Não é segredo que o índio e os materiais de interface térmica (TIMs) à base de solda de índio-prata apresentam um grande potencial para maximizar o desempenho térmico em aplicações de computação de alto desempenho (HPC) e de IA. O índio puro, especificamente, apresenta, por si só, uma elevada condutividade térmica volumétrica (k = 86 W/mK). As ligas de índio-prata normalmente utilizadas para TIMs de solda têm uma condutividade térmica ligeiramente inferior, que depende da concentração de prata na liga.
Grande parte do desafio na implementação destes materiais reside na definição do processo de soldadura. No entanto, antes mesmo de pensarmos num perfil térmico e no seu impacto na formação de bolhas ou na fiabilidade, é importante utilizar as superfícies soldáveis corretas para garantir uma junta TIM soldada, resistente e fixada mecanicamente.
Este blogue irá abordar a configuração atual da metalização para materiais à base de índio e de índio-prata. Com mais de duas décadas de trabalho de desenvolvimento, houve várias iterações sobre o que deveria ser aplicado tanto na superfície do chip de silício como na superfície do dissipador de calor ou do dissipador de calor integrado. Iremos explorar o que é utilizado atualmente e como as aplicações anteriores de índio puro contribuíram para a nossa compreensão atual do que torna a soldadura à base de índio tão eficaz.
Por que escolher o indio ou o TIM de solda de indio-prata?
Antes de abordarmos a estrutura de metalização, vamos discutir por que razão se utilizam materiais à base de índio ou de índio-prata para o TIM1 e o TIM1.5 no ecossistema da IA, dos centros de dados e da HPC. Nestas aplicações, verifica-se normalmente uma deformação significativa associada à superfície do chip de silício onde o TIM é aplicado. À medida que o chip aquece e arrefece durante o funcionamento, a flexão dinâmica constante é causada pela incompatibilidade do coeficiente de expansão térmica (CTE) entre os materiais que compõem o chip.
O índio puro, para além da sua elevada condutividade térmica volumétrica, é também um metal muito maleável e macio. Apresenta um limite de escoamento muito baixo e está mais sujeito à fluência e à deformação quando comparado com outras ligas de solda no estado sólido. O comportamento mecânico do índio é o que o distingue da maioria das ligas de solda à base de estanho e dos TIMs grafíticos, uma vez que a sua maleabilidade é fundamental para a fiabilidade termomecânica de um dispositivo BGA, LGA, FC ou ASIC acabado.
Qual é a configuração de metalização atualmente recomendada para o TIM de soldadura?
A escolha da metalização correta é sempre uma questão importante no âmbito da montagem SMT. A configuração aqui referida é a nossa recomendação pessoal para a utilização do TIM1 e do TIM1.5 e pressupõe que o TIM de soldadura será aplicado entre a superfície de um chip de silício e um dissipador de calor em cobre, uma tampa ou um dissipador de calor integrado.
Figura 1: Estrutura típica de metalização para TIM de solda numa aplicação TIM1 ou TIM1.5.
No que diz respeito ao chip de silício, é comum observar algum tipo de metalização na face posterior (BSM) por pulverização catódica de titânio, níquel-vanádio (NiV) ou ouro.
- A camada de titânio funciona como camada de adesão entre as camadas de silício e de NiV.
- A camada de NiV é a camada soldável responsável pela formação do composto intermetálico de índio-níquel (IMC). Se não tiver a certeza da espessura que esta camada deve ter, optar por uma camada de níquel mais espessa é uma opção segura.
- Por fim, a fina camada de ouro atua como camada de passivação, impedindo a oxidação da camada de NiV soldável e garantindo um longo prazo de validade antes do processo de soldadura. Recomenda-se manter esta camada o mais fina possível, preservando simultaneamente as suas características de passivação. À semelhança da fragilização do ouro-estanho observada na montagem de placas de circuito impresso (PCBA) e na tecnologia de montagem em superfície (SMT), os IMCs de índio-ouro são extremamente frágeis. Um excesso destes IMCs pode causar pequenas microfissuras na interface e conduzir a falhas mecânicas prematuras.
No que diz respeito à superfície do dissipador de calor, da tampa ou do dissipador de calor integrado, é habitual utilizar algum tipo de revestimento de níquel químico (níquel-fósforo (NiP), com 5-7% de fósforo médio) ou revestimento de níquel eletrolítico. Em seguida, é aplicada uma camada de ouro por imersão, com dimensões semelhantes às do chip de silício ou ligeiramente maiores. Isto é importante porque a camada de ouro funciona como uma «máscara de solda metalúrgica».
Sem aplicar força excessiva ao TIM de solda de índio durante o refluxo, a solda fundida humedece a superfície de ouro seletivamente revestida. Uma vez que já se formou uma interface com o intermetálicoIn₂Au, a solda é levada a continuar a humedecer esta superfície até que a fina camada de ouro se esgote. A Figura 2 ilustra este fenómeno.
Figura 2: À esquerda: amostras de teste com tampa de cobre revestida com ENIG e uma camada seletiva de ouro por imersão no centro. À direita: solda de índio após o refluxo, removida do chip. O material de solda aderiu à superfície revestida a ouro e não se estendeu até à superfície revestida a níquel.
À semelhança do lado do chip de silício, recomenda-se uma camada de níquel mais espessa para formar o IMC dominante na interface e uma camada de ouro muito fina para evitar falhas mecânicas prematuras. A Figura 3 ilustra uma interface de junta de solda de índio puro utilizando uma configuração de camadas recomendada. A interface dominante na superfície de níquel deve ser um IMC de índio-níquel ou índio-níquel-ouro. A camada de ouro deve ser totalmente consumida após o processo de refluxo, revelando IMCs de índio-ouro que se difundiram no interior da solda de índio.
Figura 3: À esquerda: estrutura de metalização de um protótipo de teste de TIM de solda. À direita: grande plano da secção transversal da reação interfacial entre o TIM de solda de índio e a metalização ENIG após a soldadura.
Outras opções de metalização para TIMs de solda de índio e índio-prata
A estrutura de metalização de níquel-ouro conta com um vasto apoio da investigação — mais de duas décadas, para ser exato. Não só funciona, como já foi comprovado em várias ocasiões que proporciona uma sólida fiabilidade em ciclos térmicos e contra choques. Dito isto, outras opções potenciais para superfícies soldáveis poderiam ajudar nas características de humedecimento das ligas de solda à base de índio durante o refluxo.
O índio apresenta naturalmente uma elevada tensão superficial no seu estado fundido. Por este motivo, o índio fundido tende frequentemente a aderir a si próprio, em vez de começar imediatamente a formar um composto intermetálico com a fina camada de ouro soldável. Depois de o índio se ter «aglutinado» (e de ter ocorrido a ação do fluxo ou a redução dos óxidos), começará a formar um composto intermetálico com a camada de ouro. Este fenómeno inicial de «aglutinação» em substratos de ouro pode, por vezes, causar falhas inesperadas de humedecimento quando se define pela primeira vez um processo de refluxo.
As ligas de solda TIM de índio-prata podem ajudar neste aspeto, mas, em contrapartida, perde-se alguma ductilidade e condutividade térmica volumétrica. Dito isto, o índio é único do ponto de vista metalúrgico devido à sua facilidade de difusão com outros materiais. Por exemplo, alguns estudos demonstram a formação fácil de IMC de índio-prata, não só no âmbito das ligas de solda TIM, mas também na galvanoplastia de índio sobre uma camada espessa de prata. Talvez a utilização de finas camadas de prata por imersão ou por pulverização catódica, em vez de ouro, possa ajudar na umectação do índio em grandes áreas de chips, mantendo ao mesmo tempo as IMCs de índio-níquel como a interface dominante. O índio também se umecta a si próprio com bastante facilidade, pelo que a possibilidade de utilizar metalização de índio para estas aplicações também poderia ser explorada.
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Fontes:
Deppisch, et al.; «Otimização do material e caracterização da fiabilidade de um material de interface térmica com solda de índio para o encapsulamento de CPUs»; JOM; junho de 2006.
