Deze vragen houden weinig stand. Er is eigenlijk geen variatie hier mogelijk en we hebben hier geen verschillen voor AMD of Intel, de natuurwetten zijn gelukkig voor iedereen hetzelfde.
Het soldeermateriaal bestaat uit laagjes van diverse metalen. Dit is de opbouw van die soldeerlaag na het soldeer proces:
Materiaal | Laagdikte |
Nikkel (Ni) | 20 µm |
Koper (Cu) | 2 mm |
Nikkel (Ni) | 20 µm |
InNiAu | 0,1 µm |
InAu | 2,5 µm |
Indium (In) | 1 mm |
InAu | 0,5 µm |
InNiAu | 2 µm |
Nikkel + Vanadium (NiV) | |
Titanium (Ti) | |
Silicon (Si) | |
|
De vraag is hoe je goed hitte gaat geleiden van het silicon naar de heatspreader. Een logische materiaalkeuze zou koper zijn. Het probleem is dat je koper niet direct op het silicon kan plaatsen. Silicon is een metaal, maar qua gedrag is het meer te vergelijken met glas. Silicon geleidt hitte erg goed (150 W/(m*K)) en zet relatief weinig uit als het warm is: 2.6 µm/(m*K). Koper is goed in warmte geleiden, maar daarentegen zet zes keer zoveel uit bij eenzelfde temperatuur: 16.5 µm/(m*K). Silicon en koper blijven aan elkaar plakken, maar dit verschil in het uitzetten zal vrijwel meteen tot problemen leiden.
Daar moet dus iets tussen. Normaal zou je solderen met tin, of beter gezegd een legering van tin zoals Sn60Pb40, welke je bij elke klusmarkt kan kopen. Nadeel is alleen dat tin totaal niet aan silicon blijft plakken. Ook zal tin behoorlijk krimpen als het afkoelt. Hierdoor valt tin af als materiaal.
Je moet nu een materiaal vinden wat goed past tussen silicon en koper, wat nog goed hitte weet te geleiden maar wat niet te veel krimpt of uitzet als het heet wordt. Er is maar een materiaal wat aan deze eisen kan voldoen: Indium.
Indium kan goed hitte geleiden (81.8 W/(m*K)) en zet nauwelijks uit als het warm wordt. Het nadeel? Indium is zeldzaam. Als in, heel zeldzaam. Vergeet goud of zilver, Indium is veel meer waard. Als je puur Indium zou gebruiken is dat in het productieproces ongeveer 5 USD per CPU. Vermenigvuldig dat maar eens met het aantal CPU's welke per jaar gemaakt worden.
Hoewel we dus gezien hebben hoe geweldig Indium is, je kan Indium niet direct op silicon solderen, dit zal op de lange termijn nadelige gevolgen hebben voor het silicon. Er zullen dus laagjes tussen moeten komen om de materialen van elkaar te scheiden. Deze scheidingslaag bestaat uit titanium, nikkel en vanadium. Goud is nodig om een verdere contactlaag te vormen tussen bovengenoemde metalen en het Indium. Indium zal namelijk zich niet goed hechten in dit proces aan Nikkel, daarom moet er iets tussen. Alternatief kan je nog zilver of paladium kiezen om goud te vervangen, maar qua materiaaleigenschappen is goud de beste keuze.
Tijdens het soldeerproces zullen deze materialen ook legeringen met elkaar vormen. Dit kan je zien in de tabel die ik hierboven heb geplaatst. Zo wordt uiteindelijk het contact gelegd tussen alle materialen zodat de die zijn hitte kwijt kan richting de heatspreader.
Per onderdeel heb je de volgende verdeling voor het soldeerproces:
Materiaal | Onderdeel |
Nikkel (Ni) | heatspreader |
Koper (Cu) | heatspreader |
Nikkel (Ni) | heatspreader |
Goud (Au) | heatspreader |
Indium (In) | |
Goud (Au) | die |
Nikkel + Vanadium (NiV) | die |
Titanium (Ti) | die |
Silicon (Si) | die |
|
De ideale temperatuur voor het soldeerproces is 170 graden Celsius. Afwijkingen daarin zal negatieve gevolgen hebben voor de werking van de soldeerlaag en/of de CPU die.
Het slijten van het soldeer materiaal heeft weinig te maken met oververhitting, maar het warm worden (temperatuurverschil) in het algemeen. Als jouw computer uit staat is de CPU kamertemperatuur. Als je deze aanzet zal deze boven kamertemperatuur zijn afhankelijk van hoe goed je koeling is. Dit is al een hitteverschil. Maar nu ga jij een benchmark draaien en je CPU krijgt het flink voor zijn kiezen. Laten we zeggen dat je CPU idle 30 graden warm is en met de zware benchmark 80 graden wordt. Dat is 50 graden verschil. Na het einde van de benchmark zal je CPU weer afkoelen richting de idle temperatuur. Dit proces van opwarmen en afkoelen is dus wat het soldeermateriaal uiteindelijk stuk zal maken.
In dit hele voorbeeld zal de CPU dus binnen zijn thermische grenzen blijven en zal throtteling geen schil maken. Er zullen na verloop van tijd barstjes ontstaan in de soldeerlaag. Dit verminderd de geleiding en verergert elke keer het proces van opwarmen en afkoelen. Uiteindelijk zal het soldeermateriaal steeds verder barsten.