眾所周知，銦及銦-銀焊料熱界面材料（TIM）在提升高效能運算（HPC）與人工智慧（AI）應用中的熱效能方面，展現出極大的潛力。 具體而言，純銦本身便具備極高的體熱導率（k = 86W/mK）。常用於焊料型熱介面材料（TIM）的銦-銀合金，其熱導率則略低，且取決於合金中的銀濃度。
在應用這些材料時，最大的挑戰之一在於界定焊接製程。但在我們開始考量熱曲線及其對氣孔或可靠性的影響之前，務必選用正確的可焊接表面，以確保形成堅固且機械固定良好的焊料熱介質（TIM）接合處。
本部落格將探討銦及銦-銀基材料當前的金屬化層疊結構。經過二十多年的研發工作，針對矽晶片表面以及散熱器或整合式熱擴散片表面應採用何種材料，已歷經多次迭代。我們將探討目前實際應用的方案，並闡述過去純銦的應用如何有助於我們理解銦基焊接為何如此有效。
為何要選用銦或銦-銀焊料熱界面材料（TIM）？
在探討金屬化層疊結構之前，讓我們先討論為何在人工智慧、資料中心及高效能運算（HPC）生態系統中，會選用銦或銦-銀基材料作為TIM1 和 TIM1.5。在這些應用中，塗佈熱介質（TIM）的矽晶片表面通常會產生顯著的翹曲。當晶片在運作過程中經歷加熱與冷卻時，由於構成晶片的各種材料之間熱膨脹係數（CTE）不匹配，會導致持續的動態彎曲變形。
純銦除了具有高體熱導率外，還是一種極具順應性且質地柔軟的金屬。其屈服應力極低，與其他焊料合金相比，在固態下更容易發生蠕變和變形。 銦的力學行為正是其與大多數錫基焊料合金及石墨狀熱介質（TIM）的區別所在，因為其柔韌性對於成品 BGA、LGA、FC 或 ASIC 裝置的熱力學可靠性至關重要。
目前針對焊料熱傳導材料（TIM）建議的金屬化層疊結構為何？
在表面貼裝技術（SMT）領域中，選擇正確的金屬化層結構始終是個重要課題。本文所提及的層疊結構，是我們針對 TIM1 和 TIM1.5 應用所提出的建議方案，並假設焊料熱介質（TIM）將應用於矽晶片表面與銅製散熱片、封蓋或整合式散熱片之間。
圖 1：適用於 TIM1 或 TIM1.5 應用的焊錫熱介質（TIM）典型金屬化層疊結構。
在矽晶片側，通常會看到某種形式的濺鍍鈦、鎳-釩（NiV）或金製成的背面金屬層（BSM）。
- 鈦層在矽層與 NiV 層之間發揮黏著層的作用。
- NiV 層是負責形成銦-鎳金屬間化合物（IMC）的可焊接層。若不確定此層應有多厚，將鎳層做得較厚會是較穩妥的選擇。
- 最後，這層薄金層發揮鈍化層的作用，既能防止可焊接的 NiV 層氧化，又能延長焊接工序前的儲存壽命。 建議在維持其鈍化特性的前提下，將此層厚度控制得盡可能薄。類似於印刷電路板組裝（PCBA）及表面貼裝技術（SMT）中常見的金-錫脆化現象，銦-金混合金屬化合物（IMCs）極為脆性。若此類混合金屬化合物過多，可能會在界面處產生微細裂紋，進而導致過早的機械失效。
至於散熱片、蓋板或整合式散熱片表面，通常會採用某種形式的無電鍍鎳（鎳-磷（NiP），中磷含量為 5-7%）或電解鍍鎳。 隨後會施加一層選擇性電鍍的浸金層，其尺寸可與矽晶片相同，或略大於矽晶片。這一點至關重要，因為金層起著「冶金性阻焊層」的作用。
在回流過程中，只要不對銦焊料熱介質（TIM）施加過大的力，熔融焊料便會潤濕選擇性鍍金表面。由於已與In₂Au金屬間化合物形成界面，因此焊料會持續潤濕該表面，直至薄金層耗盡為止。圖 2 說明了此現象。
圖 2：左圖：採用 ENIG 鍍層的銅蓋測試樣品，中央處經選擇性浸金鍍層處理。右圖：回流後從晶片上移除的銦焊料。焊料能與鍍金表面充分潤濕，但未延伸至鍍鎳表面。
與矽晶片側類似，建議採用較厚的鎳層，以在介面處形成主要的互熔化合物（IMC），並採用極薄的金層，以防止過早發生機械性失效。 圖 3 展示了一個採用建議堆疊結構的純銦焊點界面。鎳表面上的主要界面應為銦-鎳或銦-鎳-金混合金屬化合物（IMC）。在回流製程後，金層應完全耗盡，並呈現出已擴散至銦焊料體內的銦-金混合金屬化合物。
圖 3：左圖：焊料熱介質（TIM）模擬測試載體的金屬化層疊結構。右圖：焊接後，銦焊料熱介質與 ENIG 金屬化層之間界面反應的截面特寫。
銦及銦-銀焊料熱介質（TIM）的其他潛在金屬化方案
鎳-金金屬化層疊結構擁有大量研究支持——確切地說，已有超過二十年的研究積累。它不僅行之有效，更已多次被證實能提供穩定的熱循環與抗衝擊可靠性。話雖如此，其他可焊接表面的潛在選項，或許有助於改善銦基焊料合金在回流過程中的潤濕特性。
銦在熔融狀態下，其表面張力天然較高。正因如此，熔融的銦往往傾向於相互黏附，而非立即與薄層的可焊接金層形成金屬間化合物。 待銦「聚成球狀」（並經過助焊劑作用或氧化物還原後），才會開始與金層形成金屬間化合物。這種在金基板上最初出現的「聚成球狀」現象，有時會在首次制定回流製程時，導致意料之外的潤濕失效。
銦-銀焊料熱介質（TIM）合金雖能解決此問題，但作為取捨，其延展性與體熱導率會有所下降。話雖如此，從冶金學角度來看，銦因其易於與其他材料擴散的特性而獨樹一幟。例如，部分研究指出銦-銀間相（IMC）能輕易形成，不僅限於焊料熱介質領域，亦見於在厚銀層上電鍍銦的過程。 或許以薄層浸銀或濺鍍銀層取代金層，既能改善銦在大面積晶片上的潤濕性，同時仍能維持銦-鎳間金屬化合物（IMC）作為主要介面。此外，銦本身也相當容易潤濕自身，因此亦可探討在這些應用中採用銦金屬化層的可能性。
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來源：
Deppisch 等人；〈用於 CPU 封裝之銦焊料熱介面材料的材料優化與可靠性特性分析〉；《JOM》；2006 年 6 月。
