O material de interface térmica de solda transporta calor através de uma junta formando uma ligação metalúrgica sólida em vez de uma camada de polímero flexível. Essa ligação metálica é o motivo pelo qual ele pode atingir uma resistência térmica menor do que uma pasta ou almofada quando a junta é fina e totalmente molhada, e também o motivo pelo qual seu uso se restringe a um conjunto limitado de interfaces. Sua principal aplicação é no nível do chip de encapsulamentos semicondutores de alta potência, onde uma camada fina, plana e soldável fica entre o silício e um dissipador de calor. Sua principal limitação surge assim que a interface aumenta de tamanho, torna-se menos plana ou se torna mecanicamente ativa, pois uma camada metálica rígida não tolera a movimentação imposta por conjuntos maiores.
Este artigo trata a pasta de interface térmica (TIM) de solda como um material de ligação em nível de chip e a compara com os materiais de interface mais macios e flexíveis usados em níveis superiores do caminho térmico. Ele não aborda a metalurgia da pasta de solda para interconexões elétricas, a engenharia de perfis de refluxo ou as juntas elétricas em um encapsulamento; esses são problemas distintos que compartilham o termo "solda".
O que é um material de interface térmica para solda?
O material de interface térmica de solda (TIM) é uma camada metálica fusível, aplicada por refluxo entre duas superfícies de contato para uni-las em um único caminho de baixa resistência térmica. Geralmente abreviado como sTIM ou STIM, utiliza uma liga de solda à base de estanho ou outra liga de baixo ponto de fusão que derrete, molha ambas as superfícies e esfria, formando uma ligação intermetálica. Essa etapa de refluxo é o que o diferencia de todos os TIMs poliméricos: em vez de pressionar um material macio no local, o processo forma uma junta metálica contínua.
A posição canônica para esse material é entre o chip do processador e seu dissipador de calor integrado (IHS). A Intel documenta essa camada como o material de interface térmica de solda que fica entre o chip e o IHS para aumentar a condutividade nessa junção. A mesma ideia se aplica a encapsulamentos BGA (Ball Grid Array) de alta potência e a chips de eletrônica de potência, onde a interface é pequena, plana e pode receber um acabamento soldável.
A TIM de solda pertence à classe mais ampla de materiais de interface metálica, que também inclui folhas de metal macio, metais líquidos e prata sinterizada. O que todos esses materiais têm em comum é um caminho de condução metálico; o calor se move através do metal, e não através de um polímero preenchido. Esse caminho é tanto a fonte do desempenho quanto a fonte das limitações, e o equilíbrio entre os dois é o tema principal deste artigo.
Por que a pasta térmica de solda atinge menor resistência térmica?
A pasta térmica de solda (TIM) atinge menor resistência térmica por dois motivos: o metal em massa conduz o calor muito melhor do que um polímero com carga, e uma junta reflow reduz a resistência de contato que predomina em uma fina camada de polímero. A Indium Corporation relata uma condutividade térmica em massa de cerca de 86 W/m·K para sua TIM metálica. As pastas térmicas de polímero geralmente ficam na faixa de 2 a 10 W/m·K, e formulações especializadas chegam a valores na casa dos 10 W/m·K. O ar, o fluido que a TIM preenche, tem uma condutividade térmica próxima a 0,026 W/m·K, portanto, cada TIM representa uma melhoria; a questão em aberto é qual a magnitude dessa melhoria. Um polímero com carga conduz o calor através de partículas condutoras suspensas em uma resina, e a resina e os contatos entre as partículas limitam o valor máximo que a condutividade térmica em massa pode atingir. Uma camada metálica reflow não possui resina no caminho, portanto a condução ocorre através do metal contínuo. Essa é a diferença entre a classe metálica e a classe polimérica, mesmo antes de se considerar a resistência de contato.
O próprio contato é a segunda vantagem. Uma junta metálica reflowada molha ambas as faces de contato e forma um contato intermetálico, de modo que a resistência interfacial que predomina em uma fina camada de polímero é muito menor. Em uma junta fina, bem molhada e verificada, essa resistência de contato pode ser inferior àquela alcançada por uma interface de polímero. É por isso que a solda é o ponto de referência que os engenheiros usam para o nível de menor resistência de interface. O valor exato depende da liga, da camada de polímero, da qualidade da molhagem e das condições de teste, portanto, é interpretado como uma baixa resistência interfacial, e não como um número fixo que se aplica a todas as juntas de solda.
Uma junta metálica também elimina dois modos de falha que afetam graxas e algumas pastas. O bombeamento ocorre quando um material de interface térmica (TIM) fluido é lentamente expelido da interface sob ciclos térmicos; o aquecimento ocorre quando os voláteis se desprendem, deixando espaços vazios. Ambos dependem da fluidez ou semifluidez do material. Uma ligação metálica solidificada não migra dessa forma, portanto, não está sujeita ao bombeamento ou ao aquecimento na interface como uma graxa ou uma pasta macia.
A confiabilidade e os custos de processo por trás desse desempenho.
Uma maior condutividade não torna a solda TIM a escolha padrão, pois a mesma ligação rígida que reduz a resistência também concentra a tensão. Uma camada de solda é rígida e tem baixa flexibilidade. Quando o chip e o dissipador de calor se expandem em taxas diferentes, a diferença no coeficiente de expansão térmica (CTE) carrega a junta diretamente, sem uma camada macia para absorvê-la. Ao longo de ciclos térmicos repetidos, essa tensão leva à fadiga e ao surgimento de fissuras na camada TIM. Essa fadiga é o limite de confiabilidade em torno do qual as ligas de solda TIM são projetadas.
A espessura da linha de colagem situa-se no meio desse equilíbrio. Uma linha de colagem metálica mais espessa aumenta a resistência térmica e contraria a baixa resistência que a junta foi projetada para proporcionar; portanto, a camada é mantida o mais fina possível, dentro dos limites da interface. Como essa mesma camada rígida também precisa suportar a deformação do coeficiente de expansão térmica (CTE), a linha de colagem é uma das variáveis que o projeto de uma junta precisa equilibrar, e não simplesmente minimizar. Uma alteração feita por um motivo é avaliada em relação ao seu efeito sobre o outro.
A coplanaridade é importante pelo mesmo motivo. Uma junta metálica tem pouca capacidade de se adaptar a uma superfície deformada ou irregular, portanto, a planicidade e a preparação da superfície são mais importantes aqui do que em uma almofada macia, que pode absorver parte dessa variação por si só. Em uma junta entre um chip e um espalhador, as faces de contato são pequenas e podem ser mantidas planas; à medida que a interface aumenta, manter essa planicidade torna-se mais difícil e a ligação metálica tem menos tolerância ao que resta.
O processo restringe ainda mais a margem de erro. A solda precisa molhar as superfícies às quais se liga, o que geralmente significa que ambas as faces precisam de uma metalização compatível e soldável; uma superfície nua, plástica, pintada ou anodizada não será molhável. A interface também precisa suportar uma etapa de refluxo, portanto, qualquer componente próximo que não suporte essa variação de temperatura precisa ser considerado na montagem. Esses não são motivos para evitar a pasta térmica de solda; são as condições que determinam se uma interface pode aceitá-la.
Adequação do material da interface à folga, tensão e superfície.
A classe do material deve seguir a interface, e não o contrário. Portanto, a decisão prática começa com a dimensão do espaço, a tensão de montagem, a superfície e se uma etapa de refluxo é sequer possível. A pasta térmica de solda (TIM) é adequada onde o espaço é fino e plano, as faces de contato são soldáveis e a montagem pode passar por refluxo. Nesse cenário, a prioridade é a menor resistência de interface que uma junta metálica fina e bem molhada possa oferecer em uma pequena área de alto fluxo, como uma junta entre o chip e o spreader. Qualquer uma dessas condições se afasta da adequação da ligação metálica, e a justificativa para uma ligação metálica enfraquece rapidamente. Combinar o material com a interface dessa maneira é a essência de... seleção de materiais de interface térmica assim que o caminho do calor sair do chip.
Em nível de módulo e bateria, a interface é maior e menos uniforme. Os espaços são maiores e variam ao longo da montagem, e as superfícies são pintadas, anodizadas ou de plástico, nenhuma delas soldável. As células se movem durante o carregamento e o envelhecimento, e a montagem é feita por dispensação ou colocação manual, não por refluxo. Essas condições favorecem materiais flexíveis: macios almofadas térmicas e géis dispensáveis que se adaptam a interfaces irregulares sob baixa tensão de montagem, além de adesivos estruturais onde a interface também precisa suportar carga. Uma junta de solda rígida nesse ambiente dificultaria o próprio movimento e a tolerância que a montagem precisa acomodar.
A interface da bateria difere da soldagem em nível de chip. Em escala de bateria, o desafio do projeto não é buscar a condutividade ideal em nível de chip, mas sim se adaptar às irregularidades reais da interface e absorver a movimentação das células. Isso aponta para classes de interfaces flexíveis e resistentes à carga: pads térmicos e géis para o caminho de baixa tensão entre a célula e a placa fria, e um adesivo estrutural onde a junção precisa ser tanto térmica quanto resistente à carga. Essas são as classes de interface com as quais a Trumonytechs trabalha em nível de bateria, e nenhuma delas é uma TIM de solda metálica — a seleção segue as condições da interface, não uma classificação de condutividade.
Conclusão
A maneira mais eficaz de posicionar o material de interface térmica (TIM) para solda é definir o regime da interface antes de optar pela opção de maior condutividade. O TIM para solda é a solução ideal para juntas finas, planas, soldáveis e passíveis de refluxo em encapsulamentos de chips de alto fluxo, onde sua ligação metálica e baixa resistência interfacial compensam o coeficiente de expansão térmica (CTE) e as restrições do processo. Por outro lado, é a solução inadequada para interfaces maiores, irregulares e mecanicamente ativas em nível de módulo e pacote, onde a conformidade, a conformabilidade e a capacidade de suportar cargas determinam a confiabilidade. Primeiramente, analise a folga, a tensão de montagem, a superfície e o processo; o valor da condutividade só se torna decisivo após a confirmação de que uma junta metálica pode ser utilizada e resistir a condições extremas.
FAQ
A pasta térmica de solda (TIM) é melhor que a pasta térmica para chips de alta potência?
Para uma junção de chip fina, plana e soldável que passa por refluxo, a pasta térmica de solda (TIM) atinge uma resistência térmica menor do que a pasta e evita o vazamento por bombeamento. Nessa interface, ela supera a pasta em condutividade e resistência de contato. A escolha entre solda e pasta ainda depende da capacidade da interface de aceitar uma ligação metálica por refluxo. Em uma interface irregular, não soldável ou mecanicamente ativa, uma pasta ou uma TIM flexível é a opção mais confiável, mesmo que sua condutividade seja menor.
A pasta térmica de solda (TIM) precisa de uma superfície soldável?
A pasta térmica de solda (TIM) geralmente exige que ambas as faces de contato sejam soldáveis, pois o material precisa ser molhado e se ligar metalurgicamente para formar uma junta de baixa resistência. Superfícies de plástico sem revestimento, pintadas ou anodizadas geralmente não podem ser molhadas, portanto, precisam de uma metalização compatível ou de uma classe de TIM diferente. Essa exigência de superfície é um dos principais motivos pelos quais a TIM de solda permanece restrita ao nível do chip e do encapsulamento, não sendo utilizada em conjuntos maiores.
Por que a pasta térmica de solda (TIM) racha sob ciclos térmicos?
A pasta térmica de solda (TIM) trinca sob ciclos térmicos porque é rígida e não consegue absorver a diferença no coeficiente de expansão térmica (CTE) entre as peças que une. À medida que as duas superfícies se expandem e contraem em taxas diferentes, a tensão se concentra na camada metálica rígida, e os ciclos repetidos levam à fadiga e ao surgimento de trincas. Gerenciar esse problema é uma questão de projeto conjunto — a liga metálica, a linha de colagem e o grau de compatibilidade do CTE das peças unidas influenciam o resultado — e qualquer alteração feita para aliviar a tensão é avaliada em relação à resistência térmica adicional que pode proporcionar.
É possível usar pasta térmica de solda (TIM) em uma bateria de veículo elétrico?
A pasta térmica de solda (TIM) não se adapta à interface típica entre a célula e a placa fria de uma bateria de veículo elétrico. Essas folgas costumam ser grandes e irregulares, as superfícies geralmente não são soldáveis e as células se movem durante os ciclos de carga e descarga, de modo que as condições necessárias para uma superfície fina, plana, soldável e com capacidade de refluxo, que a pasta térmica de solda exige, geralmente não estão presentes nessa interface. Em vez disso, as baterias utilizam almofadas térmicas e géis flexíveis para o caminho de calor e um adesivo estrutural onde a junção também precisa suportar carga.
Leitura complementar
- Materiais de interface térmica para BGAs de alta potência — Artigo técnico da indústria sobre as interfaces BGA de alto fluxo, onde o metal e os TIMs de mudança de fase são comparados com a graxa, corroborando o argumento deste artigo sobre onde as interfaces de menor resistência são importantes.
- Guia de seleção de materiais para interface térmica — guia técnico independente que compara as classes de TIM por condutividade, linha de adesão e equilíbrio mecânico, informação útil para a lógica de seleção de espaçamento e tensão acima.
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