来源 | Materials Science in Semiconductor Processing

链接 | https://doi.org/10.1016/j.mssp.2025.110314

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芯片散热卡脖子？铟基 TIM 的 “表面魔法” 破解封装难题

随着电子设备向高集成、高功率密度演进，散热可靠性成为决定器件性能与寿命的关键。在 FCBGA 封装中，铟基热界面材料（TIMs）凭借 82 W/(m・K) 的高导热性和优异延展性，成为理想选择。但实际应用中，芯片背面 Ti/Ni/Au 多层金属化结构里，超薄金层难以完全阻挡镍氧化，不仅会破坏铟的润湿性，还会导致界面金属间化合物（IMC）生长不均，产生空隙缺陷，严重影响散热效率与连接可靠性。传统解决方案或成本高昂，或难以应对多次高温回流后的性能衰减，如何通过简单有效的表面处理，让铟基 TIMs 稳定发挥散热潜力，成为封装行业亟待突破的难题。

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成果掠影

近日，中南大学朱文辉教授、汪炼成教授团队针对 FCBGA 封装中铟基热界面材料（TIMs）的应用痛点，提出氩氢（Ar+H₂）等离子体表面处理技术，核心成果如下：

·润湿性大幅提升：经九次高温回流后，铟基 TIM 在芯片表面的铺展率达 112.7%，较未处理样品提升 25.7%，且表面能从 28.25 mN/m 增至 72.50 mN/m，实现超亲水特性。

·界面质量显著优化：诱导形成均匀的（Ni, Au）₂₈In₇₂金属间化合物（IMC）层，root 均方粗糙度低至 0.44 μm，有效削弱 “钉扎效应”；Lid/In/BSM 三明治结构中，空隙率仅 1.1%，较未处理样品降低 39%。

·热可靠性稳步增强：热仿真显示，该处理使芯片峰值温度较纯氩等离子体处理样品降低超 45%，无论水溶性还是免清洗助焊剂体系，均能满足高可靠性封装的空隙率要求（平均 < 5%、最大单空隙 < 0.5%）。

·工业适用性强：工艺与现有封装生产线兼容，无需额外改造，为铟基 TIM 在 FCBGA 封装中的规模化应用提供了可行技术路径。

研究成果以“Influence of argon hydrogen plasma treatment on the wettability, void and high temperature reflow reliability of indium thermal interface material for FCBGA package” 为题，发表于《Materials Science in Semiconductor Processing》期刊。

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图文导读

图 1：BSM 芯片与铟热界面材料焊接前的工艺流程

图2：热处理后 BSM 芯片的特性：(a) 宏观表面形貌；(b) 三维表面形貌；(c) 截面 SEM 图像

图3：热处理后 BSM 芯片镀层的元素分布

图4：不同等离子体处理样品的分析流程

图5：不同表面处理的元素组成比例及 XPS 全谱图：(a) 元素组成；(b) XPS 全谱

图6：不同表面处理的 XPS 谱图：(a) Au 4f 谱图；(b) Ni 2p 谱图；(c) O 1s 谱图；(d) C 1s 谱图

图7：不同表面处理的表面性能：(a) 接触角；(b) 表面能（含极性分量与色散分量）

图8：不同表面处理后 BSM 芯片镀层的 SEM 图像：(a)-(a-i) 无等离子体处理样品；(b) (a-i) 中 1 号位置的 EDS 元素分析；(c)-(c-i) Ar 等离子体处理样品；(d)-(d-i) Ar+H₂等离子体处理样品

图 9：不同表面处理后 BSM 芯片镀层的颗粒尺寸分布直方图及累积频率曲线：(a) 无等离子体处理；(b) Ar 等离子体处理；(c) Ar+H₂等离子体处理

图 10：水溶性助焊剂体系下不同表面处理样品的铺展形貌光学显微镜图像：(a-i)-(a-iii) 无等离子体处理样品（1/3/9 次高温回流后）；(b-i)-(b-iii) Ar 等离子体处理样品（1/3/9 次高温回流后）；(c-i)-(c-iii) Ar+H₂等离子体处理样品（1/3/9 次高温回流后）

图 11：免清洗助焊剂体系下不同表面处理样品的铺展形貌光学显微镜图像：(a-i)-(a-iii) 无等离子体处理样品（1/3/9 次高温回流后）；(b-i)-(b-iii) Ar 等离子体处理样品（1/3/9 次高温回流后）；(c-i)-(c-iii) Ar+H₂等离子体处理样品（1/3/9 次高温回流后）

图 12：不同表面处理样品在不同助焊剂体系下的铺展率演变：(a) 水溶性助焊剂样品；(b) 免清洗助焊剂样品

图 13：等离子体作用与助焊剂行为示意图：处理后镀层改性及氧化物去除机制(a-i) Ar 等离子体（物理轰击）；(a-ii) Ar 等离子体（氧化作用）；(b-i) Ar+H₂等离子体（物理轰击）；(b-ii) Ar+H₂等离子体（氧化作用）；(c) Ar 等离子体（助焊剂氧化物溶解）；(d) Ar+H₂等离子体（助焊剂氧化物溶解）

图 14：1 次高温回流后样品界面的 IMC（金属间化合物）形貌

图 15：3 次高温回流后样品的截面微观结构：(a) 水溶性助焊剂体系 - 无等离子体处理；(b) 水溶性助焊剂体系 - Ar 等离子体处理；(c) 水溶性助焊剂体系 - Ar+H₂等离子体处理；(d) 免清洗助焊剂体系 - 无等离子体处理；(e) 免清洗助焊剂体系 - Ar 等离子体处理；(f) 免清洗助焊剂体系 - Ar+H₂等离子体处理

图16：3 次高温回流后样品的 IMC 特征参数统计：(a) 平均厚度；(b) 均方根粗糙度（Rrms）；(c) 平均间距（λave）

图17：9 次高温回流后样品芯片区域的 X 射线图像

图18：不同表面处理样品在不同助焊剂体系下的空隙率：(a) 平均空隙率；(b) 最大空隙率

图19：封装结构与仿真模型：(a) 封装截面材料层；(b) 网格划分后的计算模型；(c) 封装三维结构示意图

图20：9 次高温回流后样品芯片区域的温度场分布

图21：9 次高温回流后样品芯片表面的温度对比