高性能计算芯片上铟热界面材料的应用及工艺优化

高性能计算芯片上铟热界面材料的应用及工艺优化

转自：屹立芯创

为了满足日益增长的高性能计算芯片的性能和多样性应用需求，这些电子芯片的冷却设计往往需要使用焊料型热界面材料，提供机械和热性能的最佳组合，以实现高效的热设计。热管理的关键是通过热界面材料（TIM）将产热装置的热能传导到散热器。这些电子芯片在实际工作中，由于散热盖与芯片之间的热膨胀系数（CTE）不匹配，TIM还必须减轻机械应力和吸收应变。铟作为高性能微处理器的候选TIM，具有高导热性，低熔融温度和低拉伸强度，以及“绿色”（无害材料，浪费最少，易于产品再加工）。

在优化铟片TIM工艺应用过程中，前人也做了多方面的研究：

首先是关于铟TIM的装配方法的比较：预贴装法和预成型法。预贴装是指在微处理器盖子连接之前，首先将铟连接到盖子上，流程如图1。预成形是指在一次回流过程中将铟直接粘合到盖子和芯片上，流程如图2。使用铟TIM连接的金属表面通常是金，硅芯片背面通常是PVD沉积的Ti/NiV/Au（80-200nm Au），铜散热器/散热盖上镀有Ni/Au（通常为0.3-0.8um Au）。在预贴方法中，用强效助焊剂将铟预贴在散热盖上。在上盖之前，必须彻底清洗这种类型的助焊剂，以避免腐蚀。回流后，铟在盖腔内呈圆顶状（在回流过程中，助焊剂被激活，溶解镍表面和铟预成型表面的氧化物。这使得熔融的铟润湿镍表面并形成金属键。助焊剂还可以保护熔融铟不被氧化。由于表面张力的作用，熔融铟形成圆顶状，凝固后仍保持圆顶状）。这种圆顶形状的铟会导致散热盖倾斜，不利于与散热盖的连接。因此，在盖子附着之前，需要一个后续的压印步骤来压平铟圆顶。

其次，是关于铟TIM在焊接过程中使用助焊剂与否的研究：在开发初期，进行了浸焊试验（solder-dipping test），以了解纯铟在含助焊剂和不含助焊剂的金属化硅和盖子上的基本润湿特性，研究发现在没有助焊剂的情况下，铟不能浸润在镀金或镀镍区域的盖子上；加了助焊剂后，铟能润湿在镀金区域而不能润湿于镀镍区域，表明如果没有加助焊剂，即使是在金表面，铟也很难润湿；将助焊剂应用于铟回流可以使铟润湿于金表面上，但由于助焊剂残留与残留物带来的腐蚀而形成的空洞；而贴盖后助焊剂无法水洗，因此需要开发铟回流工艺的免洗助焊剂，助焊剂的选择是铟工艺发展的一个重要步骤，良好的助焊剂可以在回流过程中形成最小的空隙，不会留下会腐蚀微处理器的有害残留物，并且满足无卤要求。此外，有针对助焊剂的使用量与铟TIM空洞率的研究，表明助焊剂重量与空洞率呈线性关系（如图3），在铟片贴合工艺中需要特别控制合适的助焊剂的量。

纯铟（100%）具有很高的延展性和高导热性，该熔融铟在低温下对包括陶瓷、玻璃和石英在内的许多表面具有良好的润湿性，使其适用于无助焊剂焊接工艺。有研究表明，使用助焊剂的工艺导致了界面上更多的空隙，如图4，CSAM模式下的形貌对比（很可能是由于预热温度过低，无法激活助焊剂和去除任何助焊剂载体溶剂）；而无助焊剂的工艺空洞最少甚至无空洞。很明显，这与前述的无使用助焊剂的铟难以润湿于金表面的现象是相悖的，该研究给出的解释为测试使用的样品中使用助焊剂的并没有进行清洗，而没有使用助焊剂的会先进行化学溶液清洗，以去除背面镀金芯片和铟片表面的氧化物和有机污染物。

还有一些研究结果表明，纯铟焊料在惰性环境中比在空气中更容易扩散，并且对于具有较薄氧化物的铟TIM也表现出更好的润湿性。虽然熔融铟在惰性环境中可以克服相变过程中的氧化物屏障，但在空气环境中却发现铟不能润湿。通过测试镀金衬底与不同氧化厚度的铟TIM结合的搭接接头的粘附强度，结果显示氧化层厚度显著降低了接头强度，因为氧化物和表面污染阻碍了熔融焊料在可焊表面的良好润湿。惰性条件下铟的润湿特性如图6所示，随着初始氧化铟厚度的增加，润湿角增大，铺展变差。当氧化膜厚度为4nm时，铟的润湿角低至15°。在回流过程中，样品由热压夹具支撑。热压在相变过程中产生机械扰动，破坏氧化皮。在没有任何机械干扰的惰性环境中制备的粘附测试样品的黏附强度明显低于热压样品。因此，无助焊剂铟焊接的应用需要一种回流工艺，该工艺结合了使用具有最小氧化物的铟焊料，惰性环境和机械热压手段。无助焊剂焊接提供了很大的优势，消除了助焊剂清洗过程和封装中助焊剂残留物污染的可能性，在电子技术和环境方面都是可行的。

在铟TIM中产生的空洞定义为xy方向上（与TIM相同的平面)空洞面积占整个界面的百分比的覆盖区域。通常用户会定义一个较低的总体空洞（%total空洞总量），以及允许的最大空洞大小或面积百分比（%max最大空洞量）。分析空洞的成因，发现主要是在回流过程中焊料中形成流体腔洞（cavity），导致最终回流焊点中出现气泡状夹杂物。空洞是亚稳态的，存在于空洞表面的力和空洞上的压缩力和浮力的组合应该会导致气泡破裂，从而大大降低总势能。因此，很明显，存在一个因素作为势能屏障，从本质上将空洞固定在适当的位置，而阻止气泡破裂。这个关键因素是由于相邻的可焊表面润湿性差，将空洞卡在表面，从而在表面形成空洞；液态金属表面的氧化物或其它污染，还会造成空间位阻。减少焊料中空洞的大小可以通过两种方法来实现：创造一个外部低压或真空，使空洞膨胀到爆裂的地步；或是增加空洞的压力使其收缩。不同的外部压力对较小气泡的影响是比较小的，而较大的气泡很容易膨胀并通过创造外部真空而破裂，或者通过增加外部压力而缩小。

SAT的CSAM模式可用于分析表征铟在芯片和散热盖上的润湿性及铟TIM的空洞；另外，X射线也可用于检测铟TIM的空洞失效模式。图5的SAT形貌图中（铟与散热盖的界面）出现溢出状的“铟块”，铟块的形成在铟回流中是正常的，由于表面张力和流体静压力的影响，在回流过程中有一定量的熔融铟形成块状在芯片的边缘上，凝固后的铟块与铟TIM有良好的附着。然而，铟块太大可能导致相邻的无源元件发生短路，因此，对铟块的大小进行表征是十分重要的。另外，研究发现助焊剂的使用量对铟块形成的尺寸并无明显影响。

为了获得铟TIM的高导电性和可靠性，焊料和焊接工艺必须产生高可靠性的焊点。散热片和芯片背面都必须有一个可焊接的表面。元件的可靠性取决于这些焊接口和焊料的寿命。芯片，以及散热盖，铟预制体的制造和封装须严格控制并采用自动化。如果部件处理不当，铟的有益特性很可能会失去：因为铟非常柔软，其表面非常容易凹陷、划伤或受到外来物质的影响。这些中的任何一个都可能导致完成的铟TIM出现空洞。铟层必须吸收大部分的应变，以尽量减少芯片上的应力。铟片的面积通常略小于芯片的面积，盖子必须精确放置以消除边缘空洞和焊料挤压。在设计散热盖压印深度（盖的内部高度）时，还必须允许标准的30-50um BLT（键合线厚度）塌陷，以防止焊料挤压。回流焊后的BLT坍塌可以通过改变盖子的压印深度或粘合剂厚度来调整。

在回流炉中，助焊剂在预热（低于150°C）期间被激活（与金属氧化物反应形成盐）。这种预热可以除去助焊剂的溶剂，促进助焊剂中金属氧化物和活化剂的反应。焊接步骤熔化铟焊料并形成与芯片和盖子的界面。在铟TIM回流中，氧化铟（In₂O₃）通过与温和的有机助焊剂或甲酸/N₂反应去除。

在锡基回流焊中，甲酸作为还原剂得到了广泛的研究和应用，氧化铟的反应疑似与氧化锡的反应相似。在回流过程中在惰性气体（通常是N₂，在整个回流过程中，连续的N₂流使工艺环境中的氧气水平保持在40-50 ppm之间）中的可以注入气相甲酸，去除金属氧化物，促进适当的润湿和焊料回流。甲酸消除的确切机制仍在争论中，一个主要理论是在高温下升华，生成的甲酸铟通过升华消除：HCOOH+In₂O₃>In(COOH)₃+H₂O。甲酸回流法不使用有机助焊剂。甲酸蒸汽被注入到烘箱浸泡区soak zone的工艺环境中，并如前所述与金属氧化物发生反应。由于滞留在焊料中的有机助焊剂残留物会排出气体并产生空洞，当使用含甲酸的无助焊剂工艺时，这种情况会最小化。而使用压力烘箱进行的高压回流法则不使用甲酸，所以需要有机助焊剂应用于铟片的下方和上方。关键变量主要是压力profile、温度profile和施加的flux量。压力烘箱带有真空泵，该真空泵可用于purge腔室，以去除由所施加的助焊剂形成的挥发物。每次真空吹扫（purge）将使腔内压力降至20torr，并保持20秒。在第二次真空吹扫后，在回流循环的持续时间内，压力增加到5巴或10巴。对以上两种研究的结果如表1（甲酸回流）和表2（高压回流）所示：用甲酸回流比用有机助焊剂的空洞率更低；带助焊剂的加压回流比带助焊剂的常压回流效果好，但不如带甲酸的常压回流；加压回流还会导致焊料挤出。

应用于高性能计算芯片的铟TIM工艺不仅发生在封测代工厂上，而且越来越多地作为高端晶圆厂的后段工艺。这就更加强调了材料和设备供应商应具备的相应能力，给用户提供完整的热解决方案。

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