本文主要根據(jù)業(yè)界知名回流爐廠家Heller與業(yè)界銦片頭名生產(chǎn)商Indium 公司在2022年第72次ECTC會(huì)議上聯(lián)合發(fā)表的一篇文章《 Optimizing Reflowed Solder TIM (sTIMs) Processes for Emerging Heterogeneous Integrated Packages》為基礎(chǔ)，聊聊銦回流焊。
銦金屬可能很多朋友還不太了解，銦的熱傳導(dǎo)率可達(dá)86W/(m*K)，而普通的導(dǎo)熱膏 僅為5~10 W/(m*K)。另外，銦是一種銀白色軟金屬，可塑性強(qiáng)，有延展性，可壓成片，如果接觸面兩側(cè)有一定的壓力，能夠很好地把銦夾在中間，那么散熱效能更好。銦片特有的散熱方式，使其經(jīng)常應(yīng)用在芯片的封裝結(jié)構(gòu)中。幾十年來，銦金屬一直是大多數(shù)高性能計(jì)算（HPC）中焊接熱界面材料（焊接TIMs或sTIMs）的標(biāo)準(zhǔn)用料。IEEE異構(gòu)集成熱路線圖指出，新的熱界面材料解決方案必須提供一條成功應(yīng)用的途徑，以滿足總封裝DIE面積達(dá)到100c㎡的產(chǎn)品，未來兩年需要解決高達(dá)1000W/c㎡的熱通量問題。圖1顯示7nm與其之前制程相比熱通量明顯上升。
銦及其合金都被用作回流焊料熱界面材料置于芯粒表面與散熱蓋之間。圖2顯示標(biāo)準(zhǔn)的如何將高性能芯片熱量帶走的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖。TIM1，TIM2等是不同的型號(hào)。最上面的是散熱片，然后是銦材料層，接著是Lid散熱蓋同時(shí)具有非常好的力學(xué)性能可以保護(hù)芯片不被損壞，然后再是通過銦材料將散熱蓋與芯片表面連接。
圖2 標(biāo)準(zhǔn)的從如何將高性能芯片熱量帶走的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖
如圖3所示，整個(gè)TIM封裝工藝流程為：第一步，在基板上芯片周圍涂覆密封材料；第二步，在DIE上面噴涂助焊劑層；第三步，貼附TIM材料；第四步，繼續(xù)在TIM材料上噴涂助焊劑；第五步，將Lid散熱蓋置于上方，并保證與TIM材料良好接觸；最后一步，通過加熱回流將所有焊接在一起。
在整個(gè)回流工藝中最容易產(chǎn)生的缺陷有void空洞、分層以及其它界面相關(guān)問題。如圖4所示。
圖4 左圖為CSAM下TIM的圖案，有明顯分相，空洞等缺陷；右圖為正常的CSAM圖像
助焊劑的噴涂只要是為了去除氧化層，這里不再贅述。接著聊聊空洞Void的產(chǎn)生機(jī)理。Void產(chǎn)生和控制有兩大方向：一.改變材料或材料的用量；二.優(yōu)化回流焊工藝；第一個(gè)非常容易理解，盡量減少回流焊時(shí)氣體產(chǎn)生的量，或調(diào)節(jié)空洞產(chǎn)生的速度，如表1所示。第二個(gè)方向較為容易實(shí)現(xiàn)，調(diào)升溫曲線快速簡便。如圖5可以看出同樣TIM在二次回流后空洞明顯變大。這說明氣體在第一次回流時(shí)并沒有完全釋放出來，這種情形就比較危險(xiǎn)。因?yàn)槎位亓魍ǔ?huì)在SMT等環(huán)節(jié)進(jìn)行，不容易被前端封裝工藝中發(fā)現(xiàn)異常。
表1 為不同合金成分同樣工藝條件下產(chǎn)生的空洞Void比例
圖5 第一次Reflow后和第二次Reflow后空洞大小區(qū)別
這時(shí)候該另外一個(gè)巨頭Heller出場(chǎng)了，Heller是回流焊爐子的專業(yè)生產(chǎn)商之一。就如我們艾邦半導(dǎo)體公眾號(hào)近期介紹的Heller無助焊劑甲酸爐工藝，Heller也在TIM領(lǐng)域嘗試了他們的甲酸爐，并通過增加真空度來控制Void的產(chǎn)生。從表2看出，通過真空度的增加Void的比例明顯下降。
表2 通過不同真空及甲酸濃度下使用Heller設(shè)備回流所產(chǎn)生Void的比例
該團(tuán)隊(duì)也嘗試了通過在回流時(shí)增加壓力來控制Void比例，如表3所示，整體與真空回流相比效果不佳。
表3 通過在回流時(shí)增加不同壓力所產(chǎn)生Void的比例
最后，TIM銦材料的制備當(dāng)前業(yè)界還屬Indium公司，國內(nèi)的廠家有寧波施捷電子有限公司。在設(shè)備廠家中屹立芯創(chuàng)真空壓力除泡系統(tǒng)也有很大突破。如果您還清楚其它材料及設(shè)備供應(yīng)商也請(qǐng)入群告知我們。謝謝。
參考文獻(xiàn)：
1. https://www.sohu.com/a/629170467_121628353
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：先進(jìn)封裝之銦片回流焊介紹
