CPU與頂蓋（IHS）是如何焊接的？

我一時興起Google出來篇文章，而相關內容似乎搜不到中文，遂手癢欲翻譯一部分，而我又不泡論壇，便跑來知乎自問自答一下&>_&<

The Truth about CPU Soldering - Overclocking.Guide

這篇文章來自德國的超頻達人、開蓋狂魔der8auer（名稱來自德文「der Bauer」 [d??? ?ba???]，「農民」或「建造者」），而他的資料來源於Intel在2006年發的文章：

PDF：

https://pdfs.semanticscholar.org/40fe/11ccc30fcdac3d2c38cb65b42f112f040558.pdf

http://sci-hub.cc/10.1007/s11837-006-0186-6

相關專利：https://www.google.com/patents/US8242602

以下是節選編譯。由於本人對半導體與製造領域知之甚少，部分專業名詞也未見統一的譯法，如有謬誤還請指出^_^

一、為什麼要有頂蓋？

CPU的頂蓋被稱為集成散熱器（Integrated Heat Spreader，IHS），從名字就能看出來，它是幫助CPU散熱的。CPU晶元（die，常被稱為裸片、核心）的表面積很小而發熱卻不小，需要有效地把熱量傳導出去。

另一個問題是，如果CPU散熱器（台式機）直接安裝在晶元上，對小小的晶元施加壓力，有可能造成印製電路板（PCB）的變形，使其與主板CPU底座的連接不穩。頂蓋在這裡起到了平攤壓力的作用。

二、有頂蓋的CPU大概是個什麼結構？

不同的材料熱脹冷縮的程度不同，底部填充膠起到了必要的固定作用，避免晶元的損壞。

頂蓋通過黏合劑固定在電路板上，這種固定不是死的，使其可以有限地熱脹冷縮而不損壞晶元。

三、頂蓋用什麼材料來做？

銅是個不錯的選擇，導熱係數達到400 W/(m*K)，而價格不高。

四、拿什麼把硅和銅焊接到一起？

[譯註：此節數據不一定準確]

硅和銅的性質差異很大，

硅的導熱係數不低，有150 W/(m*K)，而熱（線）膨脹係數較小，為2.6 μm/(m*K)；

銅的熱（線）膨脹係數達16.5 μm/(m*K)，是硅的6倍多，也就是說，銅的熱脹冷縮更為明顯。

對銅的焊接很常見，比如焊電路板時常用的錫焊。

可是我們遇到了問題：焊錫和硅焊不到一起。

另一個麻煩是，焊錫在凝固的過程中會收縮，有可能損壞晶元。

幸運的是，有（且目前僅知）一種材料既能焊銅也能焊硅：銦。

與此同時，銦在凝固時不會縮得太厲害，減小了問題（但問題依然存在）。

銦的導熱係數不如銅高，但也達到了 81.8 W/(m*K)，而一般的導熱膏只有5~10 W/(m*K)。

此外，銦的延展性好，在頂蓋與晶元中間起到緩衝的作用，避免銅與硅熱脹冷縮程度不同造成的損壞。

銦的熔點約157 ℃，比常見的錫鉛合金低，比低溫迴流焊用的錫鉍合金高。

銦可真棒不是嗎？但是用銦也有一些要考慮的地方：

銦暴露在空氣中會像鋁一樣形成一層氧化層；

銦的全球年產量不到1000噸（金有3000噸），十分稀有而昂貴（2014年約800美元/千克）。

視CPU尺寸而定，銦的原材料成本即達2-5美元。

[譯註：銦在科技領域應用廣泛，最大的用途是液晶屏的生產。銦的故事還很多，比如液態金屬，比如IGZO顯示屏，比如半導體前沿的砷化鎵銦，比如泛亞有色金屬交易所，比如我國是銦第一大產國……]

五、頂蓋的預處理

問題變得複雜了，有很多需要考慮的地方。

可以看到，實際的CPU頂蓋並不顯銅的顏色，這是因為銅的表面鍍了一層鎳。鎳在這裡主要起到擴散阻擋層（diffusion barrier）的作用，阻止銅原子的遷移。同時鎳也具有抗氧化、抗腐蝕、增強硬度與耐磨性的作用。

但是銦和鎳不太焊得來，為了結合得更緊密，又需要再來一層易潤濕（浸潤）的金屬，比如金、銀或鈀——都是些貴金屬。

金和銦比較容易形成合金，也是實際生產中的選擇：

六、釺料的預處理

銦表面的氧化層可用鹽酸處理。

銦必須有足夠的厚度（約1mm），避免在多次冷熱交替後出現裂痕。

七、晶元的預處理

如果將銦直接焊到硅上的話，銦將擴散入硅中，影響半導體性質乃至損壞晶元。所以需要在晶元表面再添一個阻擋層。

這個阻擋層包含的材料更為豐富：鈦、鎳和釩。

在阻擋層之上，為了與銦結合，又需要一層金。

[譯註：原文在行文順序上有一定迷惑性。銦在此處作為釺焊料並非出於其對銅與硅的良好潤濕性，而是其較低的熔點與良好的延展性，與金結合後焊接牢固（粘附極佳）。銦作為特殊焊料在集成電路領域有重要地位]

八、焊接前後的狀態

圖註：

頂蓋：鎳、銅、鎳、金

釺料：銦

晶元：金、鎳釩合金、鈦、硅

焊接的溫度控制在170 ℃左右。溫度過低會導致填隙不良，溫度過高會永久損壞CPU。

一些材料會在焊接過程中形成合金，焊接完畢後的結果如圖：

圖註：

鎳（20μm）、銅（2mm）、鎳（20μm）、銦鎳金合金（0.1μm）、

銦金合金（2.5μm）、銦（1mm）、銦金合金（0.5μm）、銦鎳金合金（2μm）、

鎳釩合金、鈦、硅

至此，頂蓋與晶元焊接完畢，大功告……成？

九、可能出現的問題

需要注意的是，在焊接頂蓋與晶元的同時，頂蓋與電路板也粘合固定了。銦在凝固過程中不可避免地要收縮，往往造成邊角的質地不均勻。

圖註：焊接後（下線成品，end-of-line）、中度的溫度循環後、劇烈的溫度循環後

劇烈的溫度循環（冷熱交替）對釺料造成了顯著影響，張力使其內部產生了空洞。

空洞降低了導熱性能並增加了熱阻（Rjc），最終將會出現微裂紋，通常從四角開始。

圖註：Crack 裂紋、Solder TIM 釺料（導熱界面焊料）、Die Corner 晶元的一角

此處一個溫度循環為-55 ℃至125 ℃，並各保持15分鐘。

在沒有鍍金層的情況下，數個溫度循環後即出現釺料脫層。

（在有鍍金層的情況下）200至300個溫度循環後開始出現微裂紋，對四角處的熱阻提升明顯。微裂紋將會不斷增多，直至其作為導熱界面材料的功能失效。

空洞與微裂紋對整體散熱的危害程度與焊接面積有關，較小的晶元面積（小於130 mm2）會受其影響十分顯著，而較大的晶元面積（大於270 mm2）則受影響甚微。

譯註

der8auer寫這篇文章的緣由非常有DIY精神：

• 他想給i7 6700K極限超頻；
• 他給6700K開了蓋，他想上液氮；
• 在低於-190 ℃的低溫下，液態金屬無法正常工作，甚至導熱膏也不能；
• 他開始查資料、學習、折騰，試圖把頂蓋焊到6700K上。

• 可喜的是，與頂蓋焊接後的6700K在常溫風冷下表現良好（跟液金差不多）；
• 可惜的是，在液氮下的測試失敗了，他「試圖尋找原因」但未見下文。

雖然沒有達到目標，卻也不白折騰，der8auer留下了這篇雄文，使得愛好者社群炸開了鍋，之後流傳甚廣，以至於Google搜索「cpu solder」或者「cpu soldering」出來的第一篇就是此文。

而關於Intel為何不再使用釺焊，文章自然也順著思路給出了答案：越來越小的晶元面積（die-size）和越來越薄的印製電路板（PCB）。

當然這個答案並不足以服眾，比如Reddit上的討論：

[Der8aur] Why doesn"t Intel solder CPUs? (It"s not just cost!) ? r/intel

The Truth about CPU Soldering ? r/hardware

有人傾向於技術原因，有人傾向於商業原因，眾說紛紜。而本文的重點在於CPU與頂蓋的焊接本身，便不多著墨。

釺焊——&>硅脂