周濤1 湯姆 ? 鮑勃1 馬丁? 奧德1 賈松良2
1. 美國科寧（Coining）公司 2. 清華大學微電子所

摘要：本文介紹了Au80% Sn20%焊料的基本物理性能及其在微電子、光電子封裝中的應用。 
關鍵詞：金錫合金、微電子、光電子、封裝
1. 前言 
釬焊是組裝電子產品的一項重要技術。為了得到理想的釬焊連接，釬焊料的選擇至關重要。釬焊料的可焊性、熔點、強度及楊氏模量、熱膨脹系數、熱疲勞、蠕變及抗蠕變性能等均可影響釬焊連接的質量。 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有很多年了。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的一種最好的釬焊材料。
2. Au80Sn20焊料的物理性能 
Au80Sn20金錫焊料的一些基本物理性能如表1所示。由表1可知它有如下優點。
表1 金80錫20合金在20?C時的物理性能
 

       釬焊溫度適中：釬焊溫度僅比它的熔點高出20～30℃（即約300～310℃）。在釬焊過程中，基于合金的共晶成分，很小的過熱度就可以使合金熔化并浸潤；另外，合金的凝固過程進行得也很快。因此，金錫合金的使用能夠大大縮短整個釬焊過程周期。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℃。
高強度：在室溫條件下，金錫合金的屈服強度很高。即使在250～260℃的溫度下，它的強度也能夠勝任氣密性的要求。材料的強度與一些高溫釬焊材料相當，但是釬焊過程可以在相對低得多的溫度下完成。無需助焊劑：由于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，或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。
具有良好的浸潤性，而對鍍金層又無鉛錫焊料的那種浸蝕現象。金錫合金 與鍍金層的成分接近，因而通過擴散對很薄鍍層的浸溶程度很低；同時也沒有像銀那樣的遷徒現象。 
低粘滯性：液態的金錫合金具有很低的粘滯性，從而可以填充一些很大的空隙。另外，Au80Sn20焊料還具有高耐腐蝕性，高抗蠕變性能及良好的導熱和導電性。Au80Sn20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。 
3. 熱力學性能 
由于金錫合金的熱力學性能決定了它的許多使用性能，了解合金的一些基本熱力學性能是必要的。金錫能夠在80wt%金和20wt%錫的成分比例下形成共晶合金，如圖1 所示。
 

圖1 Au-Sn 二元合金相圖[1]

金錫合金在280 °C的共晶反應為 液相L→ζ+δ(AuSn)，在合金的此反應附近，主要包括ζ’(Au5Sn)相、ζ相和δ(AuSn)相。在ζ’(Au5Sn)相中，錫的重量百分比10.7%，它具有六角結構，在190℃以下是穩定相。ζ相由包晶反應β+L→ζ形成。在521℃，相錫的重量百分比為5.7 %；在280℃，此百分比為11.3 %；而在190℃，此百分比為8.8 %。ζ相具有鎂型六角密排結構。δ(AuSn)相是一種金屬間化合物，其熔點為 419.3，具有NiAs型六角結構。δ(AuSn)相的成分可在一定范圍內波動，其中錫的原子百分比為 50.0 %到 50.5 % (重量百分比為37.5 %到37.9 %。
4. 金錫焊料預成型片 
可用于微電子封裝的釬焊料有很多形式，最主要的有絲、片、焊膏和預成型片等形式。基于金錫合金很脆的特性，絲或片的這些形式很難按照規格加工成型。在加工過程中往往還要造成材料的浪費，需要大量的人工，同時質量情況也很不一致。在這些所有的形式里，釬焊膏是用于電子封裝最理想的的形式。然而，釬焊膏的成分之一是助焊劑，這在許多應用領域是被禁止的。即使在可以使用助焊劑的情況下，在釬焊過程完成以后也要對組裝的元器件進行其殘留物的清理。因此，為了獲得諸如器件生產及封裝等應用的穩定性，正確的選擇應該是沖壓成型的預成型片。預成型片能夠確保釬焊料的精確用量和準確位置，以達到在最低成本情況下獲得最佳的質量。在二十世紀六十年代，預成型片最先用于生產一些元器件如金屬封裝的鉭電容。現在它主要用于一些無源元件、光電器件的生產及封裝工藝。
預成型片主要具有以下優點： 
1）通過采用預成型的方法，能夠精確控制釬焊料用量、成分和表面狀態，從而提供更大的釬焊工藝窗口和最佳的組裝質量。以獲得釬焊連接可靠性的提高，這就是工業界通常所要求的高Cpk值和保證質量條件下的低成本。 
2）在控制氣氛中使用預成型焊片可以免除使用易污染和難以控制的助焊劑。通過對釬焊焊接過程的控制，同時可以免除焊接后成本很高的清洗過程。 
3）預成型片通常是滿足那些需要高可靠和良好導熱的高性能焊接的最佳解決方案。
4）對于需要連接的基板材料的變化和特殊性能或環境保護的要求，對金錫焊料預成型片幾乎不受任何限制。
5）經過正確地設計及應用，預成型焊片可以獲得較高的性能價格比，使焊接點具有很高的成品率和電學可靠性。 
5. AuSn焊片的應用 
由于金錫共晶焊料的熔點（280℃）比Sn96.5Ag3.5錫銀共晶焊料（221℃）要高很多，它不能和廣泛用于電子封裝的有機材料在同一溫度下配合使用。然而，金錫釬焊料對于一些特殊的、同時要求機械及導熱性能好以獲得高可靠性的應用來說卻是最好的選擇。這些應用包括氣密封蓋、光電子封裝工藝中的射頻和隔直流粘接、激光二極管管芯粘接等。
 圖 2 金錫合金預成型片用于陶瓷封裝氣密封蓋示意圖

氣密電子封裝產品的一部分需要焊接到一些陶瓷部件上。這種情況，主要是考慮陶瓷具有一些金屬件無法達到的物理性能如低熱膨脹系數、電絕緣、高強度等。其中一種應用是當有源器件芯片和基板兩者都需要具有低熱膨脹系數時把有源器件芯片粘接到一個外殼內（見圖2）。這種情況，可選用大約25微米厚的沖壓成型的金錫預制片作焊料。另外一個在陶瓷封裝的應用是封蓋， 即把一個金屬或玻璃的蓋板密封到陶瓷外殼上（見圖2）。此時，也選用25微米厚形狀為不封閉框架的金錫預成型片。對于封蓋，一般會采用平行縫焊機對連接處局部加熱。這樣對封裝內用金錫合金釬焊的有源器件芯片將不會受到影響。第三個有關陶瓷的應用是引線絕緣子的焊接（見圖3）。此時，是用高強度的陶瓷，而不是玻璃做絕緣體。對于這些應用，要求釬焊材料具有良好的潤濕性、抗腐蝕性和高的楊氏模量等。高的楊氏模量可以保證材料加工到很薄但仍能在很大面積上保持平整性。如前所述，金錫預成型片的表面清潔，無氧化物，允許采用無須助焊劑的生產工藝。即使基片表面稍有氧化，也可以采用氮氫混合氣體來清除氧化物。在氧化物清除之后，金錫預成型片就可以升溫熔化繼而開始焊接過程。通常要在235°C以上，用氮氫混合氣體來清除氧化物才十分有效。但如果采用低熔點釬焊料（例如低于235°C），在此溫度氮氫混合氣體還未能起作用，基板表面的氧化物將存在于焊接處。這是造成一些焊接質量低下的主要原因之一。采用金錫合金焊接的器件能夠經受得起長時間的熱應力循環。 
在光電器件如發射器、接收器及放大器等封裝中的穿通粘接中，墊圈型金錫預成型片也是一種最好的選擇。在連接過程中，熔化的金錫墊圈在毛細作用下會填充在絕緣子外導體和封裝基體（兩者皆由可伐合金制造并鍍以鎳和金）之間的間隙，如圖3所示。 由于絕緣子和基體之間的空隙很小，過多的釬焊料會造成短路。作為預成型片的優點之一，精確數量的金錫釬焊料可做成墊圈型預成型片以防止短路。
 圖 3 金錫合金預成型片在光電封裝中的應用

在用管芯粘接技術來組裝高功率激光二極管（LD）時采用金錫預成型片已被越來越多的生產廠家所接受。如圖4所示，激光二極管芯片和熱沉（通常是銅基的）之間由金錫預成型片來完成焊接。由于激光二極管的發光效率隨溫度升高而急劇下降，因此將二極管在發光時所產生的熱量及時耗散出去就十分重要。金錫焊料優良的熱傳導性在這里能夠起到非常有效的作用，以保證了激光二極管的最佳使用性能。另外，因為金錫合金的楊氏模量高，即使在很薄（5～25微米）的情況下，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，降低了焊接點的熱阻，從而也就大大提高了激光二極管的可靠性。
作為一種釬焊料，金錫合金也用于倒裝芯片焊接。在倒裝芯片焊接中，由于器件有源區與基板連接，金錫合金的優良導熱和導電性就顯得尤為重要。另外，金錫合金預成型片也應用于微波系統組裝和其它領域。隨著金錫合金優良性能和其預成型片的優點越來越被人們認識，它在封裝領域中的應用將變的更加廣泛及重要。
 圖 4 金錫合金預成型片在組裝激光二極管中的應用

6. 金80錫20焊料使用中的注意事項 
金錫焊料必須正確使用，才能獲得良好的效果。影響焊接質量的主要因素有：金錫焊料成分，焊件和焊料的表面質量（如氧化物、沾污、平整度等），工藝因素（爐溫電線、最高溫度、氣體成分、工夾具等）[2]。由圖1可知，金錫合金的熔點在共晶溫度附近對成分是非常敏感的，當金的重量比大于80%時，隨著金的增加，熔點為急劇提高。而被焊件往往都有鍍金層，在焊接過程中鍍金層的金會浸入焊料。在過厚的鍍金層、過薄的預成型焊片、過長的焊接時間下，都會使浸析入焊料的金增加，而使熔點上升。所以上述各類焊接參數都需優化[2]。通常爐子峰值溫度應選在約310~340 ℃，焊接時間為2～4分鐘。 
7. 結論： 
由于金80%錫20%共晶合金的熔點（280℃）適中，強度高，無需助焊劑，導熱和導電性能好，浸潤性優良，低粘性，易焊接，抗腐蝕，抗蠕度等。因此，它在微電子器件和光電子器件的陶瓷封裝封蓋，芯片粘接，金屬封裝的陶瓷絕緣子焊接，大功率半導體激光器的芯片焊接中有著廣泛的應用，它可明顯提高這些器件的封裝可靠性和導電/導熱性能。