CPU : soudure Indium vs pâte thermique interne

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Nous nous retrouvons pour un nouveau Quicky, cette fois-ci axé sur l’intérieur de nos CPU. Ici, nous regarderons ce qui se cache sous cette boîte en métal. Nous parlerons notamment de soudure et de pâte thermique interne. Ce Quicky sera un peu plus touffu que la plupart. C’est parti !

Difficulté : Avancé

Un processeur que vous achetez ressemble à ça :

Il y a deux parties apparentes sur le CPU :  un circuit imprimé vert (PCB) et une coque métallique posée sur le circuit. Cette coque porte le doux nom d’IHS pour Integrated HeatSpreader pour dissipateur intégré. La puce du CPU est cachée dessous. L’IHS a deux rôles :

  • Protéger physiquement la puce du CPU
  • Augmenter la surface de contact entre le CPU et le radiateur

IHS et pâte externe :

Lorsque vous fixez votre refroidissement CPU, celui-ci sera en contact avec l’IHS. Votre CPU et le contact de votre refroidissement ont une apparence lisse, mais sachez que d’un point de vue microscopique, il n’en est rien. Le contact est mauvais, avec de l’air emprisonné. Cela se traduit par une mauvaise transmission calorifique et donc un CPU qui ne peut pas évacuer correctement sa chaleur.

Heureusement, il existe la pâte thermique que l’on applique sur notre CPU. Elle est là pour faire le joint entre l’IHS et le refroidissement. Elle conduit bien mieux que l’air, ce qui permet d’avoir une transmission de chaleur efficace telle qu’on la connait. C’est un « TIM » pour Thermal Interface Material. On l’appellera ici TIM externe.

pate-thermique

Die et IHS :

Comme on vous le disait un peu plus tôt, l’IHS est posée sur le die. Mais là aussi, on retrouve la même problématique : au niveau microscopique, le contact entre la puce et la coque métallique est mauvais. Et c’est là qu’intervient logiquement un TIM interne qui fera le joint entre ces deux entités. Voici un petit schéma de overclocking.guide qui résume bien tout cela :

Schéma TIM interne CPU
Schéma TIM interne CPU

Le fabricant de processeurs aura le choix entre plusieurs TIM, chacun avec des propriétés physiques différentes. Tout ceci se calcule, mais on ne va pas se concentrer sur la formule de l’efficacité d’un TIM. Sachez cependant qu’elle dépend de trois facteurs : sa conductivité, sa résistance de contact (sa manière de « remplir les trous ») et son épaisseur. Un quatrième facteur intervient, mais n’est pas dépendant du TIM : la pression appliquée sur l’ensemble.

Il s’avère que certains TIM sont clairement plus efficaces, et cela se voit dans leurs spécifications, mais surtout dans les résultats de température que l’on obtient dans la vraie vie.

Différents TIM :

RyZen 7 1700 DelidSur certains processeurs, le TIM interne employé n’est pas sous forme de pâte thermique, mais d’un joint en indium. Il faut voir cela comme un joint thermique qui a été posé très chaud à l’état visqueux sur le die. L’IHS a été posé dessus, le tout s’est refroidi et forme un joint solide et métallique. En réalité entre l’indium et le die, on utilise une couche intermédiaire en or.

Pourquoi l’indium ? Ce métal cher a de très bonnes caractéristiques thermiques. En effet s’il est un peu moins efficace que le cuivre dans ce domaine, il est plus mou et se dilate moins. Et surtout, il fond à très basse température (157°C) ce qui permet de réaliser la soudure sans endommager la puce. Imaginez un peu l’état de la puce si vous vouliez faire une soudure de cuivre à plus de 1000°C dessus. Enfin, avec une petite barrière de diffusion en or, l’indium ne fait pas d’alliage avec le Silicium : aucun risque de voir le TIM fusionner avec la puce donc.

Cette solution est clairement plus efficace sur le plan thermique que le joint avec pâte interne. Il est notamment utilisé dans le Cas des Ryzen CPU (c’est à dire pas les APU) ainsi que les Intel LGA 2011. Tous les autres utilisent un TIM sous forme de pâte thermique interne.

Une pâte thermique est un mélange de conducteurs thermiques dans un élastomère qui permet de maintenir une cohésion. On peut voir ce dernier comme de la marmelade. Sa composition est tout un art, entre la structure liant les molécules de conducteurs thermiques entre eux, la composition de l’élastomère ou encore le dosage.

Les défauts de l’indium :

Si le joint en indium est plus efficace, pourquoi utiliser une pâte thermique interne ? Il y a plusieurs raisons : une financière et plusieurs techniques. La raison financière est très simple : la pâte thermique coûte bien moins cher que de l’indium. Cela permet donc de diminuer les coûts de production. Logique.

Viennent maintenant les deux raisons techniques. La première que l’indium est très peu élastique. Et cela pose un problème majeur sur le long terme. Pour comprendre pourquoi, il faut revenir aux bases. Un CPU utilisé chauffe, puis refroidit lorsqu’il n’est plus utilisé. C’est ce qu’on appelle un cycle de chauffe. Lors des périodes de chauffe, le die et l’IHS se dilatent, c’est une réaction physique normale. À l’inverse, dans une période de refroidissement, ces éléments se contractent.

force de moment sur le TIM

La dilatation courbe alors le substrat, ce qui exerce une force de type « moment » sur l’ensemble, qui tord l’ensemble de manières convexe. Et le TIM se fait tirailler par ce moment. Cette force de tiraillement affaiblit sa structure, et crée à terme des micro-fissures : c’est la délamination. Cela entraîne une perte d’efficacité du TIM. Et plus un TIM est élastique, plus il résistera aux cycles de chauffe-refroidissement. Et justement, les joints en indium sont peu élastiques.

Le  deuxième point est que le joint en indium n’est pas bien adapté aux petits dies (<150 mm²). Ceux-ci ont une délamination plus faible et une chauffe plus concentrée. Il faut savoir que sur un CPU, une écrasante majorité de la chauffe provient du back-end des cores, donc d’une toute petite partie du die. Cette chauffe est très concentrée, et c’est d’autant plus le cas pour les petits die. C’est une des raisons pour lesquelles Intel avait abandonné l’indium pour passer à une pâte interne lors du passage de Sandy Bridge (216 mm²) à Ivy Bridge (160 mm²).

Les défauts de la pâte thermique :

pâte thermique
pâte thermique

Et la pâte thermique, quels sont ses défauts ? Le premier est une performance intrinsèque « Day 1 » moins bonne qu’un joint en indium. Mais pas que. C’est un composé très élastique qui subira peu de délamination, mais qui aura tendance à s’assécher avec le temps. Quand on dit qu’une pâte s’assèche, c’est en réalité un phénomène physique dans lequel le composé thermique se sépare de l’élastomère. Cela se passe notamment à température élevée.

Le deuxième problème est l’effet d’aspiration (pump-out). À cause de la pression exercée et des changements de températures multiples, la pâte est étirée, et peut carrément sortir de la zone de contact. Et pendant ce temps, sur la zone de contact, des « trous » (zones sans pâte) peuvent se former.

Ces phénomènes dépendent grandement de la composition de la pâte et souvent tout est une histoire de compromis.

Le delid : la solution ?

Mais alors le deliding, pourquoi est-ce si efficace ? Déjà, le principe du delid en quelques mots c’est enlever l’IHS d’un CPU (utilisant souvent un die interne sous forme de pâte thermique) pour mettre sa propre pâte. On utilise souvent de la pâte d’excellente qualité, comme du Liquid Metal. Voici un article qui parle de delid. On gagne énormément en faisant cela, parfois jusqu’à 20°C en overclocking. Pourquoi gagne-t-on autant ?

Il y a 3 raisons : la première est qu’Intel a dû faire des compromis dans la composition de sa pâte. Grossièrement, ils devaient jongler entre efficacité et pérennité. Et ils ont choisi une pâte interne pas forcément très efficace, mais assez pérenne dans le temps. La deuxième raison est que le remplacement d’une pâte par une pâte neuve sera forcément plus efficace (un TIM est le plus efficace le premier jour et perd chaque jour de l’efficacité).

Le troisième point est qu’Intel utilise une plus grande épaisseur que nécessaire. L’IHS est collé sur les bords du circuit par de la glue, ce qui a tendance à réhausser un peu l’IHS, et donc crée un espace que le TIM doit remplir. Dans le cas d’un delid, l’IHS ne tient plus, une moins grande épaisseur de TIM est alors nécessaire.

CPU avant et après delid
CPU avant et après delid

Faire un delid sur un CPU avec un joint en indium est une opération plus délicate (risque de casser le CPU), et le gain est proche de zéro (à moins de partir sur un vieux CPU dont le joint a beaucoup subi).

Moralité :

Pour résumer ce Quicky en quelques phrases, les CPU utilisent un TIM interne. Il en existe des plus efficaces, d’autres plus résistant aux contraintes… tout est une histoire de compromis. Mais une chose émerge : si le joint en indium n’est pas sans défaut et coûte un peu d’argent à produire, c’est clairement une solution plus efficace que la pâte thermique d’Intel, comme peuvent en témoigner les températures relevées sur nos CPU :

Pour vous, pâte ou indium ou custom (delid), vous penchez sur lequel ?

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moi sais 4790k delid avec la z97 xpower ac

BASILE
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delid mais bon je suis pas pressé sur mon 6700k car on peux pas dire que je le fait chauffé et puis comme j’ai la garantie…
je crois que je vais attendre 3 ans de + pour ensuite boosté ma machine si je change de gpu.

Chris92150
Chris92150