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”），而他的資料來源于Intel在2006年發的文章：

以下是節選編譯。

一、為什么要有頂蓋？

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芯片（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（臺式機）直接安裝在芯片上，對小小的芯片施加壓力，有可能造成印制電路板（PCB）的變形，使其與主板CPU底座的連接不穩。頂蓋在這里起到了平攤壓力的作用。

二、有頂蓋的CPU大概是個什么結構？

圖1：C4倒裝片封裝

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，避免芯片的損壞。

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芯片。

三、頂蓋用什么材料來做？

銅是個不錯的選擇，導熱系數達到400 W/(m*K)，而價格不高。

四、拿什么把硅和銅焊接到一起？

圖2：原料硅 [powerguru.org]

[譯注：此節數據不一定準確]

硅和銅的性質差異很大，

1.硅的導熱系數不低，有150 W/(m*K)，而熱（線）膨脹系數較小，為2.6 μm/(m*K)；

2.銅的熱（線）膨脹系數達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。

圖3：Sn60Pb40 有鉛焊錫 [pollin.de]

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，有可能損壞芯片。

圖4：銦錠 [bloomfieldknoble.com]

幸運的是，有（且目前僅知）一種材料既能焊銅也能焊硅：銦。

1.銦在凝固時不會縮得太厲害，減小了問題（但問題依然存在）。

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

3.銦的延展性好，在頂蓋與芯片中間起到緩沖的作用，避免銅與硅熱脹冷縮程度不同造成的損壞。

4.銦的熔點約157 ℃，比常見的錫鉛合金低，比低溫回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：

1.銦暴露在空氣中會像鋁一樣形成一層氧化層；

2.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）。

3.視CPU尺寸而定，銦的原材料成本即達2-5美元。

[譯注：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

問題變得復雜了，有很多需要考慮的地方。

圖5：開蓋后的CPU [xtreview.com]

可以看到，實際的CPU頂蓋并不顯銅的顏色，這是因為銅的表面鍍了一層鎳。鎳在這里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：

圖6：鍍金的頂蓋，鍍層厚度約1-3 μm [overclocking.guide]

六、釬料的預處理

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后出現裂痕。

七、芯片的預處理

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芯片。所以需要在芯片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。

[譯注：原文在行文順序上有一定迷惑性。銦在此處作為釬焊料并非出于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，與金結合后焊接牢固（粘附極佳）。銦作為特殊焊料在集成電路領域有重要地位]

八、焊接前后的狀態

圖7：焊接前的各層材料 [overclocking.guide]

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，焊接完畢后的結果如圖：

圖8：焊接后的各層材料厚度 [overclocking.guide]

至此，頂蓋與芯片焊接完畢，大功告……成？

九、可能出現的問題

圖9：銦在凝固過程中對頂蓋與芯片的互相拉扯，夸張圖示 [Intel]

需要注意的是，在焊接頂蓋與芯片的同時，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10：溫度循環造成的釬料中的空洞 [Intel]

圖11：劇烈的溫度循環造成的微裂紋，照片總寬度約400μm [Intel]

圖12：在劇烈的溫度循環后，較小的面積下熱阻增加明顯 [Intel]

譯注

德國超頻達人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；

    在低于-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，與頂蓋焊接后的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，之后流傳甚廣，以至于Google搜索“cpu solder”或者“cpu soldering”出來的第一篇就是此文。

而關于Intel為何不再使用釬焊，文章自然也順著思路給出了答案：越來越小的芯片面積（die-size）和越來越薄的印制電路板（PCB）。

當然這個答案并不足以服眾，有人傾向于技術原因，有人傾向于商業原因，眾說紛紜。而本文的重點在于CPU與頂蓋的焊接本身，便不多著墨。