【環球SMT與封裝】特約稿

吳懿平博士

武漢光電國家實驗室教授

華中科技大學連接與電子封裝中心教授/博導

廣州先藝電子科技有限公司技術總監

Email: ypwu@mail.hust.edu.cn

預成型焊料及其應用

【摘要】本人在預成型焊料領域做了多年的研究開發工作。依托相關的研究成果，由我的學生投資于2007年成立了一家專門生產預成型焊料的高技術公司——廣州先藝電子科技有限公司（http://trimsj.com.cn）。該公司專注于微電子與光電子釬焊新材料的研究、開發及生產，為電子與光電子制造領域提供優質的預成型焊料(Solder Preforms)，及其相應的制造工藝解決方案。本刊2008年第四期曾經刊載了作者寫的《金錫合金焊料的性能》文章，向讀者介紹了金錫合金焊料的一些基本性能。當時國內預成型焊料應用僅限于特殊領域，且預成型焊料基本依賴進口。這些年來，預成型焊料的使用越來越廣泛，國內也能夠提供高性能的焊料產品。本文將以《預成型焊料及其應用》為題，介紹金錫預成型焊料的性能，應用領域以及應用實例。

【關鍵詞】預成型焊料、金錫合金、電子封裝、氣密性封裝

1 引言

     傳統焊料形式有很多種，常見的有焊絲、焊膏以及預成型焊料等。焊絲（包括含助焊劑的焊絲）是手工焊接的主要焊接材料，烙鐵頭加熱焊盤、管腳與焊絲，焊絲熔化后移去烙鐵頭，冷卻后形成的焊點，其形狀隨焊盤與引線的不同而處于無規則的狀態，且焊點的焊料用量也不盡相同。焊膏通常包含有金屬焊料顆粒、溶劑、助焊劑以及少許添加劑，通常采用印刷方式將其批量分配至各個焊盤（主要是需要進行電連接的焊盤），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以實現多點的批量焊接接頭，雖然焊點的用量可以嚴格控制，但這種印刷焊膏的方式很難實現形狀復雜（如有回轉形狀）、焊接面積較大、需要致密、有空腔、無助劑污染的單一焊點的場合。而預成型焊料則可以完成復雜形狀的焊接連接。預成型焊料主要具有以下優點：

     1 采用預成型焊料工藝，在使用前通過合理的設計預成型焊料的厚度和形狀，精確控制焊料的使用量，用最少的焊料量，實現最佳的焊接要求，在保證焊接質量的情況下將焊接成本大幅降低。

     2 預成型焊料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，適應比較特殊的焊接要求。

     3 通常采用預成型焊料工藝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。這在許多應用領域非常的有用，因為在比較多的應用情形下，焊接的器件為了防止污染是不允許使用助焊劑的，或者是焊接后，在期間內部形成了一個密閉的封裝結構，無法對其進行清洗。

     4 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。

2金錫合金的性質

2.1金錫合金及其組成相

     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)。表1給出了這些中間相的結構和基本性質。這些金錫中間相都是硬脆相，所有成分的金錫合金都是由這些金錫中間相組成。特別地，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。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。

圖1 Au/AuSn合金相圖

表1 金錫中間相的結構和性質

2.2 金錫合金的性質

      金錫共晶合金作為電子焊接材料，其性能非常優異：合適的熔點、優異的漫流性保證其有著良好的焊接工藝性；較好的抗氧化性、良好的潤濕性使其可適用于免助焊劑工藝；非常大的強度、很強的抗疲勞性能使其能應用于高可靠封裝；較強的抗蠕變、大的熱導系數使其能應用于大功率器件的散熱封裝。表2給出了金錫合金與鉛錫共晶合金的性質對比。

表2 共晶金錫合金的性能

      AuSn20作為共晶合金，有著細小均勻的晶格、很高的強度的特征。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。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具有良好的漫流性，在較小的熔化范圍以及在焊接溫度下，焊料具有較小的黏度，使得焊料能迅速完全熔化為液態并在焊盤表面鋪展開來。共晶金錫合金焊料在280℃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，能夠很迅速的鋪展開來，保證焊接的密封性。

      AuSn20的熱導率為57W/m×K，是所有釬焊料中最高的。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的要求的場合，用金錫合金焊接可保證芯片的正常工作。

      AuSn20的抗蝕能力與抗氧化能力較強。因而可以實現免助焊劑焊接，也可以直接在空氣中使用火焰焊接，或者在還原性氣體如氮氣和氫氣的混合氣中回流焊，而不需要任何助焊劑。形成的焊接接頭氧化少、強度高、性能可靠。也由于其抗蝕能力強，金錫合金焊料的儲藏方式甚至比傳統焊料的儲藏方式要求更低。

      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”。

      但是金錫共晶合金焊料也有自己的不少缺點。首先金錫合金焊料的金含量很多，制作成本相對于錫鉛焊料增加了不少。其次，由于其成分為包含兩種IMC的共晶組織，脆性很大，很難對其進行成型，沖裁等機械加工。

2.3其他預成型焊料

      廣州先藝電子科技有限公司在預成型焊料的成型技術上有強大的技術優勢，能夠制備幾乎各種合金材料的焊料及其各種形狀的預成型焊料。主要產品系列有：金基預成型焊料、銦基預成型焊料、錫銻預成型焊料、錫銀銅預成型焊料、鉛錫預成型焊料、銀銅預成型焊料以及高鉛預成型焊料等。常用的焊料有Au80Sn20，Au88Ge12，Ag72Cu28，SAC305（Sn96.5Ag3.0Cu0.5)，SAC405（Sn95.5Ag4.0Cu0.5)，Sn98.5Ag1.0Cu0.5,Sn63Pb37，Sn90Sb10，In52Sn48，In97Ag3，In100，Sn96.5Ag3.5，Pb92.5Sn5Ag2.5，Ag100，Au100，Cu100等。表3給出了常用的預成型焊料的熔點或熔化溫度區間。

表3常用的預成型焊料的熔點或熔化溫度區間

      金鍺（Au88Ge12）預成型焊料具有低蒸汽壓、低接觸電阻、與襯底粘附性好、高導電性和導熱性等優點，主要應用與GaAs MESFET（GaAs金屬半導體肖特基場效應晶體管）中，與Au、Ni等金屬組成不同的M/S系統用于形成歐姆接觸。金鍺合金還廣泛的用作晶體管、集成電路等元件的低熔點焊料。

      金銅（Au80Cu20、Au50Cu50）預成型焊料具有合適的熔點、很好的流動性和填充微小間隙的能力，對銅、鎳、鐵、鈷、鎢、鉬、鉭、鈮等金屬及其合金都有良好的潤濕性。它與基體金屬相互間不發生明顯的化學作用，因而釬焊后不會降低工件的強度和尺寸精度。廣泛應用于大功率磁控管、波導管、真空儀表零件等真空器件的釬焊中。

      錫銻（Sn95Sb5、Sn90Sb10）預成型焊料的熔化區間較窄（232-250°C），并且與現有焊料兼容性良好、力學性能優良，因此其應用成本明顯低于Au-Sn。隨著合金中Sb含量的增加，會提高該焊料接頭的力學性能；Sn95Sb5(Sn90Sb10)的潤濕性能比Sn63Pb37稍差，但Sn-Sb合金是低應力下蠕變抗力最好的Sn基合金。

      銦熔點較低（為156°C），可與Sn、Pb、Ag等元素形成一系列低熔點共晶焊料。銦基焊料對堿性介質有較高的抗腐蝕性，對金屬和非金屬都具有良好的潤濕能力，形成的焊點具有電阻低、塑性高等優點，可用于不同熱膨脹系數材料的匹配封裝。因而銦基焊料主要應用于電真空器件、玻璃、陶瓷和低溫超導器件的封裝上。純銦和高銦焊料（In97Ag3、In52Sn48）預成型焊料具有優異的熱傳導性，低熔點，極好的柔軟性等獨特的特性，常用于陶瓷元件搭接到PCB的連接材料和熱傳導材料。先藝公司攻克了因In的柔軟性給成型加工帶來的巨大困難，可以提供厚度0.05mm以上的銦基預成型焊料。

      高鉛（Pb90Sn10、Pb92.5Sn5Ag2.5）預成型焊料為軟釬焊材料，具有良好的漫流性及耐蝕性，在微電子封裝的高溫領域得到了廣泛應用。高鉛的錫鉛釬料中加入適量的Ag可以提高焊料接頭的耐熱溫度、緩釋熱應力，從而可以使之適應高功率器件封裝對焊料的高可靠性要求。

      傳統的共晶鉛錫焊料以及錫銀銅無鉛焊料也可以做成預成型焊料，并可以編帶包裝以適應SMT貼片工藝，解決焊料不足和精確控制局部焊點的焊錫量，與標準合金焊膏兼容，減少焊膏疊印的需要，減少焊料飛濺，減少標準焊膏中助焊劑/焊膏的比例，從而減少助焊劑殘留，加強了焊點強度，大大提高了焊接可靠性及產品良率。

     銀基釬料（AgCu28）是目前應用最廣泛的硬釬料，它們熔點適中，導電性能良好，塑性較高，具有高焊接強度、高導熱性及高的軟化溫度，在各種介質中耐蝕性也較好。在器件釬焊時大量采用，尤其在600-1100°C溫度范圍內，銀釬料為優選的釬料。共晶型Ag72Cu28預成型焊料的熔點為780°C，具有優良的工藝性能，適宜的熔點、良好的潤濕性和填縫能力等，能夠形成高強度、高導電性及耐腐蝕的釬焊接頭，廣泛應用于電真空器件的焊接，用于釬焊低碳鋼、不銹鋼、高溫合金、銅及銅合金、可伐合金及難熔合金。

3金錫預成型焊料的應用

3.1氣密封裝

      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。封裝焊接后，整個封裝體為一密閉的容器，不可能再對腔體內進行清洗操作；若封裝體里面的有源器件芯片不能在清洗操作時被污染，就不可能采用傳統的焊料進行封裝，必須采用無助焊劑的清潔焊接工藝。MEMS封裝外殼通常為陶瓷材料，為了減少蓋板與陶瓷之間的熱膨脹系數失配情況，蓋板材料一般選擇熱膨脹系數與陶瓷材料差不多的可伐合金。封裝時，首先將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，通過平行縫焊進行局部加熱焊接或者采用夾具夾持進行整體回流焊接（或者采用真空回流焊接）。局部加熱的好處是不用將整個封裝體進行整體加熱，因而不影響里面已經焊接好的有源器件芯片。具體的封裝示意圖如圖2所示。

圖2 金錫預成型焊料應用于MEMS氣密封裝示意圖

3.2功率激光二極管封裝

      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。有資料顯示，功率激光二極管工作時能夠產生的熱量密度可達4KW/cm²。如此高的發熱量，如果沒有良好的散熱通道及時將熱量散發出去，會在激光二極管產生極高的熱量堆積，導致激光二極管的發光效率下降。一般的是將激光二極管直接焊接到銅熱沉上去，使系統的熱阻減少。熱量能夠快速傳遞到銅熱沉而散逸出去。功率激光二極管的斷續工作，形成了很大的交變溫度差，造成焊料的互連界面承受非常大的熱應力，很容易造成焊點蠕變與熱疲勞失效。采用金錫共晶合金焊料封裝就可很好地解決這些問題。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。特別是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度金屬。封裝時，將預成型共晶合金焊料放置于銅熱沉的鍍金焊盤和激光二極管鍍金底層之間，通過回流或者其他焊接形式焊接好，如圖1.4所示。

圖3 金錫預成型焊料應用于激光二極管封裝示意圖

3.3 光纖尾纖的焊接

      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4所示。

圖4 光纖尾纖的焊接

3.4 管殼的封裝

     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5是兩種管殼的封裝示意圖。

圖5 兩種管殼的封裝示意圖

      一般地，共晶金錫預成型焊料建議的焊接溫度在焊料熔點以上30-50°C，即310~330°C。焊接時無需助焊劑；最好設計一熱慣性小的工裝夾具，適當加壓；焊后無需清洗；焊接方式可以采用真空回流焊、保護性氣氛回流焊、氫焰手工焊的方法焊接。

4結語

      預成型焊料封裝是一種不可替代的電子封裝工藝。目前幾乎所有的電子封裝用的焊料均可以制備成預成型焊料。共晶金錫焊料因其具有其他焊料不可替代的優異性能而廣泛應用于光電子封裝和高可靠性軍用電子器件封裝領域。該焊料具有合適的熔點、優異的漫流性、良好的工藝性、很好的抗氧化性、良好的潤濕性，非常適合免助焊劑焊接工藝；形成的金錫共晶焊點強度高、抗疲勞性能好、抗蠕變性能優異，常用與高可靠封裝；大的熱導系數使其能應用于大功率器件的散熱封裝。金錫合金焊料大都制備成預成型焊料使用，罕有焊膏和焊絲產品。金錫合金焊料的脆性較大，金焊料較高，很難成型加工，導致材料成本與成型制造成本過高而制約了金錫合金的應用。

 (20160228)