众所周知，铟和铟-银焊料导热界面材料（TIMs） 在最大限度提升高性能计算 （HPC）和人工智能应用 的热性能方面具有巨大潜力。特别是纯铟，其本身就具有很高的体积热导率热导率 （k = 86W/mK）。通常用于焊料型导热界面材料 的铟-银合金的热导率热导率 略低，这取决于合金 中银的浓度。
在应用这些材料时，最大的挑战之一在于确定焊接工艺。但在考虑温度曲线及其对空洞率 或可靠性 的影响之前，必须选用正确的可焊表面，以确保形成牢固且具有机械锁紧作用的导热材料（TIM）焊接接头。
本文将介绍铟及铟-银基材料当前的金属化层叠结构。经过二十多年的研发工作，针对硅芯片 表面以及散热器或集成散热片表面应采用何种材料，已经历了多次迭代。我们将探讨当前采用的方案，以及过去应用 中纯铟的应用如何促进了我们对铟基焊接为何如此有效的理解。
为什么选择铟或铟-银焊料热界面材料（TIM）？
在探讨金属化层叠结构之前，让我们先讨论一下为什么在人工智能、数据中心和高性能计算（HPC）生态系统中，TIM1和TIM1.5会采用铟或铟-银基材料。 在这些应用 中，涂覆热界面材料（TIM）的硅芯片 表面通常会出现显著的翘曲。随着芯片 在运行过程中经历加热和冷却，由构成芯片的各种材料之间的热膨胀系数（CTE）不匹配所导致的持续动态弯曲便随之产生。
纯铟不仅具有较高的体积热导率热导率 ，还是一种柔韧性极佳的软金属。其屈服应力极低，与固态下的其他焊料合金相比，更容易发生蠕变和变形。铟的力学性能使其与大多数锡基焊料合金和石墨基热界面材料（TIM）有所不同，因为其柔韧性对于成品BGA、LGA、FC或ASIC器件的热机械性能可靠性 至关重要。
目前针对焊料热界面材料（TIM）推荐的金属化层叠结构是什么？
在表面贴装技术 领域，选择正确的金属化方案始终是一个重要问题。此处提到的层叠结构是我们针对TIM1和TIM1.5应用的个人建议，并假设焊料TIM将应用于硅芯片 表面与铜制散热片、盖板或集成散热片之间。
图1：TIM1或TIM1.5中用于焊料热界面材料（TIM）的典型金属化层叠结构应用 。
在硅基芯片 方面，通常会在背面看到某种形式的溅射钛、镍-钒（NiV）或金（Au） 背面接合层（BSM）。
- 钛层作为硅层与NiV层之间的粘结层。
- NiV层是可焊接层，负责形成铟-镍金属间化合物化合物 （IMC）。如果您不确定该层的厚度应为多少，将镍层做得更厚一些是一个稳妥的选择。
- 最后，薄的金（Au） 层起到钝化层的作用，可防止可焊NiV层氧化，并延长焊接工艺前的保质期 。 建议在保持其钝化特性的前提下，将该层厚度控制在尽可能薄的程度。与印刷电路板电路板 组装（PCBA ）和表面贴装 技术（表面贴装技术 ）中观察到的金（Au）-tin脆化现象类似，铟-金（Au） 间金属化合物（IMCs）极易脆 。过量的这些IMCs会在界面处产生微小裂纹，并导致早期机械失效。
至于散热器、盖板或集成散热片表面，通常采用某种形式的无电镀镍（镍-磷（NiP），磷含量5%-7%）或电解镍镀层。 随后，会在与硅片芯片 尺寸相近或略大的区域上，通过选择性浸镀工艺形成一层金（Au） 镀层。这一点非常重要，因为金（Au） 层起着“冶金性阻焊层”的作用。
在回流过程中，只要不对铟焊料热界面材料（TIM）施加过大的力，熔融焊料就会润湿选择性电镀的金（Au） 表面。由于已经与In₂Au金属间化合物形成了界面，因此焊料会继续润湿 该表面，直到薄的金（Au） 层耗尽为止。图2说明了这一现象。
图2：左图：采用ENIG（镀镍浸金） 镀层铜盖的测试样品，中央为采用浸渍法选择性镀覆的金（Au） 闪镀层。右图：从芯片上取下的铟焊料回流后 。焊料能够润湿金（Au） 镀层表面，但未延伸至镍镀层表面。
与硅芯片 侧类似，建议采用较厚的镍层，以便在界面处形成主导的金属间化合物（IMC），并采用非常薄的金（Au） 层，以防止过早发生机械失效。 图3展示了采用推荐堆叠结构的纯铟焊点界面。镍表面上的主要界面应为铟-镍或铟-镍-金（Au） 金属间化合物（IMC）。在回流 之后，金（Au） 层应被完全消耗，此时可见已扩散至铟焊料本体中的铟-金（Au） 金属间化合物（IMC）。
图3：左图：焊料热界面材料（TIM）模拟测试样品的金属化层叠结构。右图：焊接后，铟焊料热界面材料与ENIG（镀镍浸金） 金属化层之间界面反应的横截面特写。
铟及铟-银合金的其他潜在金属化方案焊料型导热界面材料
镍-金（Au） 金属化层叠结构拥有大量研究支持——确切地说，已有二十多年的研究积累。该结构不仅可行，而且多次被证实能提供出色的热循环 抗腐蚀性能和可靠性 抗冲击性能。话虽如此，其他可焊接表面的潜在选项或许有助于改善铟基焊料合金在回流焊过程中的润湿 特性。
铟在熔融状态下天然具有较高的表面张力。正因如此，熔融的铟往往更倾向于自身聚结，而非立即与薄的可焊接金（Au） 层形成金属间化合物。当铟“聚成球状”（且助焊 或氧化物还原过程发生后），它才会开始与金（Au） 层形成金属间化合物。在金（Au） 基板上出现的这种初始“聚成球状”现象，有时会在首次定义回流 时导致意想不到的润湿 故障。
铟-银焊料热界面材料（TIM）合金可以解决这个问题，但作为权衡，其延展性和体积热导率 会有所损失。话虽如此，从冶金学角度来看，铟具有与其他材料易发生扩散的特性，这使其独具特色。例如，一些研究表明，铟-银间相（IMC）能够轻易形成，不仅在焊料TIM领域如此，在厚银层上电镀铟的过程中也是如此。 或许在大型芯片 区域上，使用薄的浸银 或溅射银层代替金（Au） ，有助于铟润湿 的沉积，同时仍能保持铟-镍 IMC 作为主导界面。此外，铟自身润湿性较强，因此也可探索将铟金属化应用于这些应用 的可能性。
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来源：
Deppisch 等；《用于 CPU 封装的铟焊料热界面材料的材料优化及可靠性 表征》；《JOM》；2006 年 6 月。
