传导散热技术-热界面材料
发布日期: 2023-07-05 07:09 来源: ICT杂谈

     散热设计是高可靠电子设备的重要技术之一。国科环宇建立了基于传导散热技术的自然散热服务器专利体系,研制了金属导冷系列产品。其中,GPU服务器热流密度非常高,是电子设备散热技术最具代表性的挑战,一般采用风冷或液冷散热方式,公司推出的GPU自然散热服务器体现了明显的差异化技术能力。热界面材料是实现自然散热的关键环节之一。



     下文来自Laird网络研讨会资料,主要分享了Laird关于大尺寸、高功耗芯片在界面材料应用上的研究及对应产品。这个网络研讨会,更多的是一个产品推介会,但其中讲述了一些针对业内关注的芯片发展趋势、芯片界面材料应用存在的问题及应对措施进行了讲述。

主要包含4大块内容:

1)芯片发展趋势及动态

2)Laird的创新技术

3)性能测试结果

4)创新应用工艺

芯片的容量每2~3年增加2~3倍;封装技术也在不断发展,2.5D已经广泛应用,3D技术也在发展;功耗快速增长,而尺寸却并没有增长这么快;这就导致芯片的功率密度不断上升。

对于65mm×65mm这么大的裸die芯片,功耗可达400~1000W,其Warpage会很大很大。

右下角的柱状图显示了芯片功耗密度的增长,每一代之间增幅很大。(此图上最大的功耗密度显示在25+W/mm²,但实际很多芯片已经远远超过该数值)

我们一般把裸die芯片和散热器之间的界面材料叫TIM1.5;把Lid封装中,die和Lid之间的界面材料叫TIM1,把Lid和散热器之间叫TIM2.

为了减小芯片散热器之间的热阻,一方面我们需要减小BLT,另一方面要使用高导热系数的界面材料。

针对单die芯片来说,其平面度一般是0.025mm,die的尺寸大概在100mm²~400mm²;而现在主流的2.5D封装,因为多die因素,平面度0.1mm,尺寸在1000mm²~3000mm²。也就是尺寸更大、平面度更差。

单板、芯片、散热器随着温度的变化,都会产生一定的形变,其材料属性不同,CTE也不相同,温度变化时的变形量不一致,就产生一些负面影响,对于界面材料而言,就会产生泵出效应,而且尺寸的增大会导致泵出效应愈发明显。

目前,主流应用在大功耗芯片上的界面材料是硅脂,而硅脂泵出情况比较明显,业内通过采用相变材料可以明显减小泵出问题;Laird的新产品IceKap具有更高的粘性,对抗泵出效应能力更强。

IceKap P30000

IceKap典型的几个属性:

1、软化温度高:80~120度

2、对抗泵出效应的能力更强

Laird在一款典型的显卡GPU上做了高低温循环测试,共1000个Cycle。

从测试结果来看,IceKap没有明显的泵出,而两种对比的相变材料均有一定程度的泵出(材料缺失)。

IceKap材料随着循环次数的增多,其温升及热点温度均呈现下降缺失,而相变材料都是上升趋势。

IceKap材料具备连接点修复能力,上图展示了该属性的测试方案

从测试结果可见,IceKap材料经过测试后,热阻保持基本不变,而参照产品则出现了显著的增大。

IceKap材料总结:

1、可用于TIM1.5场景

2、高性能、低热阻

3、很好的对抗泵出效应

4、减少客户TCO

5、无硅油

6、易于返工

7、兼容回流焊

8、连接点修复

从雷达图可见,相对硅脂类产品在很多属性上都有优势,而和相变材料比较,则在对抗泵出效应上有明显优势。

Tpcm7000

再介绍一款产品:相变材料 Tpcm 7000

产品属性上,热导率可以达到7.5W/mK,相比之前产品明显提高。

热导率相对Tpcm 780提升35%

同样,高低温测试,结果显示Icepak空洞率0.085%;对标的两种相变材料空洞率分别是4.716%、1.691%;而Tpcm 7000经过2000个Cycle后,仅0.905%;显示出很好的抗泵出能力。

下一代TIM1.5材料

Larid下一代TIM1.5材料的目标:

1、热导率12~15W/mk

2、热阻0.2℃cm²/W @ 0.1mm

3、可以更高的应用在大尺寸芯片上,抵抗大尺度的形变

4、在2000小时、高温150℃的稳定性更好

TIM1 Print技术

这里讲了关于TIM Print的技术,字面意思就是界面材料印刷技术,是一种低成本、高可靠、高效、高质量的导热材料安装技术。

相对传统的贴装技术,该技术不仅减少了一道工序,还采用自动化技术减小了工人安装中存在的问题。

TIM Print不仅实现了自动化,而且还具备检测能力,确保贴附在芯片上的导热材料满足应用要求。

相对传统的贴装工艺,TIM Print的优点非常明显,自动化、低成本、高效率、高可靠性、易于操作、安装质量高。

总结

总结:

1、芯片封装技术发展趋势:大尺寸、大功耗、高密度

2、CTE不匹配会产生很多问题,其中产生散热问题是其中一个很严重的风险

3、热解决方案不仅仅是解决热量的传递,也必须应对挑战和风险,提供长期、可靠的方案


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