徵求測試驗證新研發[金屬熱界面材料測試] (圖文多)

haochang

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因先前看到恐龍大大在11月中有做Metal Pad的測試,因此介紹我司研發相同之產品.

我在財團法人研究機構參予研發一高導熱的金屬熱界面材料(metal-TIM),實驗室在抑制低熔點金屬的熔解液相溢漏造成電路短路,以及更低熔解、相變態溫度合金開發等關鍵技術,有些初步成果,可以改善此類型金屬熱界面材料的應用缺失。
實驗數據顯示研發的金屬熱界面材料的界面導熱效能是某日系(S開頭的公司)廠商散熱膏的3倍,能更有效地將微電子元件 ,例如 CPU、GPU等高發熱量晶片的熱能,更有效地導出至環境中。不同功率熱阻試驗以及某顯卡廠商的測試結果,指出當該金屬熱界面材料被加熱至部份固相、部份液相共存時,相對於散熱膏,可降低界面溫度3℃以上,此應與其經由熔解潛熱吸收大量熱能之效應有關。

前述金屬熱界面材料抑制熔解液相溢漏的原理,主要經由超薄厚度的設計,使熔解液相質量適足以填補導熱界面表面的微孔隙,不致產生過量的”多餘液相”,形成過大液滴,造成溢漏。

以下說明這新型金屬熱界面材料的熔解特性與界面導熱性能、安裝注意事項,以及版上網友取得測試材料應於版上post 測試心得之要求。


一、提供驗證的金屬熱界面材料的熔解特性及熱阻抗性能

***兩種組成皆符合 RoHS的金屬熱界面材料的熔解特性,其一是習知熔解溫度60℃的合金(Eutectic In-Bi-Sn),另一是新研發的新型低熔點合金(INNO-LMA),起始熔解溫度約50-53℃。熱分析顯示前者60℃開始熔解,72℃熔解為完全液相,當溫度約65℃時為50%液相、50%固相之半固態狀。後者的熔點較前者低,50%液相、50%固相之半固態狀的溫度約63℃。

1.jpg


***該兩種金屬熱界面材料與某日系散熱膏在不同加熱功率的熱阻抗(thermal impedance)數值,以及在不同界面溫度之熱阻抗值的關係曲線。當前述不同金屬熱界面材料的熔解液相的黏滯性降低時,可充分填補( well burn in)界面表面的微孔隙,其各自熱阻抗最低數值約是散熱膏的1/3,界面導熱效率約是散熱膏的3倍。
2.jpg


3.jpg


***該兩種金屬熱界面材料與某日系散熱膏在不同加熱功率的熱阻值,顯示界面溫度約略是金屬熱界面材料的半固態溫度時,金屬熱界面材料發揮熔解潛熱效應,界面導熱性能優於散熱膏。
4.jpg

附註:括弧內數字是第一次的測試數值,括弧外數字是burn in 後的再測試數值

二、金屬熱界面材料說明以及安裝於發熱晶片的注意事項

***金屬熱界面材料外觀如金屬箔片,厚度約30um,長度與寬度可裁切,照片中各約30mmx30mm;如散熱器底板平面度公差過大,超薄厚度箔片將無法使用。不同金屬箔片與散熱器底板材料的相容性注意事項,E. In-Bi-Sn箔片適用大部分金屬底板(例如鋁或銅)材質的散熱器;INNO-LMA箔片僅適用銅底板散熱器,因此以下安裝例使用銅芯(鋁鰭)散熱器。

5.jpg


三、索取試片測試網友之認知與測試回覆

*測試風險
基於研發專業與經驗,雖然個人認為提供之超薄厚度的金屬箔片,經過適當的安裝程序(參考前述安裝測試例),可以安全應用其導熱性能。然而,不同測試人員、安裝方法、超頻測試等差異,可能造成產品不可預期之影響,個人並不負網友使用該試片測試電子產品散熱性能所發生之損壞責任。鑒於金屬熱界面材料的安裝使用尚未普遍,相關可參考之資訊相對匱乏,本人及同事已盡可能在此版上充分揭露其安裝測試之注意事項,以及需充分burn in才能發揮最佳效能特性,測試網友可參考遵循。

*應盡義務
本人提供3個測試驗證名額給網上會員,願意自負測試風險且承諾會post測試結果於本版的會員,請在此版發聲並PM本人,PM訊息內容包含測試電子產品(電腦的CPU、顯示卡或遊戲機皆可)的詳細規格、測試軟體或方法,和以往的測試經驗。本人將依據收信內容,挑選出測試網友,寄出測試金屬熱界面材料,並在本版上公告挑選的測試網友會員名稱。


附註說明:
1.本post文提供試片供第三者公開驗證其性能,開版個人不回應任何個人買賣經銷的詢問及發言,其他無涉發問不在此限。
2.國內業界對此金屬箔片的詢問,請經由 karstenfann@hotmail.com,勿在此版提問,維持此論壇的風格。
 

haochang

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測試平台及INNO-LMA安裝

***測試用電腦:
CPU:Intel Core 2 Duo E6320+ 原廠銅芯鋁鰭散熱器
MB:ASUS P5L-MX(見笑了!辦公室用,開機FSB最高357MHZ)
RAM:Transcend 1G DDR2-667
熱界面測試比對材料:日系S公司 grease
測試程式:CPU-Z Ver1.43
TAT(Inter Thermal Analysis Tool) v2.05
SP2004
EVEREST V4.20

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***INNO-LMA箔片安裝
安裝需掌握以下原則
1.與INNO-LMA箔片接觸的散熱器底板與晶片表面必須清潔無油汙(可使用酒精)
2.組裝時需緊密接合,穩固INNO-LMA箔片,使不偏離接合界面
3.箔片尺寸略小於與接合界面尺寸,邊緣宜保留1mm 以上的間隙

本圖以極少量口紅膠塗於箔片4個角落尖端,將箔片固定於C2D E6320處理器的封蓋均熱片上。兩個熱電偶固定於散熱器銅底板兩側,量測處理器運作時底板邊緣的溫度。

7.jpg


8-1.jpg


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haochang

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測試結果

A.日系S公司grease
外頻:1866MHz(7x267)
核心溫度:25℃-->53℃ (熱電偶量測銅芯溫度:28℃-->42℃)
CPU FAN:1700RPM-->1700RPM

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11.jpg


外頻:2330MHz(7x333)
核心溫度:32℃-->57℃ (熱電偶量測銅芯溫度:31℃-->45℃)
CPU FAN:1700RPM-->1900RPM

12.jpg

13.jpg


B.INNO-LMA
外頻:1866MHz(7x267)
核心溫度:36℃-->64℃ (熱電偶量測銅芯溫度:31℃-->45℃)—界面材料第一次安裝結果
CPU FAN:1700RPM-->1900RPM

14.jpg

15.jpg


外頻:2330MHz(7x333)
溫度:35℃-->66℃ (熱電偶量測銅芯溫度:33℃-->46℃)-- 界面材料第一次安裝結果
CPU FAN:1900RPM-->2000RPM

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17.jpg

基於測試主板可超頻幅度小,357 MHz仍無法達到 burn in,桌上型PC處理器的均熱封蓋元件設計,以及前述測試中啟動風扇強制冷卻,處理器與散熱器的界面溫度難以使INNO-LMA燒入界面,需使用特殊方式燒入。

***INNO-LMA燒入方法
在1866MHz(7x267)待機、未開啟負載程式情形下,開機殼側板並拔出風扇插頭,約5分鐘左右,程式顯示核心溫度由待機3x℃逐漸升溫至67-70℃,熱電偶量測銅芯顯示最高65℃,研判已完成burn in程序,此時重新插入風扇插頭,關側板。

18.jpg

19.jpg


***INNO-LMA燒入後的測試(放置一段時間,使系統溫度下降)
外頻:1866MHz(7x267)
核心溫度:27℃-->52℃ (熱電偶量測銅芯溫度:28℃-->42℃)
CPU FAN:1700RPM-->1700RPM

20.jpg

21.jpg


外頻:2330MHz(7x333)
核心溫度:30℃-->56℃ (熱電偶量測銅芯溫度:35℃-->44℃)
CPU FAN:1700RPM-->1900RPM
22.jpg

23.jpg


測試外頻為1866MHz(7x267),持續燒機23HR,CPU-IDLE溫度約28-37℃,CPU-FULL為50至52℃之間。
24-1.jpg


-----以上實機測試條件的核心溫度未達INNO-LMA的半固態溫度,無從判斷INNO-LMA箔片的導熱性能極限,post 文主要是說明提供該金屬箔片的熔解特性與安裝方法。開版個人願提供試片供有意願網友進行更嚴苛的超頻測試,驗證其導熱性能極限------
 

p8020444

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感覺有好戲看了..

大大們快去搶啊~~
 

Scrambler

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只怕操下去以後要拆..cooler和CPU搞曖昧就不好了
 

Colt357TW

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只怕操下去以後要拆..cooler和CPU搞曖昧就不好了

應該不會 不過我對 "...INNO-LMA箔片僅適用銅底板散熱器..." 很擔心 因為小弟幾個設計用這個都會有接觸面侵蝕的疑慮

不過有機會倒是想玩玩看 QX6850 1.5VCore上面應該可以提供足夠熱量來給導熱介質做相變化了
 

虛空

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>>以上實機測試條件的核心溫度未達INNO-LMA的半固態溫度,無從判斷INNO-LMA箔片的導熱性能極限

拿E6300不超頻測不出來的...

要去撿P-D 820 830 840系列的

然後加大電壓再超頻~

溫度隨便爆到百度
 

nuvolawlc

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好像論文般的一大PO~~
先收下有時間再回頭看看
 

carstenfann

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應該不會 不過我對 "...INNO-LMA箔片僅適用銅底板散熱器..." 很擔心 因為小弟幾個設計用這個都會有接觸面侵蝕的疑慮

不過有機會倒是想玩玩看 QX6850 1.5VCore上面應該可以提供足夠熱量來給導熱介質做相變化了

我已注意到Colt357TW在新人報到區的歡迎以及本版的回應!由"相變化"關鍵字使我判斷Colt357TW應從事熱管理相關工作

有關Colt357TW兄以及前面網友提及的界面反應(interface reaction),很抱歉, 我必須使用前述比較精確的用字, 以說明兩者得區別

1.Eutectic In-Bi-Sn箔片與 INNO-LMA,當然也包含 國外 Coollaboratory 的"metalpad"以及thermax的類似組成的金屬箔片在高於70℃幾乎全液相狀態持續數百小時的使用條件下,熔解的液相一定會與銅底板散熱器產生界面反應,如果溫度遠低於70℃或時間僅數十小時, 則幾乎無可視的反應跡象
2.前述界面反應是銅底板與熔液中的錫,形成Cu6Sn5介金屬化合物,至於熔液與桌上型 CPU 表面鍍鎳的均熱封蓋元件的界面反應速率,則僅有前述 Cu6Sn5反應速率的1/10至1/100,精確地說,該 桌上型 CPU 的服役時間內不會有可視的界面反應
3. 前述的界面反應是原子在固態固溶體或熔解液相的擴散反應,不同於先前提及的 "侵蝕". 侵蝕應該是熔解的液相與接觸金屬材料的表面因為極嚴重的化學反應(伴隨放熱反應),使金屬表面形成氧化物, 氧化物通常會剝離脫落原金屬表面,形成可視的內凹孔洞,劣化界面導熱效能. 相關的例子 ,例如Coollaboratory的液態金屬散熱膏不能與鋁底板散熱器接觸, 液態金屬的某一組成元素在液態且加熱的條件下 ,侵蝕鋁的反應速率是相當快速

在此回答Colt357TW兄的問題,INNO-LMA與銅底板散熱器的相容性問題,最多是界面反應, 此界面反應對於界面導熱效能的影響極微小 ,遠低於影響界面導熱效能的最大要因---界面表面微孔隙的填補.我認為該界面反應化合物對於界面導熱效能的影響甚至小於目前量測設備的誤差,該影響是正面或負面,尚未經科學證實

最後補充說明,INNO-LMA是目前已知的低熔點合金當中, 在室溫40℃仍維持固態,但是熔解相變態溫度最低的金屬熱界面材料, 符合歐盟RoHS , 遠低於目前類似性質產品的最低相變溫度--60℃. 此新合金主要針對現有類似產品在構裝晶片TIM2不易熔解的難題所開發,2006年完成,完成優先權程序後, 2008年初決定在此論壇進行第二次發表並提供版上會員測試驗證的機會 ( 第一次是在台灣熱管理協會的年會)

希望以上的說明有助於釋疑各位的問題; 我的同事開板的說明有不盡清楚的地方,歡迎提問 , 本人不吝於在此交流3年研發期間所累積的知識,希望國內業界能對此低熔點合金有正確的認知
 

carstenfann

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應該不會 不過我對 "...INNO-LMA箔片僅適用銅底板散熱器..." 很擔心 因為小弟幾個設計用這個都會有接觸面侵蝕的疑慮

不過有機會倒是想玩玩看 QX6850 1.5VCore上面應該可以提供足夠熱量來給導熱介質做相變化了

我已注意到Colt357TW在新人報到區的歡迎以及本版的回應!由"相變化"關鍵字使我判斷Colt357TW應從事熱管理相關工作

有關Colt357TW兄以及前面網友提及的界面反應(interface reaction),很抱歉, 我必須使用前述比較精確的用字, 以說明兩者得區別

1.Eutectic In-Bi-Sn箔片與 INNO-LMA,當然也包含 國外 Coollaboratory 的"metalpad"以及thermax的類似組成的金屬箔片在高於70℃幾乎全液相狀態持續數百小時的使用條件下,熔解的液相一定會與銅底板散熱器產生界面反應,如果溫度遠低於70℃或時間僅數十小時, 則幾乎無可視的反應跡象
2.前述界面反應是銅底板與熔液中的錫,形成Cu6Sn5介金屬化合物,至於熔液與桌上型 CPU 表面鍍鎳的均熱封蓋元件的界面反應速率,則僅有前述 Cu6Sn5反應速率的1/10至1/100,精確地說,該 桌上型 CPU 的服役時間內不會有可視的界面反應
3. 前述的界面反應是原子在固態固溶體或熔解液相的擴散反應,不同於先前提及的 "侵蝕". 侵蝕應該是熔解的液相與接觸金屬材料的表面因為極嚴重的化學反應(伴隨放熱反應),使金屬表面形成氧化物, 氧化物通常會剝離脫落原金屬表面,形成可視的內凹孔洞,劣化界面導熱效能. 相關的例子 ,例如Coollaboratory的液態金屬散熱膏不能與鋁底板散熱器接觸, 液態金屬的某一組成元素在液態且加熱的條件下 ,侵蝕鋁的反應速率是相當快速

在此回答Colt357TW兄的問題,INNO-LMA與銅底板散熱器的相容性問題,最多是界面反應, 此界面反應對於界面導熱效能的影響極微小 ,遠低於影響界面導熱效能的最大要因---界面表面微孔隙的填補.我認為該界面反應化合物對於界面導熱效能的影響甚至小於目前量測設備的誤差,該影響是正面或負面,尚未經科學證實

最後補充說明,INNO-LMA是目前已知的低熔點合金當中, 在室溫40℃仍維持固態,但是熔解相變態溫度最低的金屬熱界面材料, 符合歐盟RoHS , 遠低於目前類似性質產品的最低相變溫度--60℃. 此新合金主要針對現有類似產品在構裝晶片TIM2不易熔解的難題所開發,2006年完成,完成優先權程序後, 2008年初決定在此論壇進行第二次發表並提供版上會員測試驗證的機會 ( 第一次是在台灣熱管理協會的年會)

希望以上的說明有助於釋疑各位的問題; 我的同事開板的說明有不盡清楚的地方,歡迎提問 , 本人不吝於在此交流3年研發期間所累積的知識,希望國內業界能對此低熔點合金有正確的認知
 
▌延伸閱讀