【環(huán)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(shù)總監(jiān)

華中科技大學(xué) 連接與電子封裝中心 教授/博導(dǎo)

【摘要】AuSn20合金焊料因其高熔點(diǎn)及免助焊劑等性能而被廣泛應(yīng)用于光電子封裝和微電子封裝領(lǐng)域。本刊曾專稿介紹過預(yù)成型焊片的相關(guān)內(nèi)容，為預(yù)成型焊片的普及應(yīng)用做了些基礎(chǔ)性工作。經(jīng)過幾年的應(yīng)用實(shí)踐，金錫合金焊料又有了新的發(fā)展和更多的應(yīng)用形式。為此，本文再將以金錫合金焊料的應(yīng)用為主題，向讀者介紹AuSn20合金焊料薄膜、金錫焊膏、金錫預(yù)成型焊片等的相關(guān)制備和應(yīng)用；介紹AuSn20合金焊料在氣密封蓋、管殼焊接及芯片封裝等領(lǐng)域的焊接技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】金錫合金、金錫焊料薄膜、氣密性封裝、預(yù)成型焊片

1 引言

      電子封裝材料是電子封裝技術(shù)的重要支撐，其中焊料是釬焊工件時(shí)用來填充連接處間隙使工件牢固結(jié)合的填充材料。焊料的可焊性、熔點(diǎn)、強(qiáng)度、楊氏模量、熱膨脹系數(shù)等均可影響釬焊連接的質(zhì)量。所以合適的焊料是活的可靠性封裝和連接的關(guān)鍵。熔點(diǎn)為280°C的共晶Au80Sn20合金焊料具有高強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率、免助焊劑等優(yōu)異性能，且對(duì)鍍金層焊盤有天然的適應(yīng)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(chuàng)性的器件研發(fā)發(fā)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(yù)成型焊片的相關(guān)內(nèi)容，為預(yù)成型焊片的普及應(yīng)用做了些基礎(chǔ)性工作。經(jīng)過幾年的應(yīng)用實(shí)踐，金錫合金焊料又有了新的發(fā)展和更多的應(yīng)用形式。為此，本文再將以金錫合金焊料的應(yīng)用為主題，向讀者介紹AuSn20合金焊料薄膜、金錫焊膏、金錫預(yù)成型焊片等的相關(guān)制備和應(yīng)用；介紹AuSn20合金焊料在氣密封蓋、管殼焊接及芯片封裝等領(lǐng)域的焊接技術(shù)。

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(fù)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(yè)界常稱之為AuSn20焊料，熔點(diǎn)為280°C。

                                                                                                              圖1 Au-Sn二元合金相圖

焊接時(shí)，液態(tài)的共晶金錫合金焊料在280°C發(fā)生共晶反應(yīng)（L→ξ+AuSn）而凝固。進(jìn)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(fā)生共析反應(yīng)ξ+AuSn→Au₅Sn。經(jīng)過杠桿原理計(jì)算計(jì)得出AuSn相占36.4%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)），Au₅Sn相占63.6%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）。所以AuSn20焊料在常溫下的微觀組織為AuSn和Au₅Sn的共晶結(jié)構(gòu)。應(yīng)該指出的是，固態(tài)下的金錫合金均沒有出現(xiàn)單質(zhì)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(xiàn)，因此，原則上講金錫合金的化學(xué)性質(zhì)與純金類似，非常穩(wěn)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(tài)下的金錫合金都具有極大的脆性，較難用常規(guī)方法加工成型。

2.2 金錫合金的性質(zhì)

     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(yōu)異的釬焊性能，如釬焊溫度適中、無需助焊劑、良好潤(rùn)濕性、低粘滯性、釬焊強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好等。其物理性質(zhì)如表1。

                                                                                                                     表1 共晶金錫合金的性能

     AuSn20屬于硬質(zhì)釬料，室溫下合金釬料在的屈服強(qiáng)度很高，即使在250-260°C的高溫時(shí)，其強(qiáng)度仍然可以滿足器件氣密性的要求。AuSn20的焊接強(qiáng)度為47.5MPa，比過去常用SnPb37的焊接接頭剪切強(qiáng)度26.7MPa要高出許多。同時(shí)AuSn20焊料的高溫焊接強(qiáng)度也比較高，因而能夠耐受熱沖擊、熱疲勞，能夠在高溫環(huán)境或者溫度變化幅度大的環(huán)境下使用。  AuSn20的熔點(diǎn)為280°C，推薦的釬焊溫度高于熔點(diǎn)30~50°C左右。這個(gè)溫度比較接近于傳統(tǒng)電子制造業(yè)廣泛應(yīng)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(gè)熔點(diǎn)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(rùn)濕器件。另外，金錫共晶合金的凝固過程進(jìn)行得也很快，因此使用AuSn20可以大大縮短整個(gè)焊接過程周期。

     AuSn20具有良好的漫流性。在280°C熔點(diǎn)附近很小的一個(gè)范圍內(nèi)可以完全熔化成流動(dòng)性很好的液態(tài)，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(dǎo)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(dǎo)熱性能。激光器、功率電子器件和對(duì)導(dǎo)熱與散熱有高要求的場(chǎng)合，熱流可通過金錫焊料傳導(dǎo)給熱沉，形成快速傳熱通道。

    AuSn20焊料合金的抗氧化性能優(yōu)良，在空氣中焊接時(shí)材料表面氧化程度較低，可以得到可靠的焊接接頭。對(duì)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?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚?，氧化程度更低，焊接接頭的可靠性更高。AuSn20是一種無需化學(xué)助焊劑的清潔環(huán)保的焊接材料。

     AuSn20焊料可以直接在鍍金層上焊接，對(duì)鍍金焊盤的擴(kuò)散腐蝕很?。ㄋ追Q“不吃金”），因此焊接過程中無需考慮鍍金層下的材料構(gòu)成。

     AuSn20除了以上幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)就是應(yīng)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(yīng)用形態(tài)

3.1 預(yù)鍍焊料薄膜

    金錫焊料應(yīng)用廣泛，其主要使用形式有：焊料薄膜、焊膏以及預(yù)成型焊片等。

     AuSn20薄膜是AuSn20釬料的重要形態(tài)，通常沉積在陶瓷、鎢銅等高導(dǎo)熱基體上，厚度一般為3~6μm。AuSn20薄膜制備方法有蒸發(fā)法、電鍍法和濺射法。

     電子束蒸發(fā)鍍膜是采用高能量電子束轟擊坩堝內(nèi)的待蒸發(fā)材料，使材料的原子或分子獲得能量后從坩堝內(nèi)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(fā)金/錫金屬層，經(jīng)熱處理后得到金錫焊料薄膜；二是同時(shí)蒸發(fā)金、錫金屬實(shí)現(xiàn)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(fā)過程中金屬粒子行進(jìn)的方向性弱，因此真空膛內(nèi)壁也將被覆蓋，導(dǎo)致材料利用率較低。

     交替蒸發(fā)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(jīng)退火處理，使金、錫之間相互擴(kuò)散，最終形成具有較高一致性金錫焊料層。不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同的沉積條件導(dǎo)致合適的退火溫度從200°C至350°C不等。圖2為交替蒸發(fā)金錫焊料沉積層的結(jié)構(gòu)示意圖。這種方法制備的金錫薄膜后續(xù)需要熱處理才能實(shí)現(xiàn)薄膜合金化，薄膜成分及均勻性不易控制。

                                                                                                        圖2 交替蒸發(fā)金錫焊料沉積層結(jié)構(gòu)

     與交替蒸發(fā)法不同，共沉積蒸發(fā)法是同時(shí)沉積金、錫兩種金屬，可以不借助熱處理而實(shí)現(xiàn)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(jīng)濟(jì)性研究越來越廣泛。同樣電鍍方法也分成兩個(gè)方面 ：電鍍金錫多層結(jié)構(gòu)和電鍍金錫共晶。電鍍金錫多層結(jié)構(gòu)和交替蒸發(fā)金錫焊料過程類似，基底在金電鍍液和錫電鍍液之間進(jìn)行交替，電鍍完成后,需要在共晶溫度以上進(jìn)行熱處理。電鍍沉積的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以通過光刻膠實(shí)現(xiàn)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(nèi)；用噴鍍，度均勻性可控制在±5%以內(nèi)。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?qū)崿F(xiàn)金錫共晶電鍍，簡(jiǎn)化電鍍工藝，但電鍍條件控制嚴(yán)格，其電流密度需要精確控制，因此對(duì)鍍液的長(zhǎng)期穩(wěn)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(jìn)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?cái)U(kuò)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(yīng)性強(qiáng)、適合結(jié)構(gòu)復(fù)雜工件的裝配等特點(diǎn)。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(duì)應(yīng)至相應(yīng)的焊盤上，通過回流焊的方式就可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)批量焊接接頭。相同使用條件下，金錫焊膏的鋪展性優(yōu)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(zhì)能有效去除釬料及母材表面的氧化物，同時(shí)熔融的助焊劑漂浮在釬料表面，在阻止金錫合金進(jìn)一步氧化的同時(shí)改變了界面張力狀態(tài)，降低了熔化釬料的表面張力。使用金錫焊膏印刷焊點(diǎn)的用量可以嚴(yán)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(chǎng)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?dú)?、氦氣、水等高壓霧化介質(zhì)獲得較高的動(dòng)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(shù)成熟且產(chǎn)量高，但生產(chǎn)出的粉衛(wèi)星球多，單爐次生產(chǎn)成本高，已不適合高品級(jí)釬料粉的生產(chǎn)。離心霧化法是在高速旋轉(zhuǎn)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(xì)釬料粉的大批量生產(chǎn)，隨著SMT組裝技術(shù)和無鉛化技術(shù)的快速發(fā)展，離心霧化已成為制備釬料合金粉的主流技術(shù)。超聲霧化是利用超聲高頻振動(dòng)使液態(tài)金屬形成微細(xì)霧滴，該方法生產(chǎn)的釬料粉形貌好，適合多品種小規(guī)格生產(chǎn)。

    除此以外，還可以使用機(jī)械合金化制備AuSn20合金粉末。機(jī)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(jī)中進(jìn)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(shí)界面溫升而誘發(fā)了化學(xué)反應(yīng)，生成各種金屬間化合物。隨球磨時(shí)間的增加，AuSn20的合金化程度增加，組織中的單質(zhì)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(zhuǎn)變?yōu)棣南啵ˋuSn）+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(yù)成型焊片

    金錫預(yù)成型焊片可以在焊料形狀設(shè)計(jì)時(shí)，通過厚度和寬度等參數(shù)，精確控制分配焊料在焊接的不同位置的焊料量，適應(yīng)對(duì)裝配要求高的焊接場(chǎng)合。金錫預(yù)成型焊片的焊接工藝通常是在保護(hù)氣氛中進(jìn)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(jīng)過合理設(shè)計(jì)的預(yù)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(xué)性能和焊接成品率，所以預(yù)成型焊料焊接工藝是高可靠、高導(dǎo)熱封裝的理想焊接工藝。

    雖然國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)的相關(guān)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值和比較適合工業(yè)生產(chǎn)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(fù)合技術(shù)，將分別預(yù)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(yù)壓成復(fù)合坯料，再冷軋成所需規(guī)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(jīng)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(xù)加工的連續(xù)性。

                                                                                                               表2 幾種金錫合金焊料制備方法比較

    金錫焊料對(duì)于那些精度要求高、機(jī)械性能好、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能優(yōu)良、可靠性高的應(yīng)用來說是最好的選擇。這些應(yīng)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(yīng)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(shí)，首先將陶瓷外殼與蓋板的結(jié)合處鍍上金屬層（一般為金/鎳鍍層），以保證焊料的潤(rùn)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(yù)成型焊料，通過平行縫焊對(duì)連接處進(jìn)行局部加熱焊接，不會(huì)影響到已經(jīng)封裝好的有源器件芯片。也可采用夾具夾持進(jìn)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(jié)合。由于AuSn20焊料的高強(qiáng)度以及填充空隙優(yōu)良的特性，有效保證了封裝的氣密性和可靠性。

                                                                                                   圖3 金錫預(yù)成型焊料應(yīng)用于陶瓷封裝氣密封蓋示意圖

    在光電器件如發(fā)射器、接收器及放大器等封裝的穿通粘接中，墊圈型金錫預(yù)成型焊片是最好的選擇。如圖4所示，絕緣子外導(dǎo)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(huán)在毛細(xì)作用下填充絕緣子外導(dǎo)體和封裝機(jī)體之間的間隙。由于間隙很小，過多的焊料會(huì)造成短路，定量精確的金錫預(yù)成型焊片可以有效防止這一現(xiàn)象發(fā)生。

                                                                                                       圖4 金錫預(yù)成型焊片應(yīng)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(guān)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(huán)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(xué)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(huán)，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(huì)采用金錫預(yù)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(yīng)用越來越廣泛。隨著封裝技術(shù)和芯片技術(shù)的提高，功率激光二極管的功率越來越高，隨之而產(chǎn)生的熱量達(dá)到了驚人的密度。由于激光二極管的發(fā)光效率會(huì)隨溫度升高而下降，因此激光二極管工作時(shí)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(yù)成型金錫焊料直接焊接到銅熱沉上，不僅大大提高了導(dǎo)熱能力，同時(shí)還有較高的強(qiáng)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?yàn)榻疱a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(yù)成型焊料應(yīng)用于激光二極管示意圖

5 結(jié)語

     金錫合金焊料是一種廣泛應(yīng)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(fā)展，金錫合金焊料的需求將會(huì)越來越大。盡管金錫焊料較為昂貴，但很難被傳統(tǒng)焊料替代而適用其最佳的應(yīng)用場(chǎng)。金錫合金焊料的不同應(yīng)用形態(tài)將在市場(chǎng)上長(zhǎng)期共存。

（本文由葉惠婕、王捷完成初稿）

 (20190802)