Hur EMC-materialens egenskaper påverkar förpackningens deformation och styrka

Residual deformation i förpackningar är en viktig faktor som påverkar förpackningens hållfasthetsvärde. Figur 2.5 visar förpackningar i form av ett "smilande" (när BGA-sidan är nedåt), där EMC:s inre påfrestning typiskt är låg. I detta fall skulle förpackningens hållfasthet förbli hög även efter böjning, eftersom det krävs mer EMC-påfrestning (eller deflektion) för att uppnå brottpunkten. Å andra sidan, om förpackningen får en "gråtande" form (när BGA-sidan är nedåt), kommer den residuala EMC-påfrestningen att vara högre, vilket leder till att förpackningens hållfasthet blir låg som ett resultat. För att förstå och förutsäga detta krävs en noggrann karakterisering av förpackningens deformation, särskilt med avseende på olika typer av EMC-material som används vid minnesförpackningar.

Graphene, ett material känt för sina exceptionella termiska och elektriska ledningsförmågor, har fått allt större uppmärksamhet som ett lovande material för termisk dissipation och elektromagnetisk avskärmning. Den senaste forskningen fokuserar på användningen av reducerade grafenoxidfilmer, grafenfilmer och grafenbaserade kompositfilmer för att hantera värme i elektroniska förpackningar. Dessa material har en enorm potential för att förbättra termisk dissipation, mekanisk hållfasthet och elektrisk ledningsförmåga i halvledarförpackningsmaterial. Grafenmaterial, beroende på tillverkningsmetod, visar ett brett spektrum av termisk ledningsförmåga, vilket gör dem till ett attraktivt alternativ för framtida utveckling av förbättrade förpackningar.

För att uppnå förbättrad förpackningsstyrka och minskad deformation måste en kombination av avancerade material, såsom grafen, och optimerade tillverkningsprocesser användas. Vidare måste förståelsen av hur dessa material reagerar på olika mekaniska och termiska påfrestningar fördjupas för att kunna förutsäga och kontrollera förpackningens långsiktiga hållbarhet.

Hur kan man förhindra korrosionsfel i datacenter?

Vidare, när det gäller val av material, är det viktigt att beakta risken för galvanisk korrosion, som kan uppstå när olika metaller används i kombination i en viss arbetsmiljö. För att effektivt minska risken för galvanisk korrosion kan man använda dielektriska föreningar eller fysiskt isolera materialen från varandra. En annan teknik som används för att skydda mot galvanisk korrosion är katodiskt skydd, där man använder offeranoder eller tillämpar en imponerad ström. Inom DLC-teknologin används ofta destillerat vatten i kylslangar för att förhindra korrosion av metallkomponenter. Förutom detta kan pH-värdeskontroll och tillsats av korrosionshämmande ämnen, som till exempel Tolyltriazole för koppar och kopparlegeringar, skydda metaller från korrosion. Det är dock viktigt att understryka att dessa tillsatser kräver regelbundet underhåll, då de kan förlora sin effektivitet med tiden.

För elektronikförpackningar som används i nedsänkta kylapplikationer är det avgörande att minimera interaktionen med kemiska vätskor. De viktigaste karakteriseringsparametrarna för nedsänkta kylsystem är definierade av Open Compute Project (OCP). För att adressera problemen med zinkwhiskrar, en typ av korrosionsproblem som kan uppstå på ytor i datacenter, har några metallbeläggningar föreslagits som möjliga lösningar. Forskning har föreslagit att varmförzinkad (HDG) zinkbeläggning skulle vara immun mot zinkwhiskrar, på grund av den inre stressen som uppstår i beläggningen, vilket gör att whiskrarna växer snabbare och längre. Vissa studier har dock visat att whiskrar kan växa även på HDG-beläggningar. En annan metod för att hämma bildandet av whiskrar är att använda legeringar i stället för rent zink, som förzinkat aluminium (ZnAl) eller epoxypulverlackerade ytor.

Hur keramiska material förbättrar termisk hantering i avancerad minnesförpackning

Aluminium nitride (AlN) har blivit ett av de mest använda materialen för applikationer som kräver effektiv värmeavledning, vilket gör det till ett populärt val för förpackningslösningar i elektroniska system. Med sina höga termiska ledningsegenskaper, som sträcker sig från 130 till 250 W/m·K, och en låg termisk expansionskoefficient, är AlN idealiskt för användning i högtermiska miljöer som exempelvis epoximaterial med hög termisk ledningsförmåga. Förutom dessa egenskaper ger AlN också god elektrisk isolering, vilket gör det oumbärligt för komponenter som kräver effektiv värmespridning.

En annan keramisk materiallösning som har visat sig vara värdefull för avancerade applikationer inom halvledarteknik är kiselkarbid (SiC). Detta material kännetecknas av hög mekanisk, termisk och kemisk stabilitet, vilket gör det användbart för en rad olika tillämpningar, särskilt i halvledarenheter som verkar vid extrema temperaturer. SiC:s termiska ledningsförmåga sträcker sig från 75 till 270 W/m·K, vilket gör det till ett utmärkt val för högfrekventa och högkapacitets elektroniska enheter, såsom effektelektronik och radiovågsapplikationer. SiC-nanopartiklar har också använts som fyllmedel i termiskt ledande epoxikompositer för att effektivisera värmeöverföringen från heta källor som Si-chip eller lysdioder (LED).

Boronkarbid (B4C) är ett annat material som har funnit sin plats inom termisk hantering. Med sina exceptionella hårdhetsegenskaper används B4C som ett slipmedel för polering och vattenskärning av både metaller och keramik. Dessutom har B4C höga värden för både neutronabsorption och termisk ledning, vilket gör det till ett idealiskt material för kärnreaktortillämpningar, både som skydds- och detektionsmaterial. Eftersom B4C är ett p-typ halvledarmaterial, är det också ett intressant alternativ för elektronik som ska användas vid höga temperaturer.

Aluminiumoxid (Al2O3), eller alumina, är ett material som ofta används inom ingenjörsindustrin för sina goda isoleringsegenskaper, mekaniska styrka och kemiska motståndskraft. Dess termiska ledningsförmåga varierar från några få W/m·K upp till maximalt 50 W/m·K beroende på temperatur och kristallisering. Trots att andra keramiska material som berylliumoxid (BeO) och AlN erbjuder bättre termisk ledningsförmåga, är Al2O3 populärt inom industrin eftersom det erbjuder ett kostnadseffektivt alternativ för termiska fyllmedel, även om den termiska ledningsförmågan är något lägre.

För att ytterligare förbättra termisk ledningsförmåga i epoxikompositer med Al2O3-fyllmedel har olika tillverkningslösningar föreslagits, som inkluderar optimering av ytmodifiering, fördelning och konstruktion av Al2O3-fyllmedel samt blandning av flera typer av fyllmedel. Trots att dessa lösningar har visat sig vara effektiva, är förbättringarna i termisk ledning oftast begränsade till ett intervall på omkring 3 W/m·K, även med fillerbelastningar på upp till 90%.

Kisel nitrid (Si3N4), ett annat välkänt keramiskt material, finns i tre kristallina former: α, β och γ. Den hexagonala β-Si3N4 har särskilt hög inre termisk ledningsförmåga och har visat sig förbättra termisk ledning i epoxikompositer när den används som fyllmedel. Experiment har visat att material som innehåller β-Si3N4 har upp till 2,4 gånger högre termisk ledningsförmåga än kommersiellt tillgängliga β-Si3N4-belastade kompositer, vilket understryker värdet av denna materialform för användning i elektroniska enheter med höga prestanda.

Förutom deras användning som fyllmedel i kompositer används dessa keramiska material också för tillverkning av keramiska substrat och tryckta kretskort (PCB). Keramiska material erbjuder överlägsna värmeavledningsförmågor och hög mekanisk styrka, vilket gör dem oumbärliga för elektroniska komponenter som arbetar under extrema förhållanden, som i flyg- och bilindustrin. Trots konkurrens från andra teknologier, såsom isolerade metallkort och metallelement i PCB, har keramiska material förblivit en universell lösning på grund av deras monolitiska och oorganiska natur.

När nya förpackningsteknologier som 2,5D-silikoninterposer utvecklas, har även nya strukturer för termisk hantering föreslagits, såsom genomgjutna plattor (TMP), för att effektivisera värmeöverföringen från komponenter som GPU:er till minnesmoduler och andra delsystem.

För att skapa effektiva kylsystem för dessa avancerade system, har olika typer av värmespridare undersökts och jämförts, och varje system designas med särskild hänsyn till den typ av värmeöverföring och mekaniska krav som ställs av dagens högpresterande elektronik.

Hur kan vägledning i EMC med högre styvhet hjälpa till att minimera förpackningsvridning vid kryogena förhållanden?

För att optimera elektroniska komponenter och deras tillförlitlighet under extrema förhållanden har forskningen kring förpackningsmaterial för minneskretsar med hög styvhet blivit allt viktigare. En av de största utmaningarna inom området är att hantera de fysiska påfrestningarna som uppstår vid kryogena temperaturer, där material kan uppvisa förändrad mekanisk respons och påverka enhetens långsiktiga funktionalitet. Att förstå och förutsäga hur material, inklusive de med högre modulstyrka, reagerar vid dessa temperaturer är avgörande för att säkerställa att elektroniska system förblir stabila och funktionella.

Vid låga temperaturer uppstår komplexa termomekaniska krafter inom förpackningen som kan leda till förvrängning eller vridning, något som kan försämra prestanda och tillförlitlighet. EMC (Epoxymolding Compound) är en avgörande komponent i många elektroniska förpackningar, där dess termiska och mekaniska egenskaper direkt påverkar systemets stabilitet. Material med högre modulstyrka erbjuder potentiellt en lösning på detta problem, då deras styvhet kan motverka de krafter som uppstår vid kryogena temperaturer. Genom att använda sådana material kan man minska risken för deformationer och bibehålla förpackningens integritet under hela produktens livslängd.

Högmoduls EMC-material fungerar genom att erbjuda bättre motståndskraft mot kryogena termomekaniska effekter som skjuvspänningar och termisk expansion. De uppvisar också högre elastiska egenskaper, vilket innebär att de kan återhämta sig bättre efter temperaturförändringar. Förpackningar som använder dessa material tenderar att visa mindre vridning under extrema temperaturcykler, vilket resulterar i förbättrad mekanisk stabilitet och därmed längre livslängd för de elektroniska komponenterna.

För att ytterligare optimera användningen av högmoduls EMC-material, är det nödvändigt att beakta flera faktorer. Dels är det viktigt att förstå den mikrostruktur som bildas vid tillverkningen av sådana material, eftersom denna påverkar både styrkan och hållbarheten hos förpackningen. Även den specifika sammansättningen av materialet spelar en central roll i hur det reagerar vid olika temperaturförhållanden. Forskning har visat att små tillsatser av mikrolegeringar kan förbättra dessa egenskaper ytterligare genom att stabilisera den mikrostrukturella utvecklingen.

Vidare är det också avgörande att förstå hur dessa högmoduls material interagerar med andra komponenter inom förpackningen, såsom lödningarna som kopplar samman kretskortet med själva förpackningen. Särskilt i fall med blyfria lödmaterial, där termomekaniska påfrestningar kan orsaka sprickbildning eller förlust av elektrisk kontakt, måste förpackningens material väljas noggrant för att säkerställa långsiktig hållbarhet under drift.

Ytterligare aspekter som spelar in är faktorer som åldringseffekter och långsiktig termisk cykling. Eftersom högmoduls EMC-material inte är immuna mot förändringar över tid, måste deras beteende över ett långt tidsintervall beaktas för att förutsäga deras prestanda i verkliga applikationer. Åldring och de cykliska spänningarna som uppstår under upprepade temperaturväxlingar kan påverka materialens förmåga att motstå deformation, och därför måste dessa effekter noggrant modelleras och testas innan de används i slutprodukterna.

För att verkligen maximera fördelarna med högmoduls EMC-material vid kryogena förhållanden måste också externa faktorer som den elektriska isoleringen och den termiska hanteringen beaktas. Förpackningar måste inte bara motstå mekaniska påfrestningar utan också effektivt leda bort värme för att förhindra överhettning och andra termiska skador, vilket skulle kunna förkorta produktens livslängd.

Med tanke på den kontinuerliga utvecklingen av elektroniska komponenter och de växande behoven inom områden som rymdteknik, medicinska apparater och avancerade kommunikationssystem, är det av största vikt att noggrant förstå och förutsäga materialens beteende i dessa extrema miljöer. Här spelar forskning på EMC-material med högre styvhet en central roll i att skapa nästa generationens pålitliga och långvariga elektroniska system.