glut

Intel znalazł się ostatnio w ogniu krytyki środowiska entuzjastów PC, za niezrozumiale posunięcia przy projektowaniu konstrukcji swoich procesorów. Od jakiegoś czasu można było przeczytać na forach narzekania, z powodu jakości użytej pasty termoprzewodzącej (zwanej „glutem”) znajdującej się między IHS (Integrated Heat Spreader – czyli zintegrowany rozpraszacz ciepła) a chipem.
Obecnie tzw. zdejmowanie czapki (delid) wydaje się być popularne wśród posiadaczy Skylake (sam posiadam 6700K i rozważam taki krok).

Mimo, że nowa rodzina procesorów ma świetne osiągi, temperatury pod obciążeniem nie są satysfakcjonujące. Ostatnim procesorem „dla Kowalskiego” w którym używano lutu był Sandy Bridge, później nastąpiła zmiana na nieszczęsną (?) pastę.

[su_heading size=”20″]Trochę teorii[/su_heading]

Przekrój obecnie produkowanych procesorów prezentuje się w następujący sposób:

1

Przekrój budowy procesora

Wafel krzemowy jest podstawą w produkcji procesora. Dzięki jego strukturze monokryształowej – możliwe jest tworzenie doskonałych warstw, już na poziomie atomów. Po wykonaniu układu scalonego, na górze podstawy – na chipie układane są metalizowane podkładki, jako połączenie. Na koniec – kulki lutu integrują go z płytką drukowaną (PCB).
Wypełniacz (underfill) jest niezbędny ponieważ PCB, podłoże i „bulwy” (bumps) mają różną rozszerzalność termiczną.
De facto – stanowi więc zabezpieczenie przed zniszczeniem procesora z powodu występowania tego zjawiska.

Procesor generuje dużą ilość ciepła, w relacji do swojego rozmiaru. To jest jeden z powodów używania IHS-ów. Drugą przyczyną jest konstrukcja gniazda LGA. PCB (płytka drukowana) Skylake’a ma 0.78 mm grubości (Haswell – 1.17 mm) i zegnie się, jeśli użyje się nacisku tylko na „rdzeń”. Dlatego też IHS jest niezbędny, by całość była prosta, umożliwiając doskonałe połączenie pinów procesora z gniazdem LGA.
IHS przenosi ciepło z podstawy do radiatora, który zostaje na nim umieszczony. Spoiwo (adhesive) jest elastyczne i pozwoli na rozszerzalność cieplną, która nie uszkodzi procesora.

Kluczowe jest optymalne pod względem termicznym połączenie odpromiennika z chipem. Materiałem półprzewodnikowym jest zazwyczaj krzem, a IHS jest wykonany z miedzi, ponieważ zapewnia on dobrą przewodność cieplną – 400 W/(m*K), na dodatek jest względnie tani. Teoretycznie istnieje wiele sposobów na połączenie tych 2 materiałów, w praktyce ograniczają je np. maksymalna temperatora procesora i zdolność przekazywania ciepła przez łączący materiał. Na placu boju zostaje pasta termoprzewodząca i lutowanie.


Krzem i miedź to zupełnie różne materiały. Ten pierwszy wygląda jak metal, ale zachowuje się jak szkło. Posiada całkiem dobrą przewodność cieplną 150 W/(m*K), a jego rozszerzalność jest względnie niska 2.6 µm/(m*K).

Krzem

Krzem

Miedź jest za to bardziej plastyczna i posiada bardzo dobrą przewodność cieplną i elektryczną. Jednakże rozszerzalność jest 6x większa od krzemu – 16.5 µm/(m*K). Teoretycznie możliwe jest używanie cyny do lutowania drutów miedzianych, ale nie da rady się połączyć z krzemem. Na dodatek – może powodować bardzo duże napięcie termiczne materiału (przy zmniejszaniu się lutu), co prawdopodobnie uszkodzi procesor.

Ind (https://pl.wikipedia.org/wiki/Ind, zdjęcie poniżej) jest jedynym znanym materiałem, który może połączyć krzem z miedzią.

Ind

Ind

Lut wykonany tą metodą nie zmniejsza się za wiele – więc ma mały wpływ na napięcie termiczne. Jego przewodność cieplna – 81.8 W/(m*K), jest wyższa niż jakiegokolwiek innego materiału (5-10 W/(m*K) ). Kolejną cechą jest duża ciągliwość, która umożliwia rozszerzanie podłoża i IHS bez uszkadzanie komponentów.
Ind topi się w temperaturze 157 °C i podobnie jak w aluminium – tworzy się cienka warstwa tlenku, gdy jest wystawiony na działanie powietrza atmosferycznego.
Pierwiastek ten rzadko występuje na Ziemi, jego roczna produkcja nie osiąga 1000 ton (gdy np. złoto 3000). Kilogram indu kosztuje obecnie 400 USD, a ilość wystarcz]ająca do procesora – w granicach 2 do 5 dolarów amerykańskich.

[su_heading size=”20″]Lutowanie Skylake w praktyce[/su_heading]

Lutowanie procesora zaczyna się od usunięcia rozpraszacza ciepła i przygotowania podłoża.

4

IHS (po lewej) oraz procesor po „operacji” jego zdjęcia

IHS pokryty jest warstwą niklu, by uniknąć zjawiska dyfuzji z miedzią. Ind łączy się z niklem, ale nie najlepiej. Tak więc należy nałożyć
warstwę o grubości 1-3 µm ze złota, srebra lub palladu. Ten ostatni ma największą temperaturę topnienia (1555 °C), więc lepiej wybrać spośród pozostałych. W podanym przykładzie użyto złota, efekt poniżej.

5

Procesor pokryty warstwą złota

Następny etap, to nałożenie 1 mm warstwy indu (wystarczająco, by uniknąć pęknięć z powodu rozszerzalności cieplnej) – uprzednio usuwając warstwę tlenku kwasem chlorowodoworowym.
Procesor wykonany jest z krzemu, a nie można bezpośrednio do niego lutować, ponieważ Ind by w niego przeniknął. Potrzebne są zatem kolejne warstwy, wykonane z tytanu, niklu i wanadu, a dopiero na to kładzione jest złoto.

6

Warstwy pierwiastków

Jak widać – złoto jakby „otacza” wastwę indu. Lutowanie musi odbyć się w temperaturze 170 °C. Za niska – może spowodować złe połączenie, za wysoka – uszkodzenie procesora. Ostateczny efekt to:

7

Grubość poszczególnych warstw

A teraz negatywne zjawiska towarzyszące lutowaniu, np. zdeformowany rozpraszacz ciepła.

8

Wygięty IHS

Ind zmniejsza się w trakcie tego procesu lutowania. W wyniku tego IHS i chip ciągną się nawzajem. Rezultat jak powyżej.

Kolejne zjawisko – intensywne zmiany temperatur powodują uszkodzenie lutu, co następnie może prowadzić do ubytków czy pęknięć.

9

Cykle termiczne – tzn. 200 do 300 przejść od temperatury -55 °C do 125 °C (co ma znaczenie przy ekstremalnym podkręcaniu, z użyciem LN2, normalnie spotykane związki termiczne mają problem z pracą w takich warunkach), gdzie każda z nich jest utrzymywana przez przez 15 minut – powoduje pęknięcia, coraz bardziej się powiększające, aż do uszkodzenia procesora.
Zjawisko to zależy od wielkości chipu. W przypadku gdy jest mniejszy od 130 mm² (np. Skylake) proces ten nastąpi szybko. Gdy rdzeń jest większy (do nawet powyżej 270 mm² – jak Haswell-E) – może nie występować w ogóle.

10

Wpływ cykli termicznych, przy chipach o małej i średniej wielkości

[su_heading size=”20″]Wydajność[/su_heading]
Teraz część praktyczna. Testy Skylake’a z lutem wykonane były do tej pory z użyciem chłodzenia powietrznego. Wyniki poniżej:

11

Prime uruchomiony na lutowanym 6700K

Przy 4.5GHz z napięciem 1.26V temperatury z użyciem programu Prime 95 z aktywnymi instrukcjami AVX – wynosiły ok. 50 °C. Procesor był chłodzony Prolimatechem Megahalems, z wykorzystaniem jednego wentylatora, a temperatura otoczenia wynosiła 24 °C. W porównaniu do wyników sprzed „operacji” jest to spadek o 18 °C. To zbliżony efekt, jak przy użyciu Coollaboratory Liquid Pro/Ultra – pasty te jednak nie mogą pracować w temperaturach poniżej zera stopni.

12

13
Lutowany 6700K został wysłany do „Splave”, znanego w Stanach Zjednoczonych overclocker’a, ale pierwszy test z użyciem LN2 – nie przyniósł pozytywnych efektów.

[su_heading size=”20″]Podsumowanie[/su_heading]

Intel posiada jednych z lepszych inżynierów na świecie i mówienie, że „dlaczego oni tak żałują 2 dolarów na lutowanie” niekoniecznie musi być tak proste, jednoznaczne i uzasadnione.
Mikropęknięcia w lutach mogą uszkodzić procesor po określonym czasie/ilości cyklów termicznych. Pasta termoprzewodząca nie ma takich wyników jak lut, ale zapewnia większą żywotność (zwłaszcza dla procesorów z małym chipem). Intel mógłby jednak mimo wszystko używać choć trochę lepszej pasty, ponieważ zmiana nawet na Arctic Cooling MX-2 pod IHS potrafi dać 4-5 stopni Celsjusza….
Dodatkowym aspektem jest ekologia. Łatwiej uzyskać pastę termoprzewodzącą, niż złoto, czy ind – są one rzadkie i drogie, a na dodatek ich wydobycie zatruwa środowisko.
Wątpliwe by Intel wrócił do lutowania procesorów z małym „rdzeniem” – Skylake działa wystarczająco dobrze (dla większości) w takim stanie, w jakim jest.

 

Wpis oparty na badaniach przeprowadzonych przez  : [su_highlight background=”#99dbff”]http://overclocking.guide/the-truth-about-cpu-soldering/[/su_highlight]