типовим пунктом у паспорті технічних даних матеріалу (TDS) є теплопровідність, позначена «k», яка вказує на здатність матеріалу проводити тепло. Теплопровідність вимірюється у ватах на метр * Кельвін (Вт/мК).

Слід зазначити, що значення теплопровідності матеріалу є лише частиною більшого рівняння, яке описує теплопровідність усієї збірки в реальному застосуванні — такі фактори, як товщина теплопровідного матеріалу та нерівності поверхні, також впливають на теплопровідність системи.

Загальний тепловий опір «Rth» є кращим показником теплових характеристик, ніж теплопровідність матеріалу TIM окремо. Тепловий опір, сума всіх термічних опорів вузла, вимірюється в кельвінах на квадратний сантиметр на ват (Ксм²/Вт). Приклад розрахунку теплового опору показано на малюнку 4.

Малюнок 4. Розрахунок теплового опору типового вузла TIM1.

RTIM — це загальний термічний опір матеріалу TIM, тоді як RC1 і RC2 — це контактний термічний опір між TIM і суміжними поверхнями. Конструкція, яка краще проводить тепло (вище значення k), матиме нижче значення RTIM і, як правило, також матиме нижчий тепловий опір (нижче значення Rth), але з цього є винятки.

Якщо матеріал має низький RTIM, але також має високий контактний опір (тобто не ефективно змочує суміжні поверхні), він може фактично мати більш високий Rth, ніж матеріал з нижчою теплопровідністю, але дуже низьким контактним опором.

Теплопровідність і товщина ліній з’єднання

Оптимізація товщини лінії з’єднання (BLT) є одним із способів досягти нижчого теплового опору та покращити теплові характеристики всієї збірки TIM. Вибір матеріалів TIM для формування тонших шарів або застосування сили стиснення до матеріалів TIM є звичайними методами, які використовуються для мінімізації товщини та зниження теплового опору. Однак слід підкреслити, що в додатках TIM1, де механічні напруги шкодять цілісності матриці, надмірного тиску уникають. Навпаки, у додатках TIM2, де підкладки є більш міцними, відповідні щілинні шайби та заповнювачі щілин застосовуються під тиском, який зазвичай застосовується за допомогою механічної затискної системи. Цей механічний тиск допомагає видалити повітряні проміжки та порожнечі та стискає провідні частинки наповнювача ближче один до одного, що покращує теплові характеристики. Мета полягає в тому, щоб досягти такої величини стиснення, яка забезпечить найкращу теплову ефективність (зазвичай від 20 до 40 psi). На тиск, необхідний для досягнення мінімального BLT, впливає хімічний склад наповнювача, який використовується. Як показано на малюнку 5, механічний тиск зменшує загальну товщину та створює тісний контакт між струмопровідними частинками наповнювача, що зрештою покращує теплові характеристики.

Малюнок 5. Тиск зменшує загальну товщину та створює тісний контакт між струмопровідними частинками наповнювача, вирівнюючи їх для оптимальних теплових характеристик.

Висновок

Комплексний підхід до управління температурою включає не лише використання відповідних матеріалів TIM у поєднанні з радіаторами, тепловими трубками, вентиляторами та розсіювачами тепла, але також включає хорошу стратегію керування температурою, яка починається на етапі проектування. Електронні системи можуть бути розроблені таким чином, щоб включати керування температурою на всіх рівнях (чіп, корпус, друкована плата та корпус). Теплове моделювання можна запустити до того, як будуть виготовлені фактичні системи, щоб виявити проблеми та оптимізувати рішення. Наприклад, друковані плати можуть бути розроблені з тепловими отворами та мідними шарами, які допомагають поширювати та розсіювати тепло на рівні плати. Вирішення проблем надійності, пов’язаних з нагріванням, є складним, включає багато різних змінних, які можуть вимагати унікальних рішень для кожного конкретного застосування.

За матеріалами сайту https://tek.info.pl