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金锡焊料特性与应用
上传更新:2022-03-28

转自秦岭农民

1 金锡焊料

金(Au),是一种贵金属,自然资源比较贫乏,其表面具有黄色光泽,原子有很大的原子间力和最大的堆积密度。金的抗氧化性能优良,延展性非常好。金对焊料润湿也很好,所以常用于电子产品的表面镀层。

锡Sn是银白色金属,锡锭表面因生成氧化物薄膜而成珍珠色。锡相对较软,具有良好的展性,但延性很差。锡在金属表面很容易润湿,所以常作为焊料的组成部分或者直接制成锡丝,锡片等纯锡焊料。

表1金与锡的物理性能

金锡的物理性能

参数

原子序数

79

50

晶体结构

面心立方

正方晶系

密度(g/cm3)

19.3

7.3

维氏硬度(Mpa)

330-350

1.5莫氏

弹性模量(Mpa)

78740

 

抗拉强度(Mpa)

230

 

延伸率(%)

4

 

电阻率(10-6 Ω.cm)

2.2

11.5

熔点(℃)

1064.58

231.96

沸点(℃)

2877

2270

Au 是IB族元素,Sn是IV A族元素,Au和Sn的扩散机制是间隙机制,所以扩散速度很快。Au和Sn的化合物存在多种金属间化合物,它们分别是 β(Au10Sn),ζ′(Au5Sn),ζ,δ(AuSn),ε(AuSn2),η(AuSn4) 。如下图1

图1 Au/Sn合金相图

80Au:20Sn(质量比)是金锡共晶合金焊料,是金锡合金中熔点最低的,它具有优良的焊接工艺性能和焊接接头强度。熔点为280℃。Au80Sn20焊料在常温下的微观组织为AuSn和Au5Sn的共晶组织。固态下的金锡合金均没有出现单质的锡或者金,而是以不同的金锡金属间化合物的混合组织出现,因此,原则上讲金锡合金的化学性质与纯金类似,非常稳定,不易被氧化和腐蚀。且AuSn和Au5Sn都是硬脆相,所以该焊料脆性大。金锡共晶合金的密度为14.52g/cm3。

 

2 金锡焊料特性

共晶的金80%锡20%钎焊合金(熔点280℃)用于半导体和其他行业已经多年。由于它优良的物理性能,金锡合金已逐渐成为用于光电器件封装最好的一种钎焊材料。金锡共晶合金焊料具有许多优越的性能,包括低的熔点却又较高的强度,可保证焊接可靠性,良好的抗热疲劳性能,可放防止因为温度循环产生疲劳断裂,可以在气候变化恶劣的条件下使用,良好的抗氧化性能,优秀的漫流性能,以及较高的热导率等。下表2为金锡合金常温下的物理性能。

表2 常温20℃金锡物理性能参数

 

2.1 焊接温度适合

金锡共晶焊料在共晶点位置熔点为280℃,焊接温度约300~310℃ 仅比其熔点高出20~30℃。在钎焊过程中,基于合金的共晶成分,很小的过热度就可使合金熔化并浸润;合金的凝固过程很快。因此,金锡合金的使用能够大大缩短整个钎焊过程。金锡合金的钎焊温度范围适用于对稳定性要求很高的元器件组装。同时,这些元器件也能够承受随后在相对低一些的温度利用无铅焊料的组装。这些焊料的组装温度大约在260℃。同时共晶金锡焊料(Au80Sn20)提供的温度工作范围高达200℃。表3为常用的预成型焊料的熔点或熔化温度区间。

表3为几种焊料的熔点参数

 


2.2 焊接强度高

AuSn20作为共晶合金,有着细小均匀的晶格、很高的强度的特征。同时AuSn20焊料的高温焊接强度也比较高,因而能够耐受热冲击、热疲劳,能够在250-260℃温度下,它的强度也能够胜任器件气密性要求。AuSn20焊料的高强度以及填充空隙优良的特性,有效保证了封装的气密性和可靠性。不同焊料焊接7~10um镀金层工件的剪切强度对比如下表4。

表4 低温焊料接头强度

焊料成分wt%

接头剪切强度Mpa

SnPb37

26.7

InPb15Ag5

13.9

PbAg1.5Sn1.0

21

InBi3.5

40

SnCd32

17.8

InAg10

7.7

AuSn20

47.5

BiPb43.5

11.9

从上表可以看到AuSn20的焊接强度为47.5MPa,比SnPb37的焊接接头剪切强度26.7MPa要高出许多。所以AuSn20焊料在封装电子产品中具有很好的寿命和可靠性。


2.3 导热率高

表5 常用焊料的导热系数

AuSn20的热导率为57W/m·k,在软钎料中属于较高水平,当同样的厚度焊料情况下,热阻就小,因此焊接的器件具有良好的导热性能。尤其对一些功率器件,驱动芯片,激光器芯片,LED芯片,控温芯片和对导热与散热有高要求的场合,热流可通过金锡焊料传导给热沉,形成快速传热通道。

 

2.4 低粘滞性

金锡共晶合金焊料处于共晶点成本,熔化后流动性能好,能够快速的填充焊接间隙,保证了焊接的气密性。尤其对于气体保护器件如激光器的稀有气体保护,或者MEMS真空器件的真空度保证。

 

2.5 无需助焊剂

暴露在金属表面很容易生成氧化膜,这种氧化膜能组织焊锡对焊接金属的浸润作用。使用助焊剂可以去除氧化膜,使得焊接更可靠,焊点表面光滑圆润。但是助焊剂的使用残留导致使用场合受到限制,一些需要密封的器件就不允许使用这类助焊剂。AuSn20合金成份中金占了很大的比重(80%),材料表面的氧化程度较低。如果在钎焊过程中采用真空,戒还原性气体如氮气和氢气的混合气,就不必使用化学助焊剂。

 

2.6 浸润性良好

具有良好的且对镀金层无铅锡焊料的浸蚀现象,金锡合金不镀金层的成分接近,因而通过扩散对很薄镀层的浸溶程度很低,也没有银那样的迁徙现象。AuSn20焊料可直接在镀金层上焊接,他对镀金焊盘的熔蚀很小,因此镀金不会被共晶的金锡焊料溶掉而导致次表层外露并与焊料发生不可预测的焊料反应。这个特性技术是我们常说的“不吃金”。

 

2.7 抗蠕变性能和抗疲劳性能

由于金锡共晶合金具有较高的杨氏模量,所以合金的抗蠕变性能和抗疲劳性能也很优良。对于军工电子产品,这些产品往往要经受温度的循环变化和应力的循环变化,为了保证器件工作的正常运行,采用金锡焊料,可以有效的防止蠕变和疲劳引起的焊点失效。

 

2.8 不足

金锡合金(Au-Sn)焊料的不足之处:

AuSn20焊料的不足之处是它的价格较贵,性能较脆,延伸率很小,不易加工。此外,由于熔点较高,不能与低熔点焊料同时焊接。只能被应用在芯片能够经受住短暂高于300℃的场合。

金锡合金的熔点在共晶温度附近对成分非常敏感,当金的重量比大于80%时,随着金的增加,熔点急剧提高。而被焊件往往都有镀金层,在焊接过程中镀金层的金扩散进焊料。在过厚的镀金层、过薄的焊盘、过长的焊接时间下,会使扩散进焊料的金增加,而使熔点上升。

 

3 金锡合金焊料的制作方法

金锡焊料在电子和光电子行业应用广泛,其主要使用形式有:焊料薄膜、焊膏以及预成型焊片等。金锡合金的制作方法主要有如下几种:

表6金锡焊料的制作方法

4 金锡合金焊料的应用

AuSn20 除了用于芯片与基板的焊接连接外,还可以广泛应用于多种芯片的气密封装。如在微电子芯片封装,光芯片封装等。

 

4.1 芯片封装

对一些高功率或者气密封装芯片一般需要将芯片焊接在基板上。在这种情况下,主要考虑焊料的重新填充和焊料的高导热性能。另外金锡合金的杨氏模量高,即使在很薄(5~25um)情况下,也可以保证凭证行和稳定的抗弯性。增加了芯片焊接的可靠性。在一些需要控制温度恒定的器件,如高速通信激光器件,其焊接激光器芯片所需要用到的也是金锡,焊接过程中焊层内没有气孔降低了焊接点的热阻。从而提高了导热性能。

图2 金锡芯片焊接

 

4.2 器件盖板封装

典型应用情况是MEMS传感器的气密封装,一般说来MEMS有源器件芯片非常的灵敏,在使用的过程中直接与环境中空气接触会污染感受器而造成测试数据产生偏差而失效,所以MEMS封装都要求有很高的气密性。如下图3 MEMS器件管壳与盖板预置焊料环。


 

图3 MEMS器件与盖板

图4为陶瓷管壳的周围镀上了一周的金锡焊料,通过平行缝焊对连接处进行局部加热焊接,不会影响到已经封装好的有源器件芯片。也可采用夹具夹持进行整体回流焊接(或者采用真空回流焊接)。在平行缝焊过程中金锡焊片受热熔化与陶瓷表面金属紧密结合。

图4 芯片封装管壳


4.3晶圆键合

金锡共晶键合工艺中,金属焊料直接和 Si 晶圆片接触焊接时,由于材料性质差异过大,会存在吸附性差、热应力大等问题。为了提高键合的质量和可焊接性,通常会在焊料与晶圆片之间加入过渡层金属。一般镀层金属与焊料之间会发生两个方面的相互作用,第一个方面:镀层金属溶解到焊料之中;第二个方面:镀层金属与焊料结合发生界面反应,在界面处生成金属间化合物(IMC)。常用的共晶合金焊料如表7 所示,材料诸如 Au、Al、Cu 等已经广泛应用于半导体工艺中,建立了成熟的加工和沉积镀膜体系,其中最常见的共晶合金为 Au-Sn 合金。共晶焊料选用金锡焊料(Au80Sn20),金属化层根据相应的工艺沉积方式选择适合的金属膜系。

 

图5 晶圆级封装工艺过程示意图

表7共晶合金焊料

 


5 总结

总之金锡焊料共晶点为280℃(556℉),具有优良的导电、导热及耐蚀性能,力学性能优异,已在军工、航空航天、医疗等高可靠性要求领域广泛应用。金锡焊料还可用于阶梯回流焊接过程中的第一级回流焊接,可避免在后续低温回流过程中的焊点熔化。非常适合应用于微型光电器件的高可靠性封装及大功率器件的高导热封装。

 

 

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