Thermal Interface Materials (TIM) en flaskhals
Ökande effekttätheter i mikroprocessorer och hårdvara för artificiell intelligens pressar elektroniska system mot nya termiska gränser. Utmaningen handlar inte bara om total effekt, utan om extrema lokala hotspots med höga värmeflöden på små ytor. Därför är termiska gränssnittsmaterial (TIM) – tunna lager som leder värme mellan chip och kylare – en av de allra viktigaste komponenterna i hela kylkedjan.
Materiallandskapet innehåller flera TIM-familjer, alla med sina egna optimeringar och kompromisser. Designen blir en balans mellan fem mål: hög konduktivitet, liten BLT, mekanisk eftergivlighet, elektrisk isolering och tillförlitlighet över tid.
Trots att ”skolbokens” klassiska beräkningsmodell antyder att värmeöverföringen i något givet fall borde ge tillräcklig kylning, begränsas verklig prestanda ofta av fenomen som uppstår på mikro- och nanoskala: ytans ojämnhet, ofullkomlig kontakt, mikroskopiska luftfickor och materialets rörelse under termisk cykling. Den största förlusten sitter därför inte alltid i materialens ledningsförmåga i bulk, utan i det som kallas gränssnittets termiska resistans – motståndet som uppstår i själva kontaktytan mellan två material.
Ett vanligt misstag är att stirra sig blind på TIM-produkters angivna värmeledningsförmåga eller konduktivitet [W/(m·K)]. I praktiken avgörs resultatet primärt av bondline thickness (BLT) – hur tjockt lagret faktiskt blir efter montering – samt hur väl materialet kan deformeras och väta ytorna. Två TIM med liknande konduktivitet kan därför ge helt olika temperaturer i verklig drift, eftersom gränssnittets kontakt och BLT dominerar den totala resistansen.
TIM måste dessutom fungera över tid, inte bara i startögonblicket. Under drift utsätts gränssnittet för temperaturväxlingar, påverkan av mekaniska toleranser, vibrationer och varierande kontakttryck. Då uppstår typiska failure modes som pump-out (materialet pressas bort från kontaktzonen), dry-out (ändrad materialstruktur och försämrad vätning) och creep (långsam deformation som förändrar BLT, därmed kontakttryck, därmed kontaktens täthet). För att undvika problem i fält behöver TIM därför kvalas både för början av livscykeln (BOL) och slutet (EOL), helst med verklighetsnära testplattformar och cykling som efterliknar verklig användning.
Materiallandskapet innehåller flera TIM-familjer, alla med sina egna optimeringar och kompromisser: ”Fett” och pasta ger ofta bra initial kontakt men kan vara känsligt för pump-out, gap pads och fillers hanterar grova toleranser men har större BLT, phase-change-material ger god kontakt efter burn-in men kräver fjäderbelastning, och metallbaserade TIM kan ge mycket låg resistans men har andra begränsningar som kostnad, tillverkningsprocess, etc. Oavsett typ blir designen en balans mellan fem mål: hög konduktivitet, liten BLT, mekanisk eftergivlighet, elektrisk isolering och tillförlitlighet över tid.
Samtidigt utvecklas kyllösningarna i omvärlden snabbt. Direct-to-chip vätskekylning och immersion cooling blir vanligare i AI-datacenter för att hantera extrem effekttäthet. Men ju bättre kylplattor och vätskesystem blir, desto tydligare blir TIM som begränsande länk. Dessutom förändras kapsling och monteringslösningar (t.ex. lidless-koncept och nya fästelement), vilket gör gränssnittet ännu mer kritiskt och svårare att kontrollera.
Den viktigaste slutsatsen är att TIM inte låter sig betraktas som en passiv “fyllning” som läggs till i slutet av designen, nästan som en eftertanke. Det har det i och för sig aldrig gjort, men nu än mindre än innan.
För framtidens AI-hårdvara behöver TIM ses som en integrerad systemkomponent som designas in tillsammans med chiparkitektur, mekanik, infästning, kylare och produktionsprocess. I gränssnittet mellan ytorna finns stora temperaturvinster att hämta in – och där avgörs ofta både prestanda, stabilitet och livslängd.
Missa inte att anmäla dig till Cool Sweden Workshops 2026 – evenemanget för dig som arbetar med Thermal Management och kylning av elektronik.
