• Гость Привет наш новый сайт и форум по адресу www.OverPC.ru Этот сайт будет закрыт в ноябре 2018

Новости OverPC.ru Вся правда о пайке или скальпирование CPU

  • Автор темы Елисов Вячеслав
  • Дата начала
Е

Елисов Вячеслав

Guest
#1
Подробнее о пайке или скальпирование CPU


С выходом четвертого поколения процессоров intel Core под названием Haswell, мной был приобретение процессора intel Core 4770K, надежды и мечты были огромные, но все было омрачено перегрев, о разгоне выше 4,1 MGz можно было забыть смело и навсегда. Всему виной стал новый термоинтерфейс между теплораспределительной крышкой и кристаллом процессора. Так почему intel стал применять пластичный термоинтерфейс вместо припоя?

О скальпировании intel 4770k и роли теплораспределительной крышки я уже писал ранее и только теперь можно смело сказать по чему intel намерено на протяжении долгих лет использует тонкие чем надо крышки.
Этот вопрос не давал покоя мне долгое время и я стал изучать более детально все составляющие компоненты процессоров начиная с линейки Haswell. В одно и то же время линейка процессоров на socket 2011, 2011-3 спокойно использует под теплораспределительной крышкой припой.

Припой, как все выглядит.


В настоящее время процессоры производятся и имеют внешний вид кремниевой микросхемы. Кремний является основным материалом для создания процессоров, обладая кубической кристаллической решеткой можно создавать идеальные слои на атомном уровне. Таким образом после создания интегральной схемы, на аерхней части подложки будут размещены металлизированные площадки для соединения чипа с печатной платой, припой в виде шариков обеспечит надежность соединения чипа. Сама матрица чипа, будет производить и выделять достаточно большое количество тепла, относительно своих физических размеров, по этому нужен хороший теплоотвод . Одновременно возникает другая проблема в текстолите socket LGA, его толщина всего около 1,17мм (процессор Haswell ), но процессор Skylake имеет толщену текстолита около 0,78 мм. Текстолит будет давать идеальное подключение к контактам LGA в гнезде материнской платы . Главная проблема, как соединить кристалл, изготовленный из кремния и теплораспределительную крышку, произведенную из меди. Медь имеет теплопроводность около 400 Ват, плюс она доступна. Есть много способов все это соединить, но реально мы столкнемся с множеством факторов, самый главный — это максимальная температура которую может выдержать чип кремния и теплопроводность совместимых материалов.


Вся правда о пайке или скальпирование CPU

На рисунке видно как схематично выглядит процессор intel поколений lvy Bridge, Haswell, Skylake. Видно что, подложка соединяется с печатной платой через столбики припоя, которая в конечном итоге соединяет процессор с socket LGA. Виден так называемый не долив, тот что на печатной плате, основание и выступающая часть имеют разные коэффициенты теплового расширения, таким образом недолив защищает процессор от саморазрушения, вызванного разностью коэффициента теплового разрушения. Теплораспределительная крышка будет проводить тепло от подложки к радиатору, который будет крепиться на теплораспределительную крышку сверху. Термоинтерфейс должен быть пластичным и должен компенсировать все движения из-за разности теплового расширения, без повреждений кристалла процессора. В зависимости от типа процессора, между подложкой и теплопроводящей крышкой, можно применять обычную термопасту или припой.


Вся правда о пайке или скальпирование CPU
Как паять кремний и медь?


Кремний и медь совершенно разные материалы, кремний ( Si ) имеет внешний вид металла, но остается по восприятию как стекло (SiO2 ) , тоесть хрупок. Теплопроводность довольно хорошоя, примерно 150 Вт / (м * К) и тепловое расширения относительно низкое 2,6 мкм / (м * К).

Медь (Cu) это пластичный металл, обладает очень хорошей электропроводностью и теплопроводностью. Тем не менее тепловое расширение большое 16,5 мкм / (м * К), это больше в 6 раз, чем у кремния. Как все спаять, обычный оловянный припой, на пример такой Sn60Pb40, подходит отлично для пайки медных проводов, не подойдет, все припои на основе олова не прилепают к кремнию. Кроме того, затвердевание олова ведет к большому тепловому напряжению внутри материала. Это тепловое напряжение может вывевти из строя кристалл процессора. Известный материал способный прилипнуть к меди и кремнию это Индий. Одновременно с этим застывающий индий не дает большой усадки, это приводит к небольшому коэффициенту термического напряжения внутри кристалла процессора. Теплопроводность индия не так высока как у меди, равна (300 K) 81,8 Вт/(м·К). Кроме того индий очень пластичен, это позволяет подложке, относительно теплораспределительной крышке, расширяться без повреждений. Индий имеет температуру плавления 157 ° С.

Пайка процессора с крышкой.


Вся правда о пайке или скальпирование CPU

Привычной для нас пайкой тут не отделаешься, крышка из меди а кристалл из кремния, при этом сроки эксплуатации готового процессора составляют многие годы, это накладывает особый отпечаток на качество работ. По этому нужно правильно и качественно подготовить все составляющие для пайки, это теплораспределительная крышка и подложка ( кристалл процессора). Теплопроводящая крышка (платина) покрыта слоем никеля (Ni), никель будет работать в качестве диффузионного посредника для качественного соединения с медью. Индий тоже цепляется за никель но не так хорошо как хотелось, поэтому понадобится еще один слой, желательно из благородного металла, на пример золото (Аu), серебро (Ag) или палладий (Pd), поскольку может обеспечить более стабильное прилипание. Золото по всем параметрам подходит лучше для пайки. Золото нужно наносить на пластину слоем 1-3 мкм.

Припой.


Как было описано выше, индий является единственным материалом который годится для использования. В зависимости от формы индия мы должны удалить оксидный слой перед пайкой. Это может быть сделано путем селективного травления с использованием хлористоводородной кислоты. Слой индий должен быть толстым, чтобы обеспечить достаточное количество циклов тепловом расширения без образования трещин, при многократных термических процессов. И мы не можем припоять индий к кристаллу процессора, так как индий будет диффузировать в кремний, что не избежно со временем выведет чип процессора из строя. Таким образом нужен еще один диффузионный барьер слой на верхней части чипа. Диффузионный барьер формируется из нескольких слоев, выполненных из титана (Ti), никель (Ni) и ванадия (V). Сверху этого бутерброда, лежит слой золота для лучшего прилепания индия.


Вся правда о пайке или скальпирование CPU
Процесс пайки.


Итак получилось: Никелерованная теплораспределительная крышка сверху, снизу слой золота для связи с индием, еще ниже три слоя, титан, никель + ванадий и золото. Температура пайки должна быть не выше 170 ° С. Меньше температура может привести к плохой диффузии всех компонентов а высокая к выходу из строя процессора. В процессе пайки будут образовываться сплавы из некоторых компонентов. После пайки видно что золото, индий и никель образуют сплавы различной толщины. Теперь теплораспределительная крышка припаянна к кремнию и готова к работе.


Вся правда о пайке или скальпирование CPU
Самое не приятное.


В процессе пайки индий будет сокращаться, в результате поверхность кремния и крышки будут стягиваться, в результате выходит кривая поверхность теплораспределительной крышки. Интенсивное термоциклирование может привести к повреждению припоя , напряжение при растяжении внутри припоя приведет к образованию пустот. Раз за разом, примерно за 200-300 термических циклов, это неизбежно приведет к образованию трещин в припое по углам на припое чипа кремния, это не избежно приведет к образованию трещин на сомом кремнии что выведет процессор из строя. Появление пустот и трещин в основном зависит от площади припоя на кристалле кремния, то есть чем больше площадь кремния тем лучше. Малый размер кристалла, ниже 130 мм ² , а это старые знакомые — lvy Bridge, Haswell, Skylake будут способствовать образованию пустот а затем и трещин, при чем это не избежно. Тем не менее процессоры среднего и большого размера кристалла, выше 270 мм ² а это Haswell-E socket 2011 не показывают значительного образования трещин при термоциклировании.

Вот и ответ на главный вопрос, для чего инженеры intel не применяют припой а используют термопасту. Отсюда тонкая и кривая теплораспределительная крышка процессора, должна играть, компенсируя сжатие. Так что я не вижу другого объяснения, более чем логического. С другой стороны по чему такая плохая эта термопаста.

Статья написана GRU64rus.

Сообщение Вся правда о пайке или скальпирование CPU появились сначала на OverPC.

Продолжить чтение...