Ce n’est un secret pour personne que l’indium et les matériaux d’interface thermique (TIM) à base de soudure indium-argent présentent un fort potentiel pour optimiser les performances thermiques dans les applications de calcul haute performance (HPC) et d’intelligence artificielle (IA). L'indium pur, en particulier, présente à lui seul une conductivité thermique volumique élevée (k = 86 W/mK). Les alliages indium-argent couramment utilisés pour les TIM à base de soudure ont une conductivité thermique légèrement inférieure, qui dépend de la concentration en argent dans l'alliage.
Une grande partie de la difficulté liée à la mise en œuvre de ces matériaux réside dans la définition du procédé de soudure. Mais avant même d’envisager un profil thermique et son impact sur la formation de vides ou la fiabilité, il est important d’utiliser les surfaces soudables appropriées afin de garantir un joint TIM soudé solide et résistant sur le plan mécanique.
Cet article traitera de la structure actuelle de métallisation pour les matériaux à base d'indium et d'indium-argent. Fort de plus de deux décennies de travaux de développement, ce domaine a connu de multiples itérations concernant les couches à appliquer tant sur la surface de la puce en silicium que sur celle du dissipateur thermique ou du dissipateur thermique intégré. Nous examinerons les solutions actuellement utilisées et la manière dont les applications passées de l'indium pur ont contribué à notre compréhension actuelle des raisons pour lesquelles le soudage à base d'indium est si efficace.
Pourquoi choisir un produit de remplissage thermique (TIM) à base d'indium ou d'indium-argent ?
Avant d’aborder la structure de métallisation, voyons pourquoi on utilise de l’indium ou des matériaux à base d’indium et d’argent pour les TIM1 et TIM1.5 dans les écosystèmes de l’IA, des centres de données et du calcul haute performance (HPC). Dans ces applications, on observe généralement un gauchissement important au niveau de la surface de la puce de silicium sur laquelle le TIM est appliqué. À mesure que la puce se réchauffe et se refroidit pendant son fonctionnement, une flexion dynamique constante est provoquée par l'incompatibilité des coefficients de dilatation thermique (CTE) entre les matériaux composant la puce.
L'indium pur, outre sa conductivité thermique volumique élevée, est également un métal très souple et malléable. Il présente une limite d'élasticité très faible et est plus sujet au fluage et à la déformation que les autres alliages de soudure à l'état solide. C'est le comportement mécanique de l'indium qui le distingue de la plupart des alliages de soudure à base d'étain et des TIM graphitiques, car sa souplesse est essentielle à la fiabilité thermomécanique d'un dispositif BGA, LGA, FC ou ASIC fini.
Quelle est la structure de métallisation actuellement recommandée pour les matériaux d'interface thermique (TIM) destinés à la soudure ?
Le choix d'une métallisation adaptée constitue toujours un enjeu majeur dans le domaine de l'assemblage en surface (SMT). La configuration mentionnée ici correspond à notre recommandation pour l'utilisation des TIM1 et TIM1.5 ; elle part du principe que le TIM de soudure sera appliqué entre la surface d'une puce en silicium et un dissipateur thermique en cuivre, un couvercle ou un dissipateur thermique intégré.
Figure 1 : Structure typique de métallisation pour un TIM de soudure dans une application TIM1 ou TIM1.5.
Du côté de la puce en silicium, on observe généralement une métallisation de la face arrière (BSM) réalisée par pulvérisation cathodique, à base de titane, de nickel-vanadium (NiV) ou d'or.
- La couche de titane sert de couche d'adhérence entre les couches de silicium et de NiV.
- La couche NiV est la couche soudable responsable de la formation du composé intermétallique indium-nickel (IMC). Si vous n'êtes pas sûr de l'épaisseur que doit avoir cette couche, opter pour une couche de nickel plus épaisse est une option sûre.
- Enfin, la fine couche d’or fait office de couche de passivation, empêchant l’oxydation de la couche de NiV soudable et garantissant une longue durée de conservation avant le processus de soudage. Il est recommandé de maintenir cette couche aussi fine que possible tout en conservant ses propriétés de passivation. À l’instar de la fragilisation or-étain observée dans l’assemblage de circuits imprimés (PCBA) et la technologie de montage en surface (SMT), les composés intermétalliques indium-or sont extrêmement fragiles. Un excès de ces composés intermétalliques peut provoquer de petites microfissures à l’interface et entraîner des défaillances mécaniques prématurées.
En ce qui concerne la surface du dissipateur thermique, du couvercle ou du dissipateur thermique intégré, on utilise généralement une forme de nickelage chimique (nickel-phosphore (NiP), avec une teneur en phosphore comprise entre 5 et 7 %) ou de nickelage électrolytique. Une couche d’or par immersion, déposée de manière sélective, est ensuite appliquée sur une surface dont les dimensions sont soit identiques à celles de la puce en silicium, soit légèrement supérieures. Ceci est important car la couche d’or fait office de « masque de soudure métallurgique ».
Sans exercer de force excessive sur le TIM à base de soudure à l'indium pendant la refusion, la soudure fondue mouille la surface plaquée d'or de manière sélective. Étant donné qu'une interface est déjà formée avec l'intermétalliqueIn₂Au, la soudure est amenée à continuer de mouiller cette surface jusqu'à épuisement de la fine couche d'or. La figure 2 illustre ce phénomène.
Figure 2 : À gauche : échantillons d'essai constitués de couvercles en cuivre plaqués ENIG, avec au centre une fine couche d'or appliquée par immersion de manière sélective. À droite : soudure à l'indium après refusion, retirée de la puce. La soudure a adhéré à la surface plaquée or et ne s'est pas étendue jusqu'à la surface plaquée nickel.
Tout comme pour la face de la puce en silicium, il est recommandé d’utiliser une couche de nickel plus épaisse afin de former l’IMC dominant à l’interface, ainsi qu’une couche d’or très fine pour éviter toute défaillance mécanique prématurée. La figure 3 illustre une interface de joint de soudure à l’indium pur utilisant une structure recommandée. L’interface dominante à la surface du nickel doit être un IMC indium-nickel ou indium-nickel-or. La couche d’or doit être entièrement consommée après le processus de refusion, laissant apparaître des IMC indium-or qui se sont diffusés dans la masse de la soudure à l’indium.
Figure 3 : À gauche : empilement des couches de métallisation d'un échantillon d'essai factice de TIM pour soudure. À droite : gros plan en coupe transversale de la réaction interfaciale entre le TIM à base d'indium et la métallisation ENIG après soudure.
Autres possibilités de métallisation pour les TIM à base d'indium et d'alliage indium-argent
La structure de métallisation nickel-or s'appuie sur de nombreuses recherches — plus de deux décennies, pour être précis. Non seulement elle fonctionne, mais il a été démontré à maintes reprises qu'elle offrait une fiabilité solide face aux cycles thermiques et aux chocs. Cela dit, d'autres options possibles pour les surfaces à souder pourraient améliorer les caractéristiques de mouillage des alliages de soudure à base d'indium lors du refusion.
L'indium présente naturellement une tension superficielle élevée à l'état fondu. De ce fait, l'indium fondu a souvent tendance à adhérer à lui-même plutôt que de commencer immédiatement à former un composé intermétallique avec la fine couche d'or soudable. Une fois que l’indium s’est « aggloméré » (et que le flux a agi ou que la réduction des oxydes a eu lieu), il commence à former un composé intermétallique avec la couche d’or. Ce phénomène initial d’« agglomération » sur les substrats en or peut parfois entraîner des défauts de mouillage inattendus lors de la mise au point initiale d’un processus de refusion.
Les alliages TIM de soudure indium-argent peuvent y contribuer, mais cela implique une perte de ductilité et de conductivité thermique volumique. Cela dit, l’indium présente des propriétés métallurgiques uniques en raison de sa capacité à se diffuser avec d’autres matériaux. Par exemple, certaines études montrent la formation aisée d’un composite métallique intermétallique (IMC) indium-argent, non seulement dans le domaine des TIM de soudure, mais aussi lors de la galvanoplastie de l’indium sur une épaisse couche d’argent. L'utilisation de fines couches d'argent par immersion ou par pulvérisation cathodique à la place de l'or pourrait peut-être faciliter le mouillage de l'indium sur de grandes surfaces de puces tout en conservant les composites indium-nickel comme interface dominante. L'indium se mouille également assez facilement sur lui-même ; la possibilité d'utiliser une métallisation à l'indium pour ces applications pourrait donc également être explorée.
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Sources :
Deppisch et al. ; « Optimisation des propriétés et caractérisation de la fiabilité d’un matériau d’interface thermique à base de soudure à l’indium pour le conditionnement des processeurs » ; JOM; juin 2006.
