Meningkatkan Konduktivitas Termal Solder untuk Mengatasi Masalah Panas Elektronik

Dalam desain dan manufaktur perangkat elektronik modern, manajemen termal telah menjadi faktor kritis. Seiring dengan terus meningkatnya kepadatan integrasi dan kepadatan daya komponen elektronik, jumlah panas yang dihasilkan di dalam perangkat meningkat secara dramatis. Jika panas ini tidak dapat didisipasikan secara efektif, hal itu menyebabkan peningkatan suhu komponen, yang pada akhirnya memengaruhi kinerja, keandalan, dan masa pakai perangkat.

Dalam sistem pendingin elektronik, solder memainkan peran penting—tidak hanya berfungsi sebagai jembatan mekanik dan listrik antara komponen tetapi juga berfungsi sebagai media transfer panas yang krusial. Konduktivitas termal solder secara langsung memengaruhi efisiensi transfer panas, sehingga pemahaman menyeluruh tentang sifat termal solder sangat penting untuk memilih bahan yang tepat, mengoptimalkan desain termal, dan menciptakan produk elektronik berkinerja tinggi.

Solder adalah bahan yang sangat diperlukan dalam manufaktur elektronik, terutama digunakan untuk sambungan mekanik dan listrik antara komponen. Fungsinya meliputi:

• Pengikatan Mekanik: Solder menciptakan sambungan struktural yang stabil yang mempertahankan keandalan di berbagai kondisi pengoperasian.
• Konektivitas Listrik: Dengan konduktivitas yang sangat baik, solder memastikan transmisi sinyal tanpa gangguan antara komponen.
• Transfer Termal: Sebagai media konduksi panas, solder menyalurkan panas dari komponen ke heat sink atau struktur pendingin lainnya.

Seiring dengan kemajuan teknologi elektronik, peningkatan kepadatan daya menuntut persyaratan kinerja solder yang lebih ketat. Di luar sifat mekanik dan listrik tradisional, konduktivitas termal telah menjadi metrik evaluasi kritis. Dalam aplikasi berdaya tinggi seperti pencahayaan LED, penguat daya, dan CPU komputer, kinerja termal solder secara langsung menentukan suhu pengoperasian dan umur panjang perangkat.

Paduan timah-timbal (SnPb) telah lama mendominasi elektronik karena sifat pembasahan yang sangat baik, titik leleh yang rendah, dan kemampuan solder yang unggul. Namun, bahaya lingkungan dan kesehatan timbal mendorong perubahan peraturan, terutama arahan RoHS 2006 Uni Eropa yang membatasi zat berbahaya dalam elektronik.

Transisi ini memacu pengembangan alternatif bebas timbal seperti paduan timah-perak-tembaga (SAC), timah-tembaga (SnCu), dan timah-seng (SnZn). Meskipun ini cocok dengan SnPb dalam kinerja mekanik dan listrik, konduktivitas termalnya seringkali kurang. Selain itu, mendapatkan data konduktivitas termal yang andal untuk paduan ini tetap menjadi tantangan.

Bahan solder biasanya dikategorikan berdasarkan tingkat aplikasi:

• Interkoneksi Level 1: Digunakan untuk sambungan chip-ke-paket, menampilkan titik leleh yang lebih tinggi untuk menahan proses perakitan selanjutnya. Ini menuntut keandalan ekstrem karena membentuk sambungan paling kritis dari perangkat.
• Interkoneksi Level 2: Mengikat komponen yang dikemas ke papan sirkuit, dengan titik leleh yang lebih rendah untuk memfasilitasi perakitan tanpa mengganggu sambungan chip. Ini menyeimbangkan biaya, keandalan, dan kemampuan solder.

Didefinisikan sebagai transfer panas per gradien suhu unit di area unit (W/m·K), konduktivitas termal menentukan kemampuan disipasi panas solder. Nilai yang lebih tinggi memungkinkan transfer panas yang lebih cepat dari komponen ke struktur pendingin.

Tabel 1 membandingkan konduktivitas termal dari paduan solder umum, diurutkan berdasarkan titik leleh. Perhatikan bahwa entri titik leleh tunggal mewakili komposisi eutektik, sedangkan toleransi komposisi adalah ±0,2% untuk komponen ≤5% dan ±0,5% untuk komponen >5%.

Solder titik leleh tinggi dari Tabel 1 biasanya digunakan dalam pengemasan chip hermetik untuk dirgantara, militer, dan aplikasi keandalan tinggi lainnya. Ini membutuhkan bahan substrat dengan koefisien ekspansi termal yang cocok dengan bahan semikonduktor untuk mencegah kegagalan akibat tegangan selama pendinginan.

Solder eutektik emas-timah menawarkan kemampuan basah yang sangat baik, kekuatan mekanik, dan ketahanan korosi, meskipun biayanya yang tinggi membatasi penggunaan untuk aplikasi premium.

Varian timah-perak-tembaga (SAC) seperti Sn96.5Ag3.0Cu0.5 dan Sn95.5Ag4.0Cu0.5 telah muncul sebagai pengganti SnPb utama, yang sesuai dengan kinerja mekanik dan listrik sambil sedikit tertinggal dalam konduktivitas termal (~60 W/m·K pada 25°C).

Khususnya, memperkirakan konduktivitas termal paduan menggunakan aturan pencampuran sederhana berdasarkan nilai elemen murni dapat menghasilkan kesalahan yang signifikan. Misalnya, AuSn (80/20) menunjukkan konduktivitas 57 W/m·K—di bawah emas (315 W/m·K) dan timah (66 W/m·K)—yang menunjukkan bagaimana mikrostruktur dan batas butir memengaruhi kinerja termal di luar komposisi saja.

Kekosongan solder mengurangi area konduksi yang efektif dan menciptakan titik konsentrasi tegangan. Meminimalkan porositas melalui proses penyolderan yang dioptimalkan (kontrol suhu, kebersihan bahan, dll.) sangat penting untuk memaksimalkan kinerja termal dan mekanik.

Data konduktivitas termal solder yang akurat meningkatkan presisi dalam analisis elemen hingga (FEA) dan model termal metode beda hingga (FDM), yang memungkinkan desain sistem pendingin yang lebih baik.

Solder generasi berikutnya akan mengejar konduktivitas termal, kekuatan, dan keandalan yang lebih tinggi sambil memenuhi standar lingkungan yang lebih ketat. Penelitian berfokus pada solder nanokomposit (dengan aditif nanopartikel) dan proses canggih seperti penyolderan laser dan ultrasonik untuk mengurangi porositas.

Pemilihan solder yang optimal membutuhkan penyeimbangan:

• Titik leleh khusus aplikasi
• Persyaratan kinerja termal/mekanik
• Batasan biaya
• Kepatuhan lingkungan

• LED daya tinggi: Paduan AuSn atau SAC yang ditingkatkan nanopartikel
• CPU komputer: Paduan AuSn atau logam cair
• Perangkat seluler: Paduan SAC atau SnCu titik leleh rendah

Konduktivitas termal solder secara fundamental memengaruhi efisiensi pendinginan perangkat elektronik. Pemilihan material yang tepat—mempertimbangkan faktor termal, mekanik, ekonomi, dan ekologis—memungkinkan manajemen termal yang optimal. Inovasi berkelanjutan dalam bahan dan proses solder akan mengatasi tuntutan kinerja yang meningkat dalam elektronik generasi berikutnya.