인듐 및 인듐-은 솔더 열전도 재료(TIM)가 고성능 컴퓨팅(HPC) 및 AI 애플리케이션에서 열 성능을 극대화하는 데 큰 잠재력을 지닌다는 것은 잘 알려진 사실입니다. 특히 순수 인듐은 그 자체로 높은 체적 열전도도(k = 86W/mK)를 자랑합니다. 솔더 TIM에 일반적으로 사용되는 인듐-은 합금은 열전도도가 약간 낮으며, 이는 합금 내 은의 농도에 따라 달라집니다.
이러한 소재를 적용하는 데 있어 가장 큰 어려움 중 하나는 납땜 공정을 정의하는 것입니다. 하지만 열 프로파일과 그것이 보이드 발생이나 신뢰성에 미치는 영향을 고려하기 전에, 견고하고 기계적으로 단단히 고정된 납땜용 열전도 재료(TIM) 접합부를 확보하기 위해 올바른 납땜 가능 표면을 사용하는 것이 중요합니다.
이 블로그에서는 인듐 및 인듐-은 기반 소재에 대한 현재의 금속화 적층 구조에 대해 다룰 것입니다. 20년 이상의 개발 과정을 거치면서, 실리콘 다이 표면과 방열판 또는 통합 열 확산기 표면에 어떤 소재를 적용해야 할지에 대해 여러 차례의 개선이 이루어져 왔습니다. 우리는 현재 어떤 방식이 사용되고 있는지 살펴보고, 과거 순수 인듐의 적용 사례가 인듐 기반 납땜이 왜 그렇게 효과적인지에 대한 현재의 이해에 어떻게 기여했는지 알아볼 것입니다.
왜 인듐 또는 인듐-은 솔더 TIM을 사용해야 할까요?
메탈라이제이션 스택업에 대해 다루기 전에, AI, 데이터 센터 및 HPC 생태계에서 TIM1과 TIM1.5 에 인듐 또는 인듐-은 기반 소재가 사용되는 이유에 대해 살펴보겠습니다. 이러한 응용 분야에서는 일반적으로 TIM이 도포되는 실리콘 다이 표면에서 상당한 뒤틀림 현상이 발생합니다. 작동 중 다이가 가열되고 냉각됨에 따라, 칩을 구성하는 재료 간의 열팽창 계수(CTE) 불일치로 인해 지속적인 동적 굽힘이 발생합니다.
순수 인듐은 높은 체적 열전도도를 지닐 뿐만 아니라, 유연성이 매우 뛰어난 연성 금속이기도 합니다. 항복 응력이 매우 낮아, 고체 상태에서 다른 솔더 합금에 비해 크리핑 및 변형이 더 쉽게 발생합니다. 인듐의 기계적 특성은 대부분의 주석 기반 솔더 합금 및 흑연계 TIM(열전도성 재료)과 차별화되는 요소이며, 이러한 유연성은 완성된 BGA, LGA, FC 또는 ASIC 소자의 열기계적 신뢰성에 매우 중요합니다.
현재 솔더 TIM에 권장되는 금속화 적층 구조는 무엇입니까?
올바른 금속화 방식을 선택하는 것은 SMT 분야에서 항상 중요한 과제입니다. 여기서 언급된 적층 구조는 TIM1 및 TIM1.5 사용에 대한 당사의 권장 사항이며, 실리콘 다이 표면과 구리 방열판, 리드, 또는 일체형 열 확산기 사이에 솔더 TIM이 적용될 것을 전제로 합니다.
그림 1: TIM1 또는 TIM1.5 응용 분야에서 솔더 TIM에 사용되는 일반적인 금속화 적층 구조.
실리콘 다이 측면에서는 일반적으로 스퍼터링 처리된 티타늄, 니켈-바나듐(NiV) 또는 금으로 된 후면 금속화(BSM)가 적용되어 있는 것을 볼 수 있습니다.
- 티타늄 층은 실리콘 층과 NiV 층 사이의 접착층 역할을 합니다.
- NiV 층은 인듐-니켈 금속간 화합물(IMC) 형성을 담당하는 납땜 가능 층입니다. 이 층의 두께를 어떻게 설정해야 할지 확실하지 않다면, 니켈 층을 더 두껍게 하는 것이 안전한 방법입니다.
- 마지막으로, 얇은 금 층은 패시베이션 층의 역할을 하여 납땜 가능한 NiV 층의 산화를 방지하고, 납땜 공정 전까지 긴 보관 수명을 보장합니다. 이 층은 패시베이션 특성을 유지하면서 가능한 한 얇게 형성하는 것이 좋습니다. 인쇄회로기판 조립(PCBA) 및 표면 실장 기술(SMT)에서 나타나는 금-주석 취성 현상과 마찬가지로, 인듐-금 IMC는 극도로 취성이 높습니다. 이러한 IMC가 과도하게 형성되면 계면 부위에 미세 균열이 발생하여 조기 기계적 고장을 초래할 수 있습니다.
방열판, 덮개 또는 일체형 열 확산판 표면의 경우, 무전해 니켈 도금(니켈-인(NiP), 인 함량 5~7%)이나 전해 니켈 도금을 사용하는 것이 일반적입니다. 그 후, 실리콘 다이와 비슷한 크기이거나 약간 더 큰 크기로 선택적 침지 금 도금층을 입힙니다. 금 도금층은 “야금학적 솔더 마스크” 역할을 하기 때문에 이는 매우 중요합니다.
리플로우 과정에서 인듐 솔더 TIM에 과도한 힘을 가하지 않으면, 용융된 솔더가 선택적으로 도금된 금 표면에 젖어들게 됩니다. 이미In₂Au금속간 화합물과 계면이 형성되어 있기 때문에, 얇은 금 층이 소진될 때까지 솔더가 이 표면을 계속 적시는 현상이 촉진됩니다. 그림 2는 이러한 현상을 보여줍니다.
그림 2: 왼쪽: 중앙에 선택적으로 침지 금 플래시 도금이 적용된 ENIG 도금 구리 리드 테스트 기판. 오른쪽: 리플로우 후 칩에서 제거된 인듐 솔더. 솔더 재료는 금 도금 표면에 잘 밀착되었으나, 니켈 도금 표면까지는 확장되지 않았다.
실리콘 다이 측면과 마찬가지로, 계면에서 주된 IMC를 형성하기 위해 두꺼운 니켈 층을, 조기 기계적 고장을 방지하기 위해 매우 얇은 금 층을 형성하는 것이 권장됩니다. 그림 3은 권장되는 적층 구조를 사용한 순수 인듐 솔더 접합 계면을 보여줍니다. 니켈 표면의 주된 계면은 인듐-니켈 또는 인듐-니켈-금 IMC여야 합니다. 리플로우 공정 후 금층은 완전히 소모되어야 하며, 인듐 솔더의 내부로 확산된 인듐-금 IMC가 나타나야 합니다.
그림 3: 왼쪽: 솔더 TIM 더미 테스트 기판의 금속화 적층 구조. 오른쪽: 납땜 후 인듐 솔더 TIM과 ENIG 금속화층 간의 계면 반응 단면 확대 사진.
인듐 및 인듐-은 솔더용 열전도성 재료(TIM)에 대한 기타 잠재적 금속화 방식
니켈-금 금속화 적층 방식은 20년 이상에 걸친 풍부한 연구 결과를 바탕으로 하고 있습니다. 이 방식은 단순히 작동할 뿐만 아니라, 열 사이클 및 충격에 대한 뛰어난 신뢰성을 여러 차례 입증받았습니다. 그렇긴 하지만, 납땜 가능한 표면을 위한 다른 잠재적 대안들은 리플로우 과정에서 인듐 기반 솔더 합금의 습윤 특성을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.
인듐은 용융 상태에서 자연적으로 표면 장력이 높습니다. 이 때문에 용융된 인듐은 얇은 납땜용 금 층과 즉시 금속간 화합물을 형성하기보다는 오히려 스스로 서로 달라붙는 경향이 있습니다. 인듐이 “공 모양으로 뭉친” 후(플럭스 작용이나 산화물 환원이 발생한 후), 비로소 금 층과 금속간 화합물을 형성하기 시작합니다. 금 기판에서 발생하는 이러한 초기 “공 모양 뭉침” 현상은 리플로우 공정을 처음 정의할 때 때때로 예상치 못한 습윤 실패를 초래할 수 있습니다.
인듐-은 솔더 TIM 합금이 이 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있지만, 그 대가로 연성과 체적 열전도율이 다소 저하됩니다. 그렇긴 하지만, 인듐은 다른 물질과 쉽게 확산되는 특성 때문에 야금학적 관점에서 독특한 소재입니다. 예를 들어, 일부 연구에 따르면 솔더 TIM 분야뿐만 아니라 두꺼운 은 층 위에 인듐을 전기 도금할 때도 인듐-은 IMC가 쉽게 형성되는 것으로 나타났습니다. 금 대신 얇은 침지 은 또는 스퍼터링 은 층을 사용하면, 인듐-니켈 IMC를 주된 계면으로 유지하면서도 넓은 다이 영역에서 인듐의 습윤을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 인듐은 자체적으로도 비교적 쉽게 습윤되므로, 이러한 응용 분야에 인듐 메탈라이제이션을 사용하는 가능성도 함께 탐구해 볼 수 있습니다.
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출처:
Deppisch 외, “CPU 패키징용 인듐 솔더 열전도성 소재의 재료 최적화 및 신뢰성 특성 분석”; JOM; 2006년 6월.
