常温下的金属邦定---预示IC性能和可靠性的一场革命

日期:2016-06-01

一个高可靠性的电子产品通常工作时自身温度都不高。此外,一个非功能性性能的主要限制是产品工作温度。确保产品散热性能好,产品就会更耐用,或者运作起来更快。电子产品热管理几十年来主要牵涉到部件与部件间的接触热阻。减少热流通道的这些主要瓶颈,就会持续地降低产品运行温度。导热率低的粘结剂经常用在粘接晶片和封装(TIM1)以及封装和散热片(TIM2)。一直都在寻找一种有效的技术在这些界面间使用金属邦定。现在看起来是可行的。

MesoGlue公司是一家声称能提供常温金属邦定技术的新公司。应用纳米技术,使铜基或银基金属粘结剂压在两个接触表面之间形成牢固的金属连接。其导热率300-425W/mK之间 (比起现有的典型界面接触材料,其导热率为1和10W/mK),这样的连接将显著减少散热路径上从晶体到大气环境的整个热阻,因此降低了热源温度(结温)。加之这种固态金属粘结剂不会因时间太久而损耗,故它将是永久的。

我觉得可以使用FloTHERM软件来模拟“本来是”和“将会是”这2种条件,来展示温度的降低。建一个典型的倒装BGA芯片模型。界面接触材料TIM1贴附在晶片背面和基板之间,界面接触材料TIM2贴附在封盖和上面的散热器之间。原来各自的导热系数是3.5W/mK和1.0W/mK。增加一个短粗的散热器,通过它的气流风速为300lfm,晶片功率为81.5W。

同时完成另一个仿真,两个界面接触材料导热系数都设置为425W/mK(其余不变)。因为同样的功率耗损,后一种情况,结温降低约25%。这样使得产品可靠性显著增加。界面层很薄,在10—100微米数量级,为何会如此关键呢?这种固态金属粘结剂厚度比导热系数低的导热胶薄。在选择FloTHERM显示瓶颈参数时,可以看到这些重要性。软件会显示出在从热源到大气环境的热流通道上哪个器件是最大的散热瓶颈。

CPU的功耗与其工作时切换的频率相关。常温金属邦定的应用,不只使产品实际工作时其温度降低,还能在保持同样工作环境温度的同时,器件功率耗散可以有所增加。在该案例中,MesoGlue TIMs的使用,可以使CPU功率消耗从81.5w增加到115W(28%)时,保持其结温在90度不升高。器件寿命更长,或者运行速度更快。这样的机遇会提升竞争,增加功能,缩小外形尺寸,提升速度…….

热流通道中总是存在一个最大的瓶颈。但是像常温金属邦定这种技术能够帮助对付这个瓶颈问题。从而成为热设计工程师的另一个利器。

MesoGlue这项技术用于印刷线路板组装的话其意义更加重大。这会给国内PCB装配以及国内系统组装企业带来先机吗?

 

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