《Investigation on Indium Thermal Interface Materials Fluxless Bonding Technology via In Situ Formed AgIn2 Coating》
题目：《Investigation on Indium Thermal Interface Materials Fluxless Bonding Technology via In Situ Formed AgIn2 Coating》
作者：Jing Wen, Yi Fan, Guoliao Sun , Jinyang Su , Linzheng Fu, Zhuo Chen ,and Wenhui Zhu , Senior Member, IEEE
发表时间：2025
DOI：10.1109/TCPMT.2024.3522254
期刊：IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS, PACKAGING AND MANUFACTURING TECHNOLOGY
摘要：铟（In）是大功率中央处理器（CPU）芯片广泛采用的焊料热界面材料（TIM1），这主要是因为它能提升散热性能。然而，铟焊料中残留的有机助焊剂在焊球回流过程中会释放气体，在铟TIM1中产生大量空洞（空洞率约为35%），这限制了其在先进球栅阵列（BGA）封装中的应用。在本文中，为了实现无焊剂铟回流并获得低空洞率的铟TIM1，在厚铟TIM1表面电镀一层薄银（Ag）层，以原位生成AgIn₂涂层，该涂层可以防止铟氧化。因此，回流过程中无需使用焊剂去除焊料的氧化层。经过一次铟回流和三次焊球回流后，通过扫描声学显微镜（SAM）确认形成了空洞率低（4.2%）的接头。同时，还获得了更好的传热能力和机械性能（提高了11.4%）。此外，还发现了一种新型的回流过程中AgIn₂涂层分解机制。在铟回流过程中，AgIn₂会分解为铟原子和银原子，银原子可以提高焊料的润湿性和接头的剪切强度。
结论：在本研究中，通过无焊剂键合技术，利用 AgIn2保护层制备了低空洞率的铟（In）TIM1。研究了厚铟层上 AgIn2的形成和分解机制，以及AgIn2中的银（Ag）对厚铟层性能和接头性能的影响。主要结论如下：
1、在镀银工艺后，铟表面原位形成 AgIn2金属间化合物（IMC）保护层，该保护层可防止内部铟氧化，从而实现无焊剂键合，获得空洞率低至4.2% 的接头。这一工艺在球栅阵列（BGA）应用中具有重要价值。
2、在铟回流过程中，厚铟层上的 AgIn2会分解为铟原子和银原子，银原子会限制 Ni3In7金属间化合物的横向生长，使接触角减小23.5%，提高焊料的润湿性，并使接头的剪切强度提高11.4%。
3、经过三次无铅焊料（SAC）回流后，由于空洞率低，InAg接头的芯片平均温度降低1.2%，全局最高温度降低2.7%，剪切强度提高38.0%。
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作者简介：本研究创新性体现在：
1、采用电镀银在铟热界面材料表面原位生成AgIn₂保护层，实现无焊剂回流，解决铟在球栅阵列（BGA）封装中因焊剂残留产生大量空洞的问题，获得低空洞率（4.2%）接头。
2、发现厚铟层上AgIn₂分解机制，其分解产生的银原子可限制Ni₃In₇金属间化合物横向生长、降低接触角，从而改善润湿性并显著提升接头剪切强度。
3、经三次回流后，In@Ag接头具有更低的芯片平均温度和全局最高温度，同时保持更高的剪切强度，进一步验证了其优异的热–机械可靠性。