Fundamentals of the Squeeze-Flow Between a Heat Sink and a Flip-Chip

Abstract

The paper presents the fundamentals of the squeeze-flow of the thermal interface material (TIM) that takes place during the pressing of a heat sink to the back side of a flip-chip is studied. A two-dimensional string model is developed for predicting the time-varying plate separation and squeeze-rate in terms of the squeeze force. The predictions are compared to a one-dimensional string model and to a squeeze-drop flow model. Results indicate that the flow resulting from the squeezing of a string of TIM between two rigid plates is truly two-dimensional. The effect of surface tension and of the heat transfer is found to be negligible under the assembly conditions. The flow behaviour of the TIM with suspensions of high thermal conductivity particles is also investigated. It is shown that the fluid remains Newtonian for particle volume fractions smaller than 30%. For volume fractions larger than 30%, the fluid becomes Non-Newtonian during the early stages of the squeezing process, i.e. fort:=:;; Is. In the later stages however (t > lOs), the fluid may be considered Newtonian. ETUDE FONDAMENTALE DE L'ECOULEMENT D'ECRASEMENT ENTRE UNDISSIPATEUR THERMIQUE ET UNE PUCE ELECTRONIQUE RESUME L'article presente une etude fondamentale qui a ete realisee a. propos de l'ecoulement de la pate thermique lors de l'assemblage d'un module electronique. Cette pate s'ecoule lorsque qu'elle est pressee entre les surfaces de la puce electronique et du dissipateur thermique. Un modele cartesien bidimensionnel est developpe pour predire la distance entre les surfaces et la vitesse de pressage de la pate en fonction de la pression exercee sur les surfaces. Les resultats obtenus sont compares a. un modele cartesien unidimensionnel et a. un modele radial de gouttelette. Le modele revele qu'un traitement bidimensionnel est necessaire pour caracteriser rigoureusement Ie phenomene d'ecoulement. On observe que I'effet de la tension de surface ainsi que de la temperature est negligeable lors du procede d'assemblage. Le modele prend aussi en compte la presence de particules metalliques en suspension dans la pate. Ces particules sont utilisees pour augmenter la conductivite thermique. On montre que pour une fraction volumique inferieure a. 30%, Ie fluide peut etre considere newtonien. Au-dela. de cette limite, Ie comportement du fluide devient non newtonien au debut du pressage c'est-a.-dire pour t:=:;; Is . Plus tard (t > lOs ), I'ecoulement devient similaire a. celui d'un ecoulement newtonien.Abstract: