インジウムおよびインジウム・銀はんだ系熱界面材料（TIM）が、ハイパフォーマンス・コンピューティング（HPC）やAIアプリケーションにおいて熱性能を最大化する上で大きな可能性を秘めていることは周知の事実です。 特に純インジウムは、それ自体で高い体積熱伝導率（k = 86W/mK）を誇ります。はんだTIMに一般的に使用されるインジウム・銀合金は、合金中の銀の含有量に依存して、熱伝導率がわずかに低くなります。
これらの材料を実用化する上での課題の多くは、はんだ付けプロセスの定義にあります。しかし、温度プロファイルやそれがボイドの発生や信頼性に与える影響について検討する前に、強固で機械的に固定されたはんだTIM接合を確保するためには、適切にはんだ付け可能な表面を使用することが重要です。
このブログでは、インジウムおよびインジウム・銀系材料を用いた現在のメタライゼーション・スタックアップについて解説します。20年以上にわたる開発の過程で、シリコンダイ表面およびヒートシンクや一体型ヒートスプレッダー表面にどのような層を配置すべきかについて、幾度もの改良が重ねられてきました。本記事では、現在どのような構成が採用されているかを紹介するとともに、純粋なインジウムが過去にどのように応用されてきたかを通じて、インジウム系はんだ付けがなぜこれほど効果的であるのかという現在の理解に、それらがどのように寄与してきたのかを考察します。
なぜインジウム、あるいはインジウム・銀はんだTIMなのか？
メタライゼーションの積層構造について取り上げる前に、AI、データセンター、HPCのエコシステムにおいて、TIM1およびTIM1.5にインジウムまたはインジウム・銀系材料が使用される理由について説明しましょう。 これらのアプリケーションでは、通常、TIMが塗布されるシリコンダイの表面に著しい反りが生じます。動作中にダイが加熱・冷却される際、チップを構成する材料間の熱膨張係数（CTE）の不一致により、絶え間ない動的なたわみが引き起こされます。
純インジウムは、高い体積熱伝導率に加え、非常に順応性が高く柔らかい金属でもあります。降伏応力が極めて低く、固相において他のはんだ合金に比べてクリープや変形を起こしやすくなっています。 インジウムの機械的挙動は、ほとんどのスズ系はんだ合金やグラファイト系TIMとは一線を画すものであり、その柔軟性は、完成したBGA、LGA、FC、またはASICデバイスの熱機械的信頼性にとって極めて重要である。
はんだ用熱伝導材料（TIM）において、現在推奨されているメタライゼーションの積層構成はどのようなものですか？
SMT分野において、適切なメタライゼーションの選定は常に重要な課題です。ここで紹介する積層構造は、TIM1およびTIM1.5の使用に関する当社の推奨仕様であり、シリコンダイの表面と銅製のヒートシンク、リッド、または一体型ヒートスプレッダーの間に、はんだ用TIMが実装されることを前提としています。
図1：TIM1またはTIM1.5用途におけるはんだ用TIMの代表的なメタライゼーション積層構造。
シリコンダイ側では、スパッタリング処理されたチタン、ニッケル・バナジウム（NiV）、あるいは金による裏面メタライゼーション（BSM）が一般的に見られます。
- チタン層は、シリコン層とNiV層の間の密着層として機能する。
- NiV層は、インジウム・ニッケル金属間化合物（IMC）の形成を担うはんだ付け可能な層です。この層の厚さをどうすべきか迷った場合は、ニッケル層を厚めに設定するのが無難な選択肢です。
- 最後に、この薄い金層はパッシベーション層として機能し、はんだ付け可能なNiV層の酸化を防ぎ、はんだ付け工程までの長期保存を可能にします。 この層は、その不動態化特性を維持しつつ、できるだけ薄く保つことが推奨されます。プリント基板アセンブリ（PCBA）や表面実装技術（SMT）で見られる金-スズ脆化と同様に、インジウム-金界面化合物（IMC）は極めて脆いです。これらのIMCが過剰になると、界面に微細な亀裂が生じ、早期の機械的故障につながる可能性があります。
ヒートシンク、リッド、または一体型ヒートスプレッダーの表面については、何らかの形態の無電解ニッケルめっき（ニッケル・リン（NiP）、リン含有率5～7％）または電解ニッケルめっきを使用するのが一般的です。 その後、シリコンダイと同等の寸法、あるいはそれよりわずかに大きい範囲に、選択めっきによる浸漬金メッキ層が形成されます。これは、金メッキ層が「冶金学的はんだマスク」として機能するため、重要な工程です。
リフロー時にインジウムはんだTIMに過度な力を加えることなく、溶融したはんだは選択めっきされた金表面に濡れ広がります。In₂Au金属間化合物との界面がすでに形成されているため、はんだは、薄い金層が使い果たされるまで、この表面への濡れ広がりを続けやすくなります。図2はこの現象を示しています。
図2：左：中央に選択的に浸漬金メッキを施したENIGメッキ銅製リッドの試験基板。右：リフロー後のインジウムはんだをチップから取り外した状態。はんだ材料は金メッキ面に濡れ、ニッケルメッキ面には広がらなかった。
シリコンダイ側と同様に、界面で主要なIMCを形成するためにニッケル層を厚くし、早期の機械的破損を防ぐために金層を極薄にすることを推奨します。 図3は、推奨される積層構成を用いた純インジウムはんだ接合部の界面を示しています。ニッケル表面における主たる界面は、インジウム-ニッケルまたはインジウム-ニッケル-金IMCであるべきです。リフロー工程後には金層が完全に消費され、インジウムはんだの内部に拡散したインジウム-金IMCが形成されるはずです。
図3：左：はんだTIMダミー試験体のメタライゼーション積層構造。右：はんだ付け後のインジウムはんだTIMとENIGメタライゼーションとの界面反応の断面拡大図。
インジウムおよびインジウム・銀はんだ用熱伝導材料（TIM）におけるその他の潜在的なメタライゼーション
ニッケル・金メッキの積層構造は、20年以上にわたる豊富な研究実績に裏付けられています。この構造は機能するだけでなく、熱サイクルや衝撃に対する優れた信頼性を備えていることが、これまで何度も実証されています。とはいえ、はんだ付け可能な表面に関する他の選択肢も検討することで、リフロー時におけるインジウム系はんだ合金の濡れ性を改善できる可能性があります。
インジウムは、溶融状態において本来、表面張力が高いという性質を持っています。このため、溶融したインジウムは、はんだ付け可能な薄い金層と直ちに金属間化合物を形成するよりも、むしろそれ自体に付着してしまうことがよくあります。 インジウムが「玉状」になった後（フラックス作用や酸化物の還元が起きた後）、金層との金属間化合物の形成が始まります。金基板上で生じるこの初期の「玉状化」現象は、リフロープロセスを最初に定義する際に、予期せぬ濡れ不良を引き起こすことがあります。
インジウム・銀はんだTIM合金はこれを改善するのに役立ちますが、その代償として、ある程度の延性と体積熱伝導率が低下します。とはいえ、インジウムは他の材料と容易に拡散する性質を持つため、冶金学的観点からは独特な金属です。例えば、いくつかの研究では、はんだTIM分野だけでなく、厚い銀層上のインジウムの電気めっきにおいても、インジウム・銀のIMCが容易に形成されることが示されています。 おそらく、金層の代わりに薄い浸漬銀層やスパッタ成膜された銀層を使用することで、インジウム-ニッケルIMCを主要な界面として維持しつつ、広範囲のダイ領域におけるインジウムの濡れ性を向上させることができるでしょう。また、インジウムはそれ自体に対しても比較的容易に濡れ性を示すため、これらの用途におけるインジウムメタライゼーションの利用可能性についても検討する価値があるでしょう。
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このセッションでは、以下の内容について学びます：
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- はんだ用熱伝導材料（TIM）のプロセス統合と設計上の考慮事項。
- 信頼性の高いTIM1はんだ接合を実現するための成功の秘訣。
- 検査、特性評価、および信頼性評価の手法。
このウェビナーは、LGA、BGA、またはその他のチップレベルアセンブリに高性能な熱伝導材料を組み込もうとしている設計、プロセス、あるいは新製品導入（NPI）担当のエンジニアに最適です。
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出典：
Deppisch ら；「CPUパッケージング用インジウムはんだ熱界面材料の材料最適化と信頼性評価」；JOM；2006年6月。
