高性能計(jì)算芯片上銦熱界面材料的應(yīng)用及工藝優(yōu)化

轉(zhuǎn)自：屹立芯創(chuàng)

為了滿足日益增長的高性能計(jì)算芯片的性能和多樣性應(yīng)用需求，這些電子芯片的冷卻設(shè)計(jì)往往需要使用焊料型熱界面材料，提供機(jī)械和熱性能的最佳組合，以實(shí)現(xiàn)高效的熱設(shè)計(jì)。熱管理的關(guān)鍵是通過熱界面材料（TIM）將產(chǎn)熱裝置的熱能傳導(dǎo)到散熱器。這些電子芯片在實(shí)際工作中，由于散熱蓋與芯片之間的熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配，TIM還必須減輕機(jī)械應(yīng)力和吸收應(yīng)變。銦作為高性能微處理器的候選TIM，具有高導(dǎo)熱性，低熔融溫度和低拉伸強(qiáng)度，以及“綠色”（無害材料，浪費(fèi)最少，易于產(chǎn)品再加工）。

在優(yōu)化銦片TIM工藝應(yīng)用過程中，前人也做了多方面的研究：

首先是關(guān)于銦TIM的裝配方法的比較：預(yù)貼裝法和預(yù)成型法。預(yù)貼裝是指在微處理器蓋子連接之前，首先將銦連接到蓋子上，流程如圖1。預(yù)成形是指在一次回流過程中將銦直接粘合到蓋子和芯片上，流程如圖2。使用銦TIM連接的金屬表面通常是金，硅芯片背面通常是PVD沉積的Ti/NiV/Au（80-200nm Au），銅散熱器/散熱蓋上鍍有Ni/Au（通常為0.3-0.8um Au）。在預(yù)貼方法中，用強(qiáng)效助焊劑將銦預(yù)貼在散熱蓋上。在上蓋之前，必須徹底清洗這種類型的助焊劑，以避免腐蝕。回流后，銦在蓋腔內(nèi)呈圓頂狀（在回流過程中，助焊劑被激活，溶解鎳表面和銦預(yù)成型表面的氧化物。這使得熔融的銦潤濕鎳表面并形成金屬鍵。助焊劑還可以保護(hù)熔融銦不被氧化。由于表面張力的作用，熔融銦形成圓頂狀，凝固后仍保持圓頂狀）。這種圓頂形狀的銦會導(dǎo)致散熱蓋傾斜，不利于與散熱蓋的連接。因此，在蓋子附著之前，需要一個(gè)后續(xù)的壓印步驟來壓平銦圓頂。

其次，是關(guān)于銦TIM在焊接過程中使用助焊劑與否的研究：在開發(fā)初期，進(jìn)行了浸焊試驗(yàn)（solder-dipping test），以了解純銦在含助焊劑和不含助焊劑的金屬化硅和蓋子上的基本潤濕特性，研究發(fā)現(xiàn)在沒有助焊劑的情況下，銦不能浸潤在鍍金或鍍鎳區(qū)域的蓋子上；加了助焊劑后，銦能潤濕在鍍金區(qū)域而不能潤濕于鍍鎳區(qū)域，表明如果沒有加助焊劑，即使是在金表面，銦也很難潤濕；將助焊劑應(yīng)用于銦回流可以使銦潤濕于金表面上，但由于助焊劑殘留與殘留物帶來的腐蝕而形成的空洞；而貼蓋后助焊劑無法水洗，因此需要開發(fā)銦回流工藝的免洗助焊劑，助焊劑的選擇是銦工藝發(fā)展的一個(gè)重要步驟，良好的助焊劑可以在回流過程中形成最小的空隙，不會留下會腐蝕微處理器的有害殘留物，并且滿足無鹵要求。此外，有針對助焊劑的使用量與銦TIM空洞率的研究，表明助焊劑重量與空洞率呈線性關(guān)系（如圖3），在銦片貼合工藝中需要特別控制合適的助焊劑的量。

純銦（100%）具有很高的延展性和高導(dǎo)熱性，該熔融銦在低溫下對包括陶瓷、玻璃和石英在內(nèi)的許多表面具有良好的潤濕性，使其適用于無助焊劑焊接工藝。有研究表明，使用助焊劑的工藝導(dǎo)致了界面上更多的空隙，如圖4，CSAM模式下的形貌對比（很可能是由于預(yù)熱溫度過低，無法激活助焊劑和去除任何助焊劑載體溶劑）；而無助焊劑的工藝空洞最少甚至無空洞。很明顯，這與前述的無使用助焊劑的銦難以潤濕于金表面的現(xiàn)象是相悖的，該研究給出的解釋為測試使用的樣品中使用助焊劑的并沒有進(jìn)行清洗，而沒有使用助焊劑的會先進(jìn)行化學(xué)溶液清洗，以去除背面鍍金芯片和銦片表面的氧化物和有機(jī)污染物。

還有一些研究結(jié)果表明，純銦焊料在惰性環(huán)境中比在空氣中更容易擴(kuò)散，并且對于具有較薄氧化物的銦TIM也表現(xiàn)出更好的潤濕性。雖然熔融銦在惰性環(huán)境中可以克服相變過程中的氧化物屏障，但在空氣環(huán)境中卻發(fā)現(xiàn)銦不能潤濕。通過測試鍍金襯底與不同氧化厚度的銦TIM結(jié)合的搭接接頭的粘附強(qiáng)度，結(jié)果顯示氧化層厚度顯著降低了接頭強(qiáng)度，因?yàn)檠趸锖捅砻嫖廴咀璧K了熔融焊料在可焊表面的良好潤濕。惰性條件下銦的潤濕特性如圖6所示，隨著初始氧化銦厚度的增加，潤濕角增大，鋪展變差。當(dāng)氧化膜厚度為4nm時(shí)，銦的潤濕角低至15°。在回流過程中，樣品由熱壓夾具支撐。熱壓在相變過程中產(chǎn)生機(jī)械擾動，破壞氧化皮。在沒有任何機(jī)械干擾的惰性環(huán)境中制備的粘附測試樣品的黏附強(qiáng)度明顯低于熱壓樣品。因此，無助焊劑銦焊接的應(yīng)用需要一種回流工藝，該工藝結(jié)合了使用具有最小氧化物的銦焊料，惰性環(huán)境和機(jī)械熱壓手段。無助焊劑焊接提供了很大的優(yōu)勢，消除了助焊劑清洗過程和封裝中助焊劑殘留物污染的可能性，在電子技術(shù)和環(huán)境方面都是可行的。

在銦TIM中產(chǎn)生的空洞定義為xy方向上（與TIM相同的平面)空洞面積占整個(gè)界面的百分比的覆蓋區(qū)域。通常用戶會定義一個(gè)較低的總體空洞（%total空洞總量），以及允許的最大空洞大小或面積百分比（%max最大空洞量）。分析空洞的成因，發(fā)現(xiàn)主要是在回流過程中焊料中形成流體腔洞（cavity），導(dǎo)致最終回流焊點(diǎn)中出現(xiàn)氣泡狀夾雜物?？斩词莵喎€(wěn)態(tài)的，存在于空洞表面的力和空洞上的壓縮力和浮力的組合應(yīng)該會導(dǎo)致氣泡破裂，從而大大降低總勢能。因此，很明顯，存在一個(gè)因素作為勢能屏障，從本質(zhì)上將空洞固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，而阻止氣泡破裂。這個(gè)關(guān)鍵因素是由于相鄰的可焊表面潤濕性差，將空洞卡在表面，從而在表面形成空洞；液態(tài)金屬表面的氧化物或其它污染，還會造成空間位阻。減少焊料中空洞的大小可以通過兩種方法來實(shí)現(xiàn)：創(chuàng)造一個(gè)外部低壓或真空，使空洞膨脹到爆裂的地步；或是增加空洞的壓力使其收縮。不同的外部壓力對較小氣泡的影響是比較小的，而較大的氣泡很容易膨脹并通過創(chuàng)造外部真空而破裂，或者通過增加外部壓力而縮小。

SAT的CSAM模式可用于分析表征銦在芯片和散熱蓋上的潤濕性及銦TIM的空洞；另外，X射線也可用于檢測銦TIM的空洞失效模式。圖5的SAT形貌圖中（銦與散熱蓋的界面）出現(xiàn)溢出狀的“銦塊”，銦塊的形成在銦回流中是正常的，由于表面張力和流體靜壓力的影響，在回流過程中有一定量的熔融銦形成塊狀在芯片的邊緣上，凝固后的銦塊與銦TIM有良好的附著。然而，銦塊太大可能導(dǎo)致相鄰的無源元件發(fā)生短路，因此，對銦塊的大小進(jìn)行表征是十分重要的。另外，研究發(fā)現(xiàn)助焊劑的使用量對銦塊形成的尺寸并無明顯影響。

為了獲得銦TIM的高導(dǎo)電性和可靠性，焊料和焊接工藝必須產(chǎn)生高可靠性的焊點(diǎn)。散熱片和芯片背面都必須有一個(gè)可焊接的表面。元件的可靠性取決于這些焊接口和焊料的壽命。芯片，以及散熱蓋，銦預(yù)制體的制造和封裝須嚴(yán)格控制并采用自動化。如果部件處理不當(dāng)，銦的有益特性很可能會失去：因?yàn)殂煼浅Ｈ彳?，其表面非常容易凹陷、劃傷或受到外來物質(zhì)的影響。這些中的任何一個(gè)都可能導(dǎo)致完成的銦TIM出現(xiàn)空洞。銦層必須吸收大部分的應(yīng)變，以盡量減少芯片上的應(yīng)力。銦片的面積通常略小于芯片的面積，蓋子必須精確放置以消除邊緣空洞和焊料擠壓。在設(shè)計(jì)散熱蓋壓印深度（蓋的內(nèi)部高度）時(shí)，還必須允許標(biāo)準(zhǔn)的30-50um BLT（鍵合線厚度）塌陷，以防止焊料擠壓?；亓骱负蟮腂LT坍塌可以通過改變蓋子的壓印深度或粘合劑厚度來調(diào)整。

在回流爐中，助焊劑在預(yù)熱（低于150°C）期間被激活（與金屬氧化物反應(yīng)形成鹽）。這種預(yù)熱可以除去助焊劑的溶劑，促進(jìn)助焊劑中金屬氧化物和活化劑的反應(yīng)。焊接步驟熔化銦焊料并形成與芯片和蓋子的界面。在銦TIM回流中，氧化銦（In₂O₃）通過與溫和的有機(jī)助焊劑或甲酸/N₂反應(yīng)去除。

在錫基回流焊中，甲酸作為還原劑得到了廣泛的研究和應(yīng)用，氧化銦的反應(yīng)疑似與氧化錫的反應(yīng)相似。在回流過程中在惰性氣體（通常是N₂，在整個(gè)回流過程中，連續(xù)的N₂流使工藝環(huán)境中的氧氣水平保持在40-50 ppm之間）中的可以注入氣相甲酸，去除金屬氧化物，促進(jìn)適當(dāng)?shù)臐櫇窈秃噶匣亓鳌＜姿嵯拇_切機(jī)制仍在爭論中，一個(gè)主要理論是在高溫下升華，生成的甲酸銦通過升華消除：HCOOH+In₂O₃>In(COOH)₃+H₂O。甲酸回流法不使用有機(jī)助焊劑。甲酸蒸汽被注入到烘箱浸泡區(qū)soak zone的工藝環(huán)境中，并如前所述與金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)。由于滯留在焊料中的有機(jī)助焊劑殘留物會排出氣體并產(chǎn)生空洞，當(dāng)使用含甲酸的無助焊劑工藝時(shí)，這種情況會最小化。而使用壓力烘箱進(jìn)行的高壓回流法則不使用甲酸，所以需要有機(jī)助焊劑應(yīng)用于銦片的下方和上方。關(guān)鍵變量主要是壓力profile、溫度profile和施加的flux量。壓力烘箱帶有真空泵，該真空泵可用于purge腔室，以去除由所施加的助焊劑形成的揮發(fā)物。每次真空吹掃（purge）將使腔內(nèi)壓力降至20torr，并保持20秒。在第二次真空吹掃后，在回流循環(huán)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，壓力增加到5巴或10巴。對以上兩種研究的結(jié)果如表1（甲酸回流）和表2（高壓回流）所示：用甲酸回流比用有機(jī)助焊劑的空洞率更低；帶助焊劑的加壓回流比帶助焊劑的常壓回流效果好，但不如帶甲酸的常壓回流；加壓回流還會導(dǎo)致焊料擠出。

應(yīng)用于高性能計(jì)算芯片的銦TIM工藝不僅發(fā)生在封測代工廠上，而且越來越多地作為高端晶圓廠的后段工藝。這就更加強(qiáng)調(diào)了材料和設(shè)備供應(yīng)商應(yīng)具備的相應(yīng)能力，給用戶提供完整的熱解決方案。

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