轉自秦嶺農民

1 金錫焊料

金(Au)，是一種貴金屬，自然資源比較貧乏，其表面具有黃色光澤，原子有很大的原子間力和最大的堆積密度。金的抗氧化性能優良，延展性非常好。金對焊料潤濕也很好，所以常用于電子產品的表面鍍層。

錫Sn是銀白色金屬，錫錠表面因生成氧化物薄膜而成珍珠色。錫相對較軟，具有良好的展性，但延性很差。錫在金屬表面很容易潤濕，所以常作為焊料的組成部分或者直接制成錫絲，錫片等純錫焊料。

表1金與錫的物理性能

Au 是ＩＢ族元素，Sn是IV A族元素，Au和Sn的擴散機制是間隙機制，所以擴散速度很快。Au和Sn的化合物存在多種金屬間化合物，它們分別是 β(Au10Sn)，ζ′(Au5Sn)，ζ，δ(AuSn)，ε(AuSn2)，η(AuSn4) 。如下圖1

圖1 Au/Sn合金相圖

80Au：20Sn（質量比）是金錫共晶合金焊料，是金錫合金中熔點最低的，它具有優良的焊接工藝性能和焊接接頭強度。熔點為280℃。Au80Sn20焊料在常溫下的微觀組織為AuSn和Au5Sn的共晶組織。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。且AuSn和Au5Sn都是硬脆相，所以該焊料脆性大。金錫共晶合金的密度為14.52g/cm3。

2 金錫焊料特性

共晶的金80%錫20%釬焊合金（熔點280℃）用于半導體和其他行業已經多年。由于它優良的物理性能，金錫合金已逐漸成為用于光電器件封裝最好的一種釬焊材料。金錫共晶合金焊料具有許多優越的性能，包括低的熔點卻又較高的強度，可保證焊接可靠性，良好的抗熱疲勞性能，可放防止因為溫度循環產生疲勞斷裂，可以在氣候變化惡劣的條件下使用，良好的抗氧化性能，優秀的漫流性能，以及較高的熱導率等。下表2為金錫合金常溫下的物理性能。

表2 常溫20℃金錫物理性能參數

2.1 焊接溫度適合

金錫共晶焊料在共晶點位置熔點為280℃，焊接溫度約300～310℃ 僅比其熔點高出20～30℃。在釬焊過程中，基于合金的共晶成分，很小的過熱度就可使合金熔化并浸潤；合金的凝固過程很快。因此，金錫合金的使用能夠大大縮短整個釬焊過程。金錫合金的釬焊溫度范圍適用于對穩定性要求很高的元器件組裝。同時，這些元器件也能夠承受隨后在相對低一些的溫度利用無鉛焊料的組裝。這些焊料的組裝溫度大約在260℃。同時共晶金錫焊料(Au80Sn20)提供的溫度工作范圍高達200℃。表3為常用的預成型焊料的熔點或熔化溫度區間。

表3為幾種焊料的熔點參數

2.2 焊接強度高

AuSn20作為共晶合金，有著細小均勻的晶格、很高的強度的特征。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250-260℃溫度下，它的強度也能夠勝任器件氣密性要求。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。不同焊料焊接7~10um鍍金層工件的剪切強度對比如下表4。

表4 低溫焊料接頭強度

從上表可以看到AuSn20的焊接強度為47.5MPa，比SnPb37的焊接接頭剪切強度26.7MPa要高出許多。所以AuSn20焊料在封裝電子產品中具有很好的壽命和可靠性。

2.3 導熱率高

表5 常用焊料的導熱系數

AuSn20的熱導率為57W/m·k，在軟釬料中屬于較高水平，當同樣的厚度焊料情況下，熱阻就小，因此焊接的器件具有良好的導熱性能。尤其對一些功率器件，驅動芯片，激光器芯片，LED芯片，控溫芯片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。

2.4 低粘滯性

金錫共晶合金焊料處于共晶點成本，熔化后流動性能好，能夠快速的填充焊接間隙，保證了焊接的氣密性。尤其對于氣體保護器件如激光器的稀有氣體保護，或者MEMS真空器件的真空度保證。

2.5 無需助焊劑

暴露在金屬表面很容易生成氧化膜，這種氧化膜能組織焊錫對焊接金屬的浸潤作用。使用助焊劑可以去除氧化膜，使得焊接更可靠，焊點表面光滑圓潤。但是助焊劑的使用殘留導致使用場合受到限制，一些需要密封的器件就不允許使用這類助焊劑。AuSn20合金成份中金占了很大的比重(80％)，材料表面的氧化程度較低。如果在釬焊過程中采用真空，戒還原性氣體如氮氣和氫氣的混合氣，就不必使用化學助焊劑。

2.6 浸潤性良好

具有良好的且對鍍金層無鉛錫焊料的浸蝕現象，金錫合金不鍍金層的成分接近，因而通過擴散對很薄鍍層的浸溶程度很低，也沒有銀那樣的遷徙現象。AuSn20焊料可直接在鍍金層上焊接，他對鍍金焊盤的熔蝕很小，因此鍍金不會被共晶的金錫焊料溶掉而導致次表層外露并與焊料發生不可預測的焊料反應。這個特性技術是我們常說的“不吃金”。

2.7 抗蠕變性能和抗疲勞性能

由于金錫共晶合金具有較高的楊氏模量，所以合金的抗蠕變性能和抗疲勞性能也很優良。對于軍工電子產品，這些產品往往要經受溫度的循環變化和應力的循環變化，為了保證器件工作的正常運行，采用金錫焊料，可以有效的防止蠕變和疲勞引起的焊點失效。

2.8 不足

金錫合金（Au-Sn）焊料的不足之處：

AuSn20焊料的不足之處是它的價格較貴，性能較脆，延伸率很小，不易加工。此外，由于熔點較高，不能與低熔點焊料同時焊接。只能被應用在芯片能夠經受住短暫高于300℃的場合。

金錫合金的熔點在共晶溫度附近對成分非常敏感，當金的重量比大于80％時，隨著金的增加，熔點急劇提高。而被焊件往往都有鍍金層，在焊接過程中鍍金層的金擴散進焊料。在過厚的鍍金層、過薄的焊盤、過長的焊接時間下，會使擴散進焊料的金增加，而使熔點上升。

3 金錫合金焊料的制作方法

金錫焊料在電子和光電子行業應用廣泛，其主要使用形式有：焊料薄膜、焊膏以及預成型焊片等。金錫合金的制作方法主要有如下幾種：

表6金錫焊料的制作方法

4 金錫合金焊料的應用

AuSn20 除了用于芯片與基板的焊接連接外，還可以廣泛應用于多種芯片的氣密封裝。如在微電子芯片封裝，光芯片封裝等。

4.1 芯片封裝

對一些高功率或者氣密封裝芯片一般需要將芯片焊接在基板上。在這種情況下，主要考慮焊料的重新填充和焊料的高導熱性能。另外金錫合金的楊氏模量高，即使在很薄（5~25um）情況下，也可以保證憑證行和穩定的抗彎性。增加了芯片焊接的可靠性。在一些需要控制溫度恒定的器件，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錫，焊接過程中焊層內沒有氣孔降低了焊接點的熱阻。從而提高了導熱性能。

圖2 金錫芯片焊接

4.2 器件蓋板封裝

典型應用情況是MEMS傳感器的氣密封裝，一般說來MEMS有源器件芯片非常的靈敏，在使用的過程中直接與環境中空氣接觸會污染感受器而造成測試數據產生偏差而失效，所以MEMS封裝都要求有很高的氣密性。如下圖3 MEMS器件管殼與蓋板預置焊料環。

圖３ MEMS器件與蓋板

圖４為陶瓷管殼的周圍鍍上了一周的金錫焊料，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。

圖４ 芯片封裝管殼

4.３晶圓鍵合

金錫共晶鍵合工藝中，金屬焊料直接和 Si 晶圓片接觸焊接時，由于材料性質差異過大，會存在吸附性差、熱應力大等問題。為了提高鍵合的質量和可焊接性，通常會在焊料與晶圓片之間加入過渡層金屬。一般鍍層金屬與焊料之間會發生兩個方面的相互作用，第一個方面：鍍層金屬溶解到焊料之中；第二個方面：鍍層金屬與焊料結合發生界面反應，在界面處生成金屬間化合物（IMC）。常用的共晶合金焊料如表7 所示，材料諸如 Au、Al、Cu 等已經廣泛應用于半導體工藝中，建立了成熟的加工和沉積鍍膜體系，其中最常見的共晶合金為 Au-Sn 合金。共晶焊料選用金錫焊料（Au80Sn20），金屬化層根據相應的工藝沉積方式選擇適合的金屬膜系。

圖5 晶圓級封裝工藝過程示意圖

表7共晶合金焊料

5 總結

總之金錫焊料共晶點為280℃(556℉)，具有優良的導電、導熱及耐蝕性能，力學性能優異，已在軍工、航空航天、醫療等高可靠性要求領域廣泛應用。金錫焊料還可用于階梯回流焊接過程中的第一級回流焊接，可避免在后續低溫回流過程中的焊點熔化。非常適合應用于微型光電器件的高可靠性封裝及大功率器件的高導熱封裝。

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