金錫合金焊料應用進展
2019-09-17 18:51:54
知識庫
15276
【環球SMT與封裝】特約稿
吳懿平 博士
廣州先藝電子科技有限公司 技術總監
華中科技大學 連接與電子封裝中心 教授/博導
【摘要】AuSn20合金焊料因其高熔點及免助焊劑等性能而被廣泛應用于光電子封裝和微電子封裝領域。本刊曾專稿介紹過預成型焊片的相關內容，為預成型焊片的普及應用做了些基礎性工作。經過幾年的應用實踐，金錫合金焊料又有了新的發展和更多的應用形式。為此，本文再將以金錫合金焊料的應用為主題，向讀者介紹AuSn20合金焊料薄膜、金錫焊膏、金錫預成型焊片等的相關制備和應用；介紹AuSn20合金焊料在氣密封蓋、管殼焊接及芯片封裝等領域的焊接技術。
【關鍵詞】金錫合金、金錫焊料薄膜、氣密性封裝、預成型焊片
1 引言
電子封裝材料是電子封裝技術的重要支撐，其中焊料是釬焊工件時用來填充連接處間隙使工件牢固結合的填充材料。焊料的可焊性、熔點、強度、楊氏模量、熱膨脹系數等均可影響釬焊連接的質量。所以合適的焊料是活的可靠性封裝和連接的關鍵。熔點為280°C的共晶Au80Sn20合金焊料具有高強度、高熱導率、免助焊劑等優異性能，且對鍍金層焊盤有天然的適應性，因此是各種高端器件、光電子器件和功率電子器件的理想封裝材料。在原創性的器件研發發過程中，金錫共晶焊方案也成為首選的工藝方案。本刊曾專稿介紹過預成型焊片的相關內容，為預成型焊片的普及應用做了些基礎性工作。經過幾年的應用實踐，金錫合金焊料又有了新的發展和更多的應用形式。為此，本文再將以金錫合金焊料的應用為主題，向讀者介紹AuSn20合金焊料薄膜、金錫焊膏、金錫預成型焊片等的相關制備和應用；介紹AuSn20合金焊料在氣密封蓋、管殼焊接及芯片封裝等領域的焊接技術。
2 金錫相圖及其性能
2.1 相圖
我們通常是通過相圖來了解合金的基本性能的。從圖1中可以看出金錫二元合金相圖很復雜，其間有多種金屬間化合物，分別為：β(Au10Sn)，ζ′(Au5Sn)，ζ，δ(AuSn)，ε(AuSn2)，η(AuSn4)。共晶金錫合金是Au：Sn重量比為80：20的合金，該成分合金制備的焊料業界常稱之為AuSn20焊料，熔點為280°C。
圖1 Au-Sn二元合金相圖
焊接時，液態的共晶金錫合金焊料在280°C發生共晶反應（L→ξ+AuSn）而凝固。進一步冷卻后，ξ相中的Sn含量不斷減少，析出富錫相AuSn，最后在190°C發生共析反應ξ+AuSn→Au5Sn。經過杠桿原理計算計得出AuSn相占36.4%（質量百分數），Au5Sn相占63.6%（質量百分數）。所以AuSn20焊料在常溫下的微觀組織為AuSn和Au5Sn的共晶結構。應該指出的是，固態下的金錫合金均沒有出現單質的錫或者金，而是以不同的金錫金屬間化合物的混合組織出現，因此，原則上講金錫合金的化學性質與純金類似，非常穩定，不易被氧化和腐蝕。但是，金與錫形成的金屬間化合物（IMC）都是脆相，所以固態下的金錫合金都具有極大的脆性，較難用常規方法加工成型。
2.2 金錫合金的性質
金錫共晶合金釬料由于具有許多良好的物理特性，使其具有很多優異的釬焊性能，如釬焊溫度適中、無需助焊劑、良好潤濕性、低粘滯性、釬焊強度高、導熱性能好等。其物理性質如表1。
表1 共晶金錫合金的性能
AuSn20屬于硬質釬料，室溫下合金釬料在的屈服強度很高，即使在250-260°C的高溫時，其強度仍然可以滿足器件氣密性的要求。AuSn20的焊接強度為47.5MPa，比過去常用SnPb37的焊接接頭剪切強度26.7MPa要高出許多。同時AuSn20焊料的高溫焊接強度也比較高，因而能夠耐受熱沖擊、熱疲勞，能夠在高溫環境或者溫度變化幅度大的環境下使用。 AuSn20的熔點為280°C，推薦的釬焊溫度高于熔點30~50°C左右。這個溫度比較接近于傳統電子制造業廣泛應用于芯片焊接的高鉛焊料，而高鉛焊料使用工藝非常的成熟，所以AuSn20這個熔點非常的適合作為電子焊接材料。在焊接過程中，基于合金的共晶成分，很小的過熱度就能使合金熔化并潤濕器件。另外，金錫共晶合金的凝固過程進行得也很快，因此使用AuSn20可以大大縮短整個焊接過程周期。
AuSn20具有良好的漫流性。在280°C熔點附近很小的一個范圍內可以完全熔化成流動性很好的液態，因而具有很小的粘滯性，能夠迅速熔化并充滿待焊間隙，保證焊接的密封性。
AuSn20的熱導率為57W/m·k，在軟釬料中屬于較高水平，因此用AuSn20焊接的器件具有良好的導熱性能。激光器、功率電子器件和對導熱與散熱有高要求的場合，熱流可通過金錫焊料傳導給熱沉，形成快速傳熱通道。
AuSn20焊料合金的抗氧化性能優良，在空氣中焊接時材料表面氧化程度較低，可以得到可靠的焊接接頭。對于高可靠性電子器件特別是軍用電子器件，在焊接過程中采用真空，或還原性氣體如氮氣和氫氣的混合氣，氧化程度更低，焊接接頭的可靠性更高。AuSn20是一種無需化學助焊劑的清潔環保的焊接材料。
AuSn20焊料可以直接在鍍金層上焊接，對鍍金焊盤的擴散腐蝕很小（俗稱“不吃金”），因此焊接過程中無需考慮鍍金層下的材料構成。
AuSn20除了以上幾個優點之外，還有抗蠕變和抗疲勞性能很好等等。
金錫共晶合金焊料最大的缺點就是應用成本較高（金含量太高），且成形加工極為困難。
3 金錫焊料成形與應用形態
3.1 預鍍焊料薄膜
金錫焊料應用廣泛，其主要使用形式有：焊料薄膜、焊膏以及預成型焊片等。
AuSn20薄膜是AuSn20釬料的重要形態，通常沉積在陶瓷、鎢銅等高導熱基體上，厚度一般為3~6μm。AuSn20薄膜制備方法有蒸發法、電鍍法和濺射法。
電子束蒸發鍍膜是采用高能量電子束轟擊坩堝內的待蒸發材料，使材料的原子或分子獲得能量后從坩堝內蒸鍍出來，沉積在基體材料上。電子束蒸鍍制備金錫焊料薄膜分兩種情況：一是交替分層蒸發金/錫金屬層，經熱處理后得到金錫焊料薄膜；二是同時蒸發金、錫金屬實現共沉積。電子束蒸鍍工藝效率較高，制備的釬料純度高，但由于蒸發過程中金屬粒子行進的方向性弱，因此真空膛內壁也將被覆蓋，導致材料利用率較低。
交替蒸發金錫焊料的過程：交替沉積金、錫金屬，形成符合一定比例的原子層，然后經退火處理，使金、錫之間相互擴散，最終形成具有較高一致性金錫焊料層。不同的結構參數和不同的沉積條件導致合適的退火溫度從200°C至350°C不等。圖2為交替蒸發金錫焊料沉積層的結構示意圖。這種方法制備的金錫薄膜后續需要熱處理才能實現薄膜合金化，薄膜成分及均勻性不易控制。
圖2 交替蒸發金錫焊料沉積層結構
與交替蒸發法不同，共沉積蒸發法是同時沉積金、錫兩種金屬，可以不借助熱處理而實現原位合金化。但由于沉積速率不易控制，要得到接近共晶成分的金錫薄膜十分困難。
電鍍金錫焊料由于其便捷性和經濟性研究越來越廣泛。同樣電鍍方法也分成兩個方面 ：電鍍金錫多層結構和電鍍金錫共晶。電鍍金錫多層結構和交替蒸發金錫焊料過程類似，基底在金電鍍液和錫電鍍液之間進行交替，電鍍完成后,需要在共晶溫度以上進行熱處理。電鍍沉積的一個優點是可以通過光刻膠實現局部電鍍。這使得昂貴的金錫焊料的使用率更高，且可以制備各種形狀的釬料層，但釬料層厚度難以控制。使用掛鍍，厚度均勻性可控制在±10%范圍內；用噴鍍，度均勻性可控制在±5%以內。要獲得精確的鍍層厚度較困難。
在添加一定螯合劑的情況下能夠實現金錫共晶電鍍，簡化電鍍工藝，但電鍍條件控制嚴格，其電流密度需要精確控制，因此對鍍液的長期穩定性要求高。
濺射AuSn20薄膜有兩種方式，一種是分別使用Au靶和Sn靶進行雙靶濺射鍍膜，另外一種是使用AuSn20合金靶單靶濺射。雙靶濺射需要金層錫層交替濺射，單靶合金靶濺射需控制基片溫度，以避免靶材表面由于元素擴散帶來的成分變化。
3.2金錫焊膏
金錫合金焊膏是由金錫合金粉末和助焊劑組成，具有適應性強、適合結構復雜工件的裝配等特點。通常采用印刷方式將其批量分配至各焊盤，將元器件一一對應至相應的焊盤上，通過回流焊的方式就可實現多點批量焊接接頭。相同使用條件下，金錫焊膏的鋪展性優于箔材，其原因主要在于焊膏中的助焊劑含有活性劑等物質能有效去除釬料及母材表面的氧化物，同時熔融的助焊劑漂浮在釬料表面，在阻止金錫合金進一步氧化的同時改變了界面張力狀態，降低了熔化釬料的表面張力。使用金錫焊膏印刷焊點的用量可以嚴格控制，但焊后助焊劑可能有殘留，不適用于有空腔、無助焊劑污染的場合。
釬料合金粉約占金錫焊膏總重量的85-95%，是焊膏的主體部分。釬料合金粉的制備方法有霧化法、離心霧化法和超聲霧化法。霧化法是利用氮氣、氦氣、水等高壓霧化介質獲得較高的動能，通過撞擊熔融金屬使其破碎成小液滴，小液滴在飛行過程中冷卻凝固，從而獲得釬料合金粉。該方法技術成熟且產量高，但生產出的粉衛星球多，單爐次生產成本高，已不適合高品級釬料粉的生產。離心霧化法是在高速旋轉的圓盤上，金屬液滴由于離心力而破碎成為小顆粒，然后快速冷卻凝固成一定尺寸的釬料合金粉，該方法適合微細釬料粉的大批量生產，隨著SMT組裝技術和無鉛化技術的快速發展，離心霧化已成為制備釬料合金粉的主流技術。超聲霧化是利用超聲高頻振動使液態金屬形成微細霧滴，該方法生產的釬料粉形貌好，適合多品種小規格生產。
除此以外，還可以使用機械合金化制備AuSn20合金粉末。機械合金化工藝是將Au粉和Sn粉按照共晶成分混合，放入球磨機中進行高能球磨。Au-Sn 混合粉末體系在高能球磨過程中由于瞬時界面溫升而誘發了化學反應，生成各種金屬間化合物。隨球磨時間的增加，AuSn20的合金化程度增加，組織中的單質Au逐漸減少，金屬間化合物逐漸增多，并由ε相（AuSn2）+δ相（AuSn）逐漸轉變為δ相（AuSn）+ζ′相（Au5Sn），最終的合金組織基本上為δ相（AuSn）和ζ′相（Au5Sn）所組成。
3.3金錫預成型焊片
金錫預成型焊片可以在焊料形狀設計時，通過厚度和寬度等參數，精確控制分配焊料在焊接的不同位置的焊料量，適應對裝配要求高的焊接場合。金錫預成型焊片的焊接工藝通常是在保護氣氛中進行，在此種條件下，可以免除助焊劑的使用，從而也免除了清洗過程。經過合理設計的預成型焊料通常能以最小的成本形成很好的焊接效果，使焊接接頭獲得很高的電學性能和焊接成品率，所以預成型焊料焊接工藝是高可靠、高導熱封裝的理想焊接工藝。
雖然國內外申請的相關金錫合金焊料的制造工藝專利不少，但在這些工藝中比較典型、有實際應用價值和比較適合工業生產焊片的工藝大致可以歸為鑄造拉拔工藝和疊層工藝。疊層工藝采用多層復合技術，將分別預處理過、軋至一定厚度的金帶和錫帶，按照Au/Sn/Au…/Sn/Au的方式，彼此相間層疊在一起，預壓成復合坯料，再冷軋成所需規格的箔材，沖裁出焊片。熔鑄增韌工藝是將Au和Sn熔煉成鑄錠，然后經過熱軋、拉拔、沖裁等工藝，制備出箔材、焊片或絲材，制備過程中通過增韌退火提高合金韌性以保證后續加工的連續性。
表2 幾種金錫合金焊料制備方法比較
金錫焊料對于那些精度要求高、機械性能好、導熱導電性能優良、可靠性高的應用來說是最好的選擇。這些應用包括氣密性封裝、光電子封裝工藝中的射頻和隔直流粘接、功率激光二極管管芯粘接等。4 金錫焊料的應用
4.1 氣密性封裝
氣密封蓋中最常用的封裝工藝是平行縫焊工藝，具體封裝示意圖如圖3所示。封裝時，首先將陶瓷外殼與蓋板的結合處鍍上金屬層（一般為金/鎳鍍層），以保證焊料的潤濕性，然后將有源器件芯片封裝到陶瓷外殼里面，在蓋板與外殼之間放置金錫預成型焊料，通過平行縫焊對連接處進行局部加熱焊接，不會影響到已經封裝好的有源器件芯片。也可采用夾具夾持進行整體回流焊接（或者采用真空回流焊接）。在平行縫焊過程中金錫焊片受熱熔化與陶瓷表面金屬緊密結合。由于AuSn20焊料的高強度以及填充空隙優良的特性，有效保證了封裝的氣密性和可靠性。
圖3 金錫預成型焊料應用于陶瓷封裝氣密封蓋示意圖
在光電器件如發射器、接收器及放大器等封裝的穿通粘接中，墊圈型金錫預成型焊片是最好的選擇。如圖4所示，絕緣子外導體和封裝基體皆由可伐合金制造并鍍以鎳和金，在焊接過程中，熔化的金錫焊環在毛細作用下填充絕緣子外導體和封裝機體之間的間隙。由于間隙很小，過多的焊料會造成短路，定量精確的金錫預成型焊片可以有效防止這一現象發生。
圖4 金錫預成型焊片應用于絕緣子焊接示意圖
4.2 光電子封裝
光纖插芯是光通訊的關鍵無源器件。光纖插芯的尾纖封裝常采用微小的金錫合金焊環將光纖焊在鎳管上，然后安裝在插芯頭上。光纖被焊接的光纖端部和鎳管均采用化學鍍方法局部鍍金，然后再將鍍金的光纖端部插入鎳管中，套上金錫合金焊環，采用氫焰將尾纖與鎳管焊接起來 如圖5所示。光電器件的管殼與管座的封裝通常也會采用金錫預成型焊片來焊接。圖6(a)和圖6 (b)分別是草帽頭管殼和蝶形管殼的封裝示意圖。
圖5金屬化光纖管芯封裝示意圖
圖6 兩種管殼的封裝示意圖
4.3功率激光二極管的封裝
激光加工的普及使得功率激光二極管的應用越來越廣泛。隨著封裝技術和芯片技術的提高，功率激光二極管的功率越來越高，隨之而產生的熱量達到了驚人的密度。由于激光二極管的發光效率會隨溫度升高而下降，因此激光二極管工作時的散熱顯得極為重要。采用金錫共晶合金焊料封裝就可很好地解決散熱問題。將激光二極管芯片通過預成型金錫焊料直接焊接到銅熱沉上，不僅大大提高了導熱能力，同時還有較高的強度和較好的抗熱疲勞特性。芯片底部覆金與鍍金的熱沉封裝面可以直接用金錫合金焊接而不需要制備過渡層金屬，如圖7所示。另外，因為金錫合金的楊氏模量高，即使在很薄的情況下（5-25μm），也可以保持平整性和一定的抗彎性，因此在焊接過程中焊層夾雜氣孔的可能性大大降低，提高了激光二極管散熱性能和可靠性。
圖7 金錫預成型焊料應用于激光二極管示意圖
5 結語
金錫合金焊料是一種廣泛應用于光電子封裝和高可靠性軍用電子器件焊接的貴金屬焊料。隨著功率電子器件（如IGBT器件）、光電子器件、軍用電子等高可靠性電子器件的發展，金錫合金焊料的需求將會越來越大。盡管金錫焊料較為昂貴，但很難被傳統焊料替代而適用其最佳的應用場。金錫合金焊料的不同應用形態將在市場上長期共存。
（本文由葉惠婕、王捷完成初稿）
(20190802)
