技术 | CPU与顶盖（IHS）是如何焊接的？来自德国超频达人的详细分析（图文详解）！

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” [dɛɐ̯ ˈbaʊ̯ɐ]，“农民”或“建造者”），而他的资料来源于Intel在2006年发的文章：

以下是节选编译。

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，

1.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 µm/(m*K)；

2.铜的热（线）膨胀系数达16.5 µm/(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。

1.铟在凝固时不会缩得太厉害，减小了问题（但问题依然存在）。

2.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)。

3.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。

4.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：

1.铟暴露在空气中会像铝一样形成一层氧化层；

2.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）。

3.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 µm [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]

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]

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11：剧烈的温度循环造成的微裂纹，照片总宽度约400µm [Intel]

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

德国超频达人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）。

当然这个答案并不足以服众，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。