Journée technique GFIE

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1 Journée technique GFIE
Adhésif pour assemblages de dissipateurs thermiques de haute fiabilité. Journée technique GFIE 2 avril 2015 1

2 Journée technique GFIE
Assemblage de dissipateur thermique – principe et exemple Journée technique GFIE 2 avril 2015 2

3 Conductivité thermique à 25°C (W/m.K) Journée technique GFIE
Adhésif thermiquement conducteur = pigment + résine Quelques ordres de grandeur. Matière Conductivité thermique à 25°C (W/m.K) Polymère non chargé 0.2 Silice 1.7 Alumine 25 Sn4 Ag 0.5 Cu 55 55 Soudure Argent 417 Pigment électriquement conducteur. Diamant 2200 meilleur conducteur thermique. Journée technique GFIE 2 avril 2015 3

4 Journée technique GFIE
La conductivité thermique et la conductivité électrique augmentent avec la quantité de pigment incorporée à la résine (le « taux de charge »). Conductivités électriques et thermiques n’augmentent pas de la même façon avec le taux de charge. Journée technique GFIE 2 avril 2015 4

5 Journée technique GFIE
Cas de la conductivité électrique : forte variation aux environs du seuil de percolation. Variation moins forte avant et après le seuil de percolation Cas d’un pigment électriquement conducteur Cas de la conductivité thermique : augmente avec le taux de charge de façon exponentielle. Journée technique GFIE 2 avril 2015 5

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Cas de la conductivité électrique : à partir d’un certain seuil, il y a peu d’intérêt à augmenter le taux de charge. Cas de la conductivité thermique : Il y a toujours intérêt à augmenter le taux de charge. Journée technique GFIE 2 avril 2015 6

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Pour obtenir un adhésif de conductivité thermique élevée : il est nécessaire de « charger » fortement la résine. Journée technique GFIE 2 avril 2015 7

8 Journée technique GFIE
Oui, mais en augmentant le taux de charge : On augmente la viscosité, jusqu’à obtenir une pâte impossible à déposer avec une seringue (viscosité trop faible : le liquide se répand comme de l’eau, viscosité trop forte : effet mastic). 1 On diminue la force d’adhésion (c’est la partie résine qui assure l’adhésion). 2 On rend la couche d’adhésif réticulée plus rigide. Cette dernière supporte donc moins les contraintes dimensionnelles dues aux écarts de coefficient de dilatation des matériaux assemblés. 3 Journée technique GFIE 2 avril 2015 8

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Pour contourner le problème de viscosité très élevée, il y a un « truc » très simple : utiliser les solvants. En ajoutant le solvant, très liquide, à une suspension très épaisse, on obtient une viscosité adaptée à la dépose. Le solvant s’évapore à la cuisson, ce qui conduit à un taux de charge très élevé. Journée technique GFIE 2 avril 2015 9

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MASSE % VOLUME % Avant séchage Après séchage Journée technique GFIE 2 avril 2015 10

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Problème 1 : Envoi de solvants dans l’atmosphère Problème 2 : Impact défavorable sur les propriétés du joint de colle. Il y a 2 types de comportement « à problème » Journée technique GFIE 2 avril 2015 11

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Comportement 1 : Le solvant est « piégé » dans le réseau polymère : le taux de charge est inférieur à ce qui est attendu, la conductivité thermique est également inférieure à ce qu’on attend. impact négatif sur les propriétés d’adhésion de la résine.  Journée technique GFIE 2 avril 2015 12

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Comportement 2 : Le solvant parvient à s’évacuer : il laisse des vides lors de son élimination. Conductivité thermique et adhésion sont affectées Journée technique GFIE 2 avril 2015 13

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Première étape du travail de mise au point : élaboration d’une poudre d’argent dont le facteur de forme autorise des taux de charge élevés. Journée technique GFIE 2 avril 2015 14

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 Deuxième étape : développement d’une résine : 1 2 3 4 Avec faible viscosité, de façon à permettre un taux de charge élevé. Thermodurcissable, de façon à s’affranchir de la baisse des performances lorsqu’on approche de la température de fusion. Permettant une réticulation sans apparition de vide dans la couche d’adhésif. Suffisamment souple et résistante après réticulation pour supporter les différentiels de dilatation au cours des cycles thermiques, suffisamment rigide pour supporter le wire bonding par ultra sons. Journée technique GFIE 2 avril 2015 15

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RESULTATS Journée technique GFIE 2 avril 2015 16

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Aspect après réticulation : pas de vides Journée technique GFIE 2 avril 2015 17

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Mesure de conductivité thermique sur l’assemblage. Température du composant  Résistance interne  V mesurée  Le V pour un temps donné est une mesure in situ de l’échauffement du composant. A dimensionnement constant, le V est d’autant plus faible que la conductivité thermique de la résine est élevée. Journée technique GFIE 2 avril 2015 18

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Adhésif de référence Nouvel adhésif Journée technique GFIE 2 avril 2015 19

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PROPRIETES DU NOUVEL ADHESIF Viscosité Plan Cône 25°C 5rpm 9500 mPa.s NFT 51211 Augmentation de viscosité après 24h à +25°C < <25%  utilisation simple sur machine Densité 4.9 (approx) Indice de thixotropie > 3.5 Finesse de grain < 25µm Cycle de reticulation 30 200°C Stockage en seringue  8 -40°C  3 -20°C Stockage en pots 1 -20°C (doit être ré homogénéisé à la spatule avant utilisation) Journée technique GFIE 2 avril 2015 20

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PROPRIETES DU NOUVEL ADHESIF (suite) Conductivité thermique Hot disk 25°C 18 W/m.K Force de cisaillement la rupture, à température ambiante 2.05 x 2.05 mm² Si chips Substrats testés = Ag revêtu Cu Acier + Ni + NiP 200 kg/cm² 3.5 x 3.5 mm² Si chips 70 120 Module de Young DMA, tension mode, 1Hz @ 25°C @ 100°C @ 150°C @ 250°C 16000 6800 3900 2700 MPa Temperature de transition vitreuse 55 °C Dureté SHORE D NFT 51109 75 Résistivité électrique ECA1 <0.10 mΩ.cm Journée technique GFIE 2 avril 2015 21

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Résultats de fiabilité – nouvel adhésif Test Conditions  Monitored properties Results Stockage à temperature élevée 150°C heures  Force de cisaillement à la rupture  Conductivité thermique Pas de diminution Stockage à chaud 10 cycles - 175°C 23 heures - 200°C 1 heure Journée technique GFIE 2 avril 2015 22

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Résultats de fiabilité – nouvel adhésif Test Conditions  Monitored properties Results Chaleur humide 85°C 85% HR 1000 heures  Force de cisaillement à la rupture  Conductivité thermique Pas de diminution Journée technique GFIE 2 avril 2015 23

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Résultats de fiabilité Test Conditions  Monitored properties Results Stockage à froid -40°C 1000 heures Conductivité thermique Pas de diminution Chocs thermiques. 1200 cycles : °C °C Journée technique GFIE 2 avril 2015 24

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Conclusion. Les dissipateurs thermiques réalisés avec le nouvel adhésif présentent des propriétés thermomécaniques qui ne se dégradent pas : - lors de chocs thermiques - en chaleur humide 85°C 85% HR - lors de stockage à hautes ou basses températures. Journée technique GFIE 2 avril 2015 25

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Merci Laurent SCHAEPELYNCK Journée technique GFIE 2 avril 2015 26