Không phải là điều bí mật khi các vật liệu giao diện nhiệt (TIM) làm từ indi và hợp kim indi-bạc cho thấy tiềm năng lớn trong việc tối ưu hóa hiệu suất tản nhiệt trong các ứng dụng tính toán hiệu suất cao (HPC) và trí tuệ nhân tạo (AI). Cụ thể, indium nguyên chất tự thân đã sở hữu độ dẫn nhiệt thể tích cao (k = 86W/mK). Các hợp kim indium-bạc thường được sử dụng làm vật liệu TIM hàn có độ dẫn nhiệt thấp hơn một chút, tùy thuộc vào nồng độ bạc trong hợp kim.
Một phần lớn thách thức trong việc áp dụng các vật liệu này nằm ở việc xác định quy trình hàn. Tuy nhiên, trước khi có thể xem xét đến đường cong nhiệt và tác động của nó đối với hiện tượng rỗng khí hay độ tin cậy, điều quan trọng là phải sử dụng các bề mặt hàn phù hợp để đảm bảo mối nối TIM hàn có độ bền cao và được cố định chắc chắn về mặt cơ học.
Bài viết này sẽ đề cập đến cấu trúc lớp mạ kim loại hiện nay dành cho các vật liệu dựa trên indi và hỗn hợp indi-bạc. Với hơn hai thập kỷ nghiên cứu và phát triển, đã có nhiều lần điều chỉnh về cách bố trí các lớp trên bề mặt chip silicon cũng như trên bề mặt bộ tản nhiệt hoặc bộ phân tán nhiệt tích hợp. Chúng ta sẽ tìm hiểu về các giải pháp đang được áp dụng hiện nay và cách thức mà các ứng dụng trước đây của indi nguyên chất đã góp phần vào sự hiểu biết hiện tại của chúng ta về những yếu tố làm nên hiệu quả cao của công nghệ hàn dựa trên indi.
Tại sao lại chọn chất hàn TIM chứa indi hoặc hỗn hợp indi-bạc?
Trước khi đi vào chi tiết về cấu trúc lớp kim loại, chúng ta hãy thảo luận về lý do tại sao các vật liệu dựa trên indi hoặc hỗn hợp indi-bạc lại được sử dụng cho TIM1 và TIM1.5 trong hệ sinh thái AI, trung tâm dữ liệu và HPC. Trong các ứng dụng này, thường xảy ra hiện tượng cong vênh đáng kể tại bề mặt chip silicon nơi TIM được áp dụng. Khi chip nóng lên và nguội đi trong quá trình hoạt động, sự uốn cong động liên tục này là do sự không khớp về hệ số giãn nở nhiệt (CTE) giữa các vật liệu cấu thành chip.
Indi nguyên chất, bên cạnh độ dẫn nhiệt thể tích cao, còn là một kim loại rất dẻo và mềm. Nó có ứng suất chảy rất thấp và dễ bị trượt chậm và biến dạng hơn so với các hợp kim hàn khác ở trạng thái rắn. Hành vi cơ học của indium là yếu tố phân biệt nó với hầu hết các hợp kim hàn dựa trên thiếc và các chất dẫn nhiệt dạng than chì (TIM), vì độ dẻo dai của nó đóng vai trò quan trọng đối với độ tin cậy nhiệt cơ học của các thiết bị BGA, LGA, FC hoặc ASIC đã hoàn thiện.
Hiện nay, cấu trúc lớp kim loại được khuyến nghị cho vật liệu dẫn nhiệt hàn (TIM) là gì?
Việc lựa chọn lớp kim loại hóa phù hợp luôn là một vấn đề quan trọng trong lĩnh vực SMT. Cấu trúc lớp được đề cập ở đây là khuyến nghị của chúng tôi dành cho việc sử dụng TIM1 và TIM1.5, và giả định rằng chất dẫn nhiệt hàn (TIM) sẽ được áp dụng giữa bề mặt chip silicon và bộ tản nhiệt bằng đồng, nắp hoặc bộ tản nhiệt tích hợp.
Hình 1: Cấu trúc lớp mạ điển hình cho vật liệu dẫn nhiệt hàn (TIM) trong ứng dụng TIM1 hoặc TIM1.5.
Về phía chip silicon, người ta thường thấy lớp kim loại hóa mặt sau (BSM) được tạo thành bằng phương pháp phún xạ từ titan, niken-vanadi (NiV) hoặc vàng.
- Lớp titan đóng vai trò là lớp liên kết giữa lớp silic và lớp NiV.
- Lớp NiV là lớp có thể hàn, chịu trách nhiệm hình thành hợp chất liên kim loại indi-niken (IMC). Nếu bạn không chắc chắn về độ dày cần thiết của lớp này, việc tăng độ dày của lớp niken là một lựa chọn an toàn.
- Cuối cùng, lớp vàng mỏng đóng vai trò như một lớp thụ động hóa, ngăn chặn quá trình oxy hóa của lớp NiV có thể hàn và giúp kéo dài thời gian bảo quản trước khi tiến hành quá trình hàn. Nên giữ cho lớp này mỏng nhất có thể trong khi vẫn duy trì các đặc tính thụ động hóa của nó. Tương tự như hiện tượng giòn do hợp kim vàng-thiếc thường gặp trong lắp ráp bảng mạch in (PCBA) và công nghệ gắn bề mặt (SMT), các hợp kim intermetallic (IMC) indi-vàng cực kỳ giòn. Lượng IMC này quá nhiều có thể gây ra các vết nứt vi mô nhỏ tại giao diện và dẫn đến hỏng hóc cơ học sớm.
Đối với bề mặt tản nhiệt, nắp hoặc bộ tản nhiệt tích hợp, thông thường người ta sử dụng một dạng mạ niken không điện (niken-phốt pho (NiP), hàm lượng phốt pho trung bình 5-7%) hoặc mạ niken điện phân. Sau đó, một lớp mạ vàng ngâm chọn lọc được phủ lên với kích thước tương đương với chip silicon hoặc lớn hơn một chút. Điều này rất quan trọng vì lớp vàng này đóng vai trò như một “lớp che hàn kim loại”.
Nếu không tác động lực quá mạnh lên chất dẫn nhiệt hàn indium (TIM) trong quá trình nung lại, chất hàn nóng chảy sẽ bám ướt lên bề mặt vàng được mạ chọn lọc. Do giao diện đã được hình thành với hợp chất kim loạiIn₂Au, chất hàn sẽ tiếp tục bám ướt bề mặt này cho đến khi lớp vàng mỏng bị tiêu hao hết. Hình 2 minh họa hiện tượng này.
Hình 2: Bên trái: Các mẫu thử nắp đồng mạ ENIG có lớp mạ vàng nhúng chọn lọc ở giữa. Bên phải: Chất hàn indi sau khi nung lại, đã được tách khỏi chip. Chất hàn bám dính vào bề mặt mạ vàng và không lan ra đến bề mặt mạ niken.
Tương tự như mặt chip silicon, nên sử dụng lớp niken dày hơn để tạo ra hợp kim kim loại-kim loại (IMC) chủ đạo tại bề mặt tiếp xúc và một lớp vàng rất mỏng để ngăn ngừa các hư hỏng cơ học sớm. Hình 3 mô tả giao diện mối hàn indi nguyên chất sử dụng cấu trúc lớp được khuyến nghị. Giao diện chủ đạo trên bề mặt niken nên là hợp kim IMC indi-niken hoặc indi-niken-vàng. Lớp vàng nên được tiêu thụ hoàn toàn sau quá trình nung chảy lại, tạo ra các hợp kim IMC indi-vàng đã khuếch tán vào phần chính của chất hàn indi.
Hình 3: Bên trái: Cấu trúc lớp mạ kim loại của mẫu thử giả TIM hàn. Bên phải: Ảnh cận cảnh mặt cắt ngang cho thấy phản ứng tại giao diện giữa TIM hàn indi và lớp mạ ENIG sau khi hàn.
Các phương pháp mạ kim loại tiềm năng khác cho các vật liệu dẫn nhiệt (TIM) hàn bằng indi và hỗn hợp indi-bạc
Cấu trúc mạ niken-vàng đã được nhiều nghiên cứu ủng hộ — chính xác là trong hơn hai thập kỷ qua. Công nghệ này không chỉ hoạt động hiệu quả mà còn nhiều lần được chứng minh là mang lại độ tin cậy cao về khả năng chịu chu kỳ nhiệt và va đập. Tuy nhiên, các lựa chọn tiềm năng khác cho bề mặt hàn có thể giúp cải thiện đặc tính thấm ướt của hợp kim hàn gốc indi trong quá trình nung lại.
Indi tự nhiên có sức căng bề mặt cao ở trạng thái nóng chảy. Do đó, indi nóng chảy thường có xu hướng bám dính vào chính nó hơn là ngay lập tức bắt đầu hình thành hợp kim kim loại với lớp vàng mỏng có thể hàn. Sau khi indium đã “tụ lại thành cục” (và quá trình khử oxit hoặc làm tan chảy đã diễn ra), nó sẽ bắt đầu hình thành hợp chất kim loại hỗn hợp với lớp vàng. Hiện tượng “tụ lại thành cục” ban đầu này trên các chất nền vàng đôi khi có thể gây ra các sự cố thấm ướt không mong muốn khi lần đầu tiên xác định quy trình hàn nóng chảy.
Các hợp kim hàn TIM indi-bạc có thể giúp giải quyết vấn đề này, nhưng đổi lại, bạn sẽ mất đi một phần độ dẻo và độ dẫn nhiệt thể tích. Tuy nhiên, từ góc độ luyện kim, indi có đặc tính độc đáo nhờ khả năng khuếch tán tốt với các vật liệu khác. Ví dụ, một số nghiên cứu cho thấy sự hình thành IMC indi-bạc diễn ra dễ dàng, không chỉ trong lĩnh vực hàn TIM mà còn trong quá trình mạ điện indi lên một lớp bạc dày. Có lẽ việc sử dụng các lớp bạc ngâm mỏng hoặc lớp bạc phún xạ thay vì vàng có thể giúp indium bám ướt trên các khu vực khuôn lớn trong khi vẫn duy trì các IMC indium-niken làm giao diện chủ đạo. Indium cũng bám ướt vào chính nó khá dễ dàng, do đó, khả năng sử dụng kim loại hóa indium cho các ứng dụng này cũng có thể được khám phá.
Tìm hiểu sâu hơn về các chất dẫn nhiệt hàn (TIM)
Nắm vững những khía cạnh phức tạp của quá trình mạ kim loại chỉ là một phần trong việc tích hợp thành công các vật liệu dẫn nhiệt hàn (TIM) vào các thiết kế vỏ đóng gói hiệu suất cao của quý vị. Để tìm hiểu sâu hơn về chủ đề này và học cách rút ngắn thời gian làm quen từ giai đoạn thiết kế đến sản xuất, hãy đăng ký tham gia hội thảo trực tuyến sắp tới của chúng tôi.
Hãy tham gia cùng Kyle Aserian, Kỹ sư Phát triển Ứng dụng tại Indium Corporation, trong buổi hội thảo “Mỗi độ đều quan trọng: Chất dẫn nhiệt hàn (TIM) cho thiết kế vỏ đóng nắp (TIM1)” vào ngày 29 tháng 10 năm 2025, lúc 2 giờ chiều theo giờ EST.
Trong buổi học này, bạn sẽ tìm hiểu về:
- Tổng quan về quy trình lắp ráp TIM1 (phương pháp “die-to-lid”/bộ tản nhiệt tích hợp).
- Tích hợp quy trình và các yếu tố cần xem xét trong thiết kế đối với vật liệu dẫn nhiệt (TIM) dùng trong hàn.
- Những yếu tố then chốt để tạo ra mối hàn TIM1 đáng tin cậy.
- Phương pháp kiểm tra, xác định đặc tính và đánh giá độ tin cậy.
Hội thảo trực tuyến này rất phù hợp cho các kỹ sư thiết kế, quy trình hoặc kỹ sư phát triển sản phẩm mới (NPI) đang tìm cách tích hợp các vật liệu giao diện nhiệt hiệu suất cao vào các cụm lắp ráp cấp chip như LGA, BGA hoặc các loại khác.
Đăng ký ngay để khám phá tiềm năng thực sự của trí tuệ nhân tạo (AI), trò chơi điện tử và điện toán hiệu suất cao. Đăng ký ngay!
Nguồn:
Deppisch và các cộng sự; “Tối ưu hóa vật liệu và đánh giá độ tin cậy của vật liệu giao diện nhiệt hàn indi dùng trong đóng gói CPU”; JOM; tháng 6 năm 2006.
