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标题: CPU与顶盖（IHS）是如何焊接的？ [打印本页]

作者: wyo315 时间: 2017-11-20 15:24
标题: CPU与顶盖（IHS）是如何焊接的？
CPU与顶盖（IHS）是如何焊接的？

作者: any941 时间: 2017-11-20 15:24
我一时兴起Google出来篇文章，而相关内容似乎搜不到中文，遂手痒欲翻译一部分，而我又不泡论坛，便跑来知乎自问自答一下>_<

The Truth about CPU Soldering - Overclocking.Guide
这篇文章来自德国的超频达人、开盖狂魔der8auer（名称来自德文“der Bauer” [d ba]，“农民”或“建造者”），而他的资料来源于Intel在2006年发的文章：

The Material Optimization and Reliability Characterization of an Indium-Solder Thermal Interface Material for CPU PackagingPDF：
https://pdfs.semanticscholar.org/40fe/11ccc30fcdac3d2c38cb65b42f112f040558.pdf
http://sci-hub.cc/10.1007/s11837-006-0186-6
相关专利：https://www.google.com/patents/US8242602

以下是节选编译。由于本人对半导体与制造领域知之甚少，部分专业名词也未见统一的译法，如有谬误还请指出^_^
一、为什么要有顶盖？

CPU的顶盖被称为集成散热器（Integrated Heat Spreader，IHS），从名字就能看出来，它是帮助CPU散热的。CPU芯片（die，常被称为裸片、核心）的表面积很小而发热却不小，需要有效地把热量传导出去。
另一个问题是，如果CPU散热器（台式机）直接安装在芯片上，对小小的芯片施加压力，有可能造成印制电路板（PCB）的变形，使其与主板CPU底座的连接不稳。顶盖在这里起到了平摊压力的作用。

二、有顶盖的CPU大概是个什么结构？

图1：C4倒装片封装不同的材料热胀冷缩的程度不同，底部填充胶起到了必要的固定作用，避免芯片的损坏。
顶盖通过黏合剂固定在电路板上，这种固定不是死的，使其可以有限地热胀冷缩而不损坏芯片。

三、顶盖用什么材料来做？

铜是个不错的选择，导热系数达到400 W/(m*K)，而价格不高。

四、拿什么把硅和铜焊接到一起？

图2：原料硅 [powerguru.org][译注：此节数据不一定准确]

硅和铜的性质差异很大，
硅的导热系数不低，有150 W/(m*K)，而热（线）膨胀系数较小，为2.6 m/(m*K)；
铜的热（线）膨胀系数达16.5 m/(m*K)，是硅的6倍多，也就是说，铜的热胀冷缩更为明显。

对铜的焊接很常见，比如焊电路板时常用的锡焊。

图3：Sn60Pb40 有铅焊锡 [pollin.de]可是我们遇到了问题：焊锡和硅焊不到一起。
另一个麻烦是，焊锡在凝固的过程中会收缩，有可能损坏芯片。

图4：铟锭 [bloomfieldknoble.com]幸运的是，有（且目前仅知）一种材料既能焊铜也能焊硅：铟。
与此同时，铟在凝固时不会缩得太厉害，减小了问题（但问题依然存在）。
铟的导热系数不如铜高，但也达到了 81.8 W/(m*K)，而一般的导热膏只有5~10 W/(m*K)。
此外，铟的延展性好，在顶盖与芯片中间起到缓冲的作用，避免铜与硅热胀冷缩程度不同造成的损坏。
铟的熔点约157 ℃，比常见的锡铅合金低，比低温回流焊用的锡铋合金高。

铟可真棒不是吗？但是用铟也有一些要考虑的地方：
铟暴露在空气中会像铝一样形成一层氧化层；
铟的全球年产量不到1000吨（金有3000吨），十分稀有而昂贵（2014年约800美元/千克）。
视CPU尺寸而定，铟的原材料成本即达2-5美元。

[译注：铟在科技领域应用广泛，最大的用途是液晶屏的生产。铟的故事还很多，比如液态金属，比如IGZO显示屏，比如半导体前沿的砷化镓铟，比如泛亚有色金属交易所，比如我国是铟第一大产国……]

五、顶盖的预处理

问题变得复杂了，有很多需要考虑的地方。

图5：开盖后的CPU [xtreview.com]可以看到，实际的CPU顶盖并不显铜的颜色，这是因为铜的表面镀了一层镍。镍在这里主要起到扩散阻挡层（diffusion barrier）的作用，阻止铜原子的迁移。同时镍也具有抗氧化、抗腐蚀、增强硬度与耐磨性的作用。

但是铟和镍不太焊得来，为了结合得更紧密，又需要再来一层易润湿（浸润）的金属，比如金、银或钯——都是些贵金属。
金和铟比较容易形成合金，也是实际生产中的选择：

图6：镀金的顶盖，镀层厚度约1-3 m [overclocking.guide]六、钎料的预处理

铟表面的氧化层可用盐酸处理。
铟必须有足够的厚度（约1mm），避免在多次冷热交替后出现裂痕。

七、芯片的预处理

如果将铟直接焊到硅上的话，铟将扩散入硅中，影响半导体性质乃至损坏芯片。所以需要在芯片表面再添一个阻挡层。
这个阻挡层包含的材料更为丰富：钛、镍和钒。
在阻挡层之上，为了与铟结合，又需要一层金。

[译注：原文在行文顺序上有一定迷惑性。铟在此处作为钎焊料并非出于其对铜与硅的良好润湿性，而是其较低的熔点与良好的延展性，与金结合后焊接牢固（粘附极佳）。铟作为特殊焊料在集成电路领域有重要地位]

八、焊接前后的状态

图7：焊接前的各层材料 [overclocking.guide]

图注：
顶盖：镍、铜、镍、金
钎料：铟
芯片：金、镍钒合金、钛、硅

焊接的温度控制在170 ℃左右。温度过低会导致填隙不良，温度过高会永久损坏CPU。

一些材料会在焊接过程中形成合金，焊接完毕后的结果如图：

图8：焊接后的各层材料厚度 [overclocking.guide]

图注：
镍（20m）、铜（2mm）、镍（20m）、铟镍金合金（0.1m）、
铟金合金（2.5m）、铟（1mm）、铟金合金（0.5m）、铟镍金合金（2m）、
镍钒合金、钛、硅

至此，顶盖与芯片焊接完毕，大功告……成？

九、可能出现的问题

图9：铟在凝固过程中对顶盖与芯片的互相拉扯，夸张图示 [Intel]需要注意的是，在焊接顶盖与芯片的同时，顶盖与电路板也粘合固定了。铟在凝固过程中不可避免地要收缩，往往造成边角的质地不均匀。

图10：温度循环造成的钎料中的空洞 [Intel]

图注：焊接后（下线成品，end-of-line）、中度的温度循环后、剧烈的温度循环后

剧烈的温度循环（冷热交替）对钎料造成了显著影响，张力使其内部产生了空洞。
空洞降低了导热性能并增加了热阻（Rjc），最终将会出现微裂纹，通常从四角开始。

图11：剧烈的温度循环造成的微裂纹，照片总宽度约400m [Intel]

图注：Crack 裂纹、Solder TIM 钎料（导热界面焊料）、Die Corner 芯片的一角

此处一个温度循环为-55 ℃至125 ℃，并各保持15分钟。
在没有镀金层的情况下，数个温度循环后即出现钎料脱层。
（在有镀金层的情况下）200至300个温度循环后开始出现微裂纹，对四角处的热阻提升明显。微裂纹将会不断增多，直至其作为导热界面材料的功能失效。

空洞与微裂纹对整体散热的危害程度与焊接面积有关，较小的芯片面积（小于130 mm）会受其影响十分显著，而较大的芯片面积（大于270 mm）则受影响甚微。

图12：在剧烈的温度循环后，较小的面积下热阻增加明显 [Intel]译注

der8auer写这篇文章的缘由非常有DIY精神：

他想给i7 6700K极限超频；
他给6700K开了盖，他想上液氮；
在低于-190 ℃的低温下，液态金属无法正常工作，甚至导热膏也不能；
他开始查资料、学习、折腾，试图把顶盖焊到6700K上。

可喜的是，与顶盖焊接后的6700K在常温风冷下表现良好（跟液金差不多）；
可惜的是，在液氮下的测试失败了，他“试图寻找原因”但未见下文。

虽然没有达到目标，却也不白折腾，der8auer留下了这篇雄文，使得爱好者社群炸开了锅，之后流传甚广，以至于Google搜索“cpu solder”或者“cpu soldering”出来的第一篇就是此文。

而关于Intel为何不再使用钎焊，文章自然也顺着思路给出了答案：越来越小的芯片面积（die-size）和越来越薄的印制电路板（PCB）。

6700K vs. 4770K当然这个答案并不足以服众，比如Reddit上的讨论：
[Der8aur] Why doesn't Intel solder CPUs? (It's not just cost!) r/intel
The Truth about CPU Soldering r/hardware
有人倾向于技术原因，有人倾向于商业原因，众说纷纭。而本文的重点在于CPU与顶盖的焊接本身，便不多着墨。

作者: aHNtCqDM 时间: 2017-11-20 15:24
为了方便玩家的动手欲望，我大英特尔都是用牙膏！

作者: qinger0912 时间: 2017-11-20 15:24
钎焊——>硅脂

这是技术的进步，

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