Rola związków międzymetalicznych w warstwach termoprzewodzących (TIM)

Czysty ind charakteryzuje się wysoką przewodnością cieplną (k = 86 W/mK). Stopy indu ze srebrem powszechnie stosowane w TIM mają nieco niższą przewodność cieplną, która zależy od stężenia srebra w stopie. Dużą trudnością we wdrażaniu tych materiałów jest sam proces lutowania. Zanim jednak zaczniemy myśleć o odpowiednim profilu termicznym, najpierw należy zapewnić odpowiednie powierzchnie lutownicze, tak aby zapewnić mocne pod względem mechanicznym połączenie lutowane TIM. Artykuł autorstwa Kyle Aserian z Indium Corporation ‘The Role of Intermetallic Formation and Common Metallization Stack-Ups for Solder TIMs’ omawia aktualny stan wiedzy o materiałach na bazie indu i indu ze srebrem. W ciągu ponad dwóch dekad prac rozwojowych pojawiło się wiele iteracji tego, co powinno znaleźć się zarówno na powierzchni krzemowej matrycy, jak i na powierzchni radiatora czy innego rozpraszacza ciepła.

Dlaczego ind lub lut indu i srebra TIM?

Zanim zajmiemy się ułożeniem warstw metalizacji, omówmy, dlaczego materiały na bazie indu lub indu i srebra są stosowane do lutowania TIM1 i TIM1.5 w takich aplikacjach jak sztuczna inteligencja, centra danych i komputery o wysokiej wydajności (HPC). W tych zastosowaniach zazwyczaj występują znaczne odkształcenia powierzchni matrycy krzemowej, na której nakładany jest TIM. W miarę nagrzewania i stygnięcia matrycy podczas pracy, niedopasowaniem współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE) między materiałami tworzącymi układ skutkuje ciągłym odkształcaniem się matrycy.

Czysty ind, oprócz wysokiej przewodności cieplnej, jest również metalem bardzo plastycznym i miękkim. Posiada bardzo niską granicę plastyczności i w porównaniu z innymi stopami lutowniczymi w stanie stałym jest bardziej podatny na stopniowe przesuwanie się i odkształcanie. Właściwości mechaniczne indu odróżniają go od większości stopów lutowniczych na bazie cyny i grafitowych TIM, ponieważ jego plastyczność ma kluczowe znaczenie dla niezawodności termomechanicznej gotowego układu BGA, LGA, FC lub ASIC.

Jaki jest obecnie zalecany układ warstw metalicznych dla TIM lutowniczych?

Wybór właściwej metalizacji jest zawsze istotnym zagadnieniem w obszarze SMT. Przedstawiony poniżej układ to sugestia autora artykułu dla zastosowań TIM1 i TIM1.5, która zakłada, że ​​TIM-y lutownicze będą umieszczane pomiędzy powierzchnią krzemowego układu scalonego a miedzianym radiatorem, obudową lub innym rozpraszaczem ciepła.

Rysunek 1: Typowy układ metalizacji dla TIM-ów lutowniczych w zastosowaniach TIM1 lub TIM1.5. Żródło: The Role of Intermetallic Formation and Common Metallization Stack-Ups for Solder TIMs, Kyle Aserian, Indium Corporation

Po stronie krzemowej matrycy zazwyczaj stosuje się wykonaną natryskowo metalizację tytanem, niklem i wanadem (NiV) lub złotem (BSM). Warstwa tytanu pełni funkcję warstwy adhezyjnej pomiędzy warstwami krzemu i NiV. Warstwa NiV to warstwa lutownicza odpowiedzialna za tworzenie związku międzymetalicznego indu i niklu (IMC). Z kolei cienka warstwa złota działa jako warstwa pasywacyjna, zapobiegając utlenianiu lutowalnej warstwy NiV i zapewniając długie okno procesowe przed etapem lutowania. Zaleca się, aby warstwa ta była jak najcieńsza, zachowując jednocześnie jej właściwości pasywacyjne. Podobnie jak kruchość złota i cyny obserwowana w montażu płytek drukowanych (PCBA) i technologii montażu powierzchniowego (SMT), indowo-złote warstwy międzymetaliczne są wyjątkowo kruche. Ich nadmiar może powodować drobne mikropęknięcia na styku i prowadzić do wczesnych uszkodzeń mechanicznych.

Jeśli chodzi o radiator, pokrywę lub zintegrowaną powierzchnię rozpraszacza ciepła, standardowo stosuje się proces bezprądowego powlekania niklem (niklowo-fosforowego NiP) lub niklowania elektrolitycznego. Następnie nakłada się selektywnie zanurzeniową warstwę złota o wymiarach zbliżonych do wymiarów struktury krzemowej lub nieco większych. Jest to ważne, ponieważ warstwa złota działa jak ‘metalurgiczna maska ​​lutownicza’. Podczas lutowania rozpływowego stopiony lut TIM na bazie indu zwilża powierzchnię złota. Ponieważ już wcześniej utworzyła się warstwa międzymetaliczna In₂Au, lut jest zachęcany do dalszego zwilżania tej powierzchni, aż do zużycia cienkiej warstwy złota.

Podobnie jak w przypadku krzemowej matrycy, od strony radiatora zaleca się zastosowanie grubszej warstwy niklu oraz bardzo cienkiej warstwy złota, zapobiegającej przedwczesnym uszkodzeniom mechanicznym. Rysunek 2 przedstawia połączenie lutowane czystym indem z użyciem zalecanego układu warstw. Dominującą warstwą na powierzchni niklu powinna być warstwa międzymetaliczna ind-nikiel lub ind-nikiel-złoto. Warstwa złota powinna być całkowicie zużyta po procesie lutowania rozpływowego, ukazując warstwy ind-złoto, które dyfundowały do ​​wnętrza. lutu indowego.

Rysunek 3: Po lewej: metalizacja warstwowa lutu TIM. Po prawej: zbliżenie przekroju poprzecznego reakcji międzyfazowej między lutem indowym TIM a metalizacją ENIG po lutowaniu. Żródło: The Role of Intermetallic Formation and Common Metallization Stack-Ups for Solder TIMs, Kyle Aserian, Indium Corporation

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 19 marca 2026. Zapisz się tutaj!