（1.美国科宁（Coining）公司；2.清华大学微电子所，北京 100084） | |||||
摘 要：本文介绍了Au80% Sn20%焊料的基本物理性能。同时介绍了这种焊料在微电子、光电子封装中的应用。 关键词：金锡合金,微电子,光电子,封装 中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2005）08-05-04 1 前言 钎焊是组装电子产品的一项重要技术。为了得到理想的钎焊连接，钎焊料的选择至关重要。钎焊料的可焊性、熔点、强度及杨氏模量、热膨胀系数、热疲劳、蠕变及抗蠕变性能等均可影响钎焊连接的质量。 共晶的金80%锡20%钎焊合金（熔点280℃）用于半导体和其他行业已经有很多年了。由于它优良的物理性能，金锡合金已逐渐成为用于光电器件封装最好的一种钎焊材料。 2 Au80%Sn20%焊料的物理心能 Au80%Sn20%金锡焊料的一些基本物理性能如表1所示。由表1可知它有如下优点。
钎焊温度仅比它的熔点高出20～30℃(即约300～310)。在钎焊过程中，基于合金的共晶成分，很小的过热度就可以使合金熔化并浸润；另外，合金的凝固过程进行得也很快。因此，金锡合金的使用能够大大缩短整个钎焊过程周期。金锡合金的钎焊温度范围适用于对稳定性要求很高的元器件组装。同时，这些元器件也能够承受随后在相对低一些的温度利用无铅焊料的组装。这些焊料的组装温度大约在260℃。 (2)高强度 在室温条件下，金锡合金的屈服强度很高。即使在250～260℃的温度下，它的强度也能够胜任气密性的要求。材料的强度与一些高温钎焊材料相当，但是钎焊过程可以在相对低得多的温度下完成。 (3)无需助焊剂 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较低。如果在钎焊过程中采用真空，或还原性气体如氮气和氢气的混合气，就不必使用化学助焊剂。 (4)具有良好的浸润性且对镀金层无铅锡焊料的浸蚀现象 金锡合金与镀金层的成分接近，囚而通过扩散对很薄镀层的浸溶程度很低，同时也没有像银那样的迁徙现象。 (5)低粘滞性 液态的金锡合金具有很低的粘滞性，从而可以填充一些很大的空隙。 另外，Au80％Sn20％焊料还具有高耐腐蚀性、高抗蠕变性及良好的导热和导电性。Au80%Sn20%焊料的不足之处是它的价格较贵，性能较脆，延伸率很小，不易加工。 3 热力学性能 由于金锡合金的热力学性能决定了它的许多使用性能，了解合金的一些基本热力学性能是必要的。金锡能够在80 wt％金和20 wt％锡的成分比例下形成共晶合金，如图1所示。
4 金锡焊料预成型片 可用于微电子封装的钎焊料有很多形式，最主要的有丝、片、焊膏和预成型片等形式。基于金锡合金很脆的特性，丝或片的这些形式很难按照规格加工成型。在加工过程中往往还要造成材料的浪费，需要大量的人工，同时质量情况也很不一致。在这些所有的形式里，钎焊膏是用于电子封装最理想的形式。然而，钎焊膏的成分之一是助焊剂，这在许多应用领域是被禁止的。即使在可以使用助焊剂的情况下，在钎焊过程完成以后也要对组装的元器件进行其残留物的清理。因此，为了获得诸如器件生产及封装等应用的稳定性，正确的选择应该是冲压成型的预成型片。预成型片能够确保钎焊料的精确用量和准确位置，以达到在最低成本情况下获得最佳的质量。在二十世纪六十年代，预成型片最先用于生产一些元器件如金属封装的钽电容。现在它主要用于一些无源元件、光电器件的生产及封装工艺。 预成型片主要具有以下优点： ①通过采用预成型的方法，能够精确控制钎焊料用量、成分和表面状态，从而提供更大的钎焊工艺窗口和最佳的组装质量，以获得钎焊连接可靠性的提高，这就是工业界通常所要求的高Cpk值和保证质量条件下的低成本。 ②在控制气氛中使用预成型片可以免除使用易污染和难以控制的助焊剂。通过对钎焊焊接过程的控制，同时可以免除焊接后成本很高的清洗过程。 ③预成型片通常是满足那些需要高可靠和良好导热的高性能焊接的最佳解决方案。 ④对于需要连接的基板材料的变化和特殊性能或环境保护的要求，对金熙焊料预成型片几乎不受任何限制。 ⑤经过正确地设计及应用，预成型片可以获得较高的性能价格比，使焊接点具有很高的成品率和电学可靠性。 5 AuSn焊片的应用 由于金锡共晶焊料的熔点(280℃)比Sn96.5％Ag3.5％锡银共晶焊料(221℃)要高很多，它不能和广泛用于电子封装的有机材料在同一温度下配合使用然而，金锡钎焊料对于一些特殊的、同时要求机械及导热性能好以获得高可靠性的应用来说却是最好的选择。这些应用包括气密封盖、光电子封装工艺中的射频和隔直流粘接、激光二极管管芯粘接等。
在用管芯粘接技术来组装高功率激光二极管(LD)时采用金锡预成型片已被越来越多的生产厂家所接受。如图4所示，激光二极管芯片和铜热沉之间由金锡预成型片来完成焊接。由于激光二极管的发光效率随温度升高而急剧下降，因此将二极管在发光时所产生的热量及时耗散出去就十分重要、金锡焊料优良的热传导性在这里能够起到非常有效的作用，保证了激光二极管的最佳使用性能。另外，因为金锡合金的杨氏模量高，即使在很薄(5～25μm)的情况下，也可以保持平整性和一定的抗弯性。因此，在焊接过程中焊层火杂气孔的可能性大大降低，降低了焊接点的热阻，从而也就大大提高了激光二极管的可靠性 金锡合金也用于倒装芯片焊接。在倒装芯片焊接中，由于器件有源区与基板连接，金锡合金的优良导热和导电性就显得尤为重要。另外，金锡合金预成型片也应用于微波系统组装和其它领域。随着金锡合金优良性能和其预成型片的优点越来越被人们认识，它在封装领域中的应用将变得更加广泛及重要。
金锡焊料必须正确使用，才能获得良好的效果。影响焊接质量的主要因素有：金锡焊料成分，焊件和焊料的表面质量(如氧化物、沾污、平整度等)，工艺因素(炉温电线、最高温度、气体成分、工夹具等)[2]。由图1可知，金锡合金的熔点在共晶温度附近对成分是非常敏感的，当金的重量比大于80％时，随着金的增加，熔点急剧提高。而被焊件往往都有镀金层，在焊接过程中镀金层的金会浸入焊料。在过厚的镀金层、过薄的预成型焊片、过长的焊接时间下，都会使浸析入焊料的金增加，而使熔点上升。所以上述各类焊接参数都需优化[2]。通常炉子峰值温度应选在约为350℃焊接时间为2~4分钟焊接成品率可在98%以上。 7 结论 由于金80％锡20％共晶合金的熔点(280℃)适中，强度高，无需助焊剂，导热和导电性能好，浸润性优良，低粘性，易焊接，抗腐蚀，抗蠕度等，它在微电子器件和光电子器件的陶瓷封装封盖、芯片粘接、金属封装的陶瓷绝缘子焊接、大功率半导体激光器的芯片焊接中有着广泛的应用，它可明显提高这些器件的封装可靠性和导电／导热性能。 |
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