解析金錫合金焊料的優(yōu)勢(shì)以及其特定的用途 （上）

金錫合金是電子焊接中的一種，具備很好的市場(chǎng)和前景。金錫合金采用金錫合金焊料在電子應(yīng)用金錫合金是通過釬焊技術(shù)制作，是組裝電子產(chǎn)品的一項(xiàng)重要技術(shù)。為了得到理想的釬焊連接，釬焊料的選擇至關(guān)重要。釬焊料的可焊性、熔點(diǎn)、強(qiáng)度及楊氏模量、熱膨脹系數(shù)、熱疲勞、蠕變及抗蠕變性能等均可影響釬焊連接的質(zhì)量。

共晶的金80%錫20%釬焊合金（熔點(diǎn)280℃）用于半導(dǎo)體和其他行業(yè)已經(jīng)多年。由于它優(yōu)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。那么金錫合金焊料有哪些獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和用途呢？

一，（金錫合金）Au-Sn焊料的優(yōu)點(diǎn)和不足

Au-Sn焊料的優(yōu)點(diǎn)

1. 釬焊溫度適中

釬焊溫度僅比其熔點(diǎn)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(gè)釬焊過程。金錫合金的釬焊溫度范圍適用于對(duì)穩(wěn)定性要求很高的元器件組裝。同時(shí)，這些元器件也能夠承受隨后在相對(duì)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℃。共晶金錫焊料（Au80Sn20）提供的溫度工作范圍高達(dá)200℃。

2. 高強(qiáng)度

金錫合金的屈服強(qiáng)度很高，即使在250～260℃的溫度下，其強(qiáng)度也能勝任氣密性

的要求。

3. 無需助焊劑

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?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚?，就不必使用化學(xué)助焊劑。這是最令人矚目的特點(diǎn)之一，對(duì)電子，尤其是光電子器件封裝最為重要。

4. 浸潤性

具有良好的浸潤性且對(duì)鍍金層無鉛錫焊料的浸蝕現(xiàn)象。金錫合金與鍍金層的成分接近，因而通過擴(kuò)散對(duì)很薄鍍層的浸溶程度很低，也沒有銀那樣的遷移現(xiàn)象。

5. 低粘滯性

液態(tài)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。在大多數(shù)情形下無流動(dòng)性。

6. Au80％Sn20％焊料具有高耐腐蝕性、高抗蠕變性及良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性，熱傳導(dǎo)系數(shù)達(dá)57 W/m·K。

7. 無鉛化。

8. 與低熔化焊料形成溫度階梯。

（備注：金錫合金焊料在我國軍品中已獲得應(yīng)用，并有國軍標(biāo) 6468-2008“金錫焊接釬料規(guī)范”。）

金錫合金（Au-Sn）焊料的不足之處：

Au80%Sn20%焊料的不足之處是它的價(jià)格較貴，性能較脆，延伸率很小，不易加工。此外，由于熔點(diǎn)較高，不能與低熔點(diǎn)焊料同時(shí)焊接。只能被應(yīng)用在芯片能夠經(jīng)受住短暫高于300℃的場(chǎng)合。

金錫合金的熔點(diǎn)在共晶溫度附近對(duì)成分非常敏感，從相圖可見，當(dāng)金的重量比大于80％時(shí)，隨著金的增加，熔點(diǎn)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(kuò)散進(jìn)焊料。在過厚的鍍金層、過薄的焊盤、過長的焊接時(shí)間下，會(huì)使擴(kuò)散進(jìn)焊料的金增加，而使熔點(diǎn)上升 。

Au/Sn合金相圖

AuSn20 焊料20℃時(shí)的力學(xué)物理性能

Au/Sn合金的熱導(dǎo)率在常用焊料中最高

金錫合金的制作方法主要有如下幾種：

AuSn淀積技術(shù)

金和錫用電子束蒸發(fā)形成Au/Sn層結(jié)構(gòu)

電鍍AuSn共熔合金

電鍍金和錫來形成Au/Sn層

使用絲網(wǎng)印刷或者點(diǎn)膠技術(shù)進(jìn)行AuSn黏貼應(yīng)用

合金電鍍法形成Au80/Sn20的合金，在目前來說，應(yīng)該是最好的一種制造方法，美國、日本及加拿大均有此方面的專利，但目前全球只有極少數(shù)國外廠家能夠提供此種電鍍液的商品，國內(nèi)真正的研究文章還很少。

濺射法和熱蒸發(fā)法國內(nèi)有研究所在進(jìn)行相關(guān)的研究，但這種方法制備的膜層最厚只能到數(shù)千埃，難以進(jìn)一步做厚，而且投資成本大，貴金屬材料浪費(fèi)嚴(yán)重。

分層電鍍法是先鍍上一層金，然后在金表面鍍上錫，最后經(jīng)過熱處理形成金錫合金。這種方法電子科技集團(tuán)24所和臺(tái)灣的中山大學(xué)也有過研究。這種方法存在一個(gè)問題，進(jìn)行熱處理的時(shí)候，錫可能向非焊接區(qū)的金表面擴(kuò)散從而在非焊接區(qū)形成合金，或是金層和錫層相互擴(kuò)散不夠徹底從而導(dǎo)致不能完全形成金錫合金。

實(shí)用中形成AuSn合金的形態(tài)

1. 預(yù)成型片

基于金錫合金很脆的特性，絲或片的這些形式很難按照規(guī)格加工成型。在加工過程中往往還要造成材料的浪費(fèi)，需要大量的人工，同時(shí)質(zhì)量情況也很不一致。

2. 焊膏

釬焊膏的成分之一是助焊劑，這在許多應(yīng)用領(lǐng)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(duì)組裝的元器件進(jìn)行其殘留物的清理。而且絲印法雖然簡(jiǎn)單，但膜層表面粗糙，邊緣部分不光滑，不能滿足微電子產(chǎn)品的要求。

3. 電化學(xué)

電化學(xué)方法能夠確保釬焊料的精確用量和準(zhǔn)確位置，達(dá)到在最低成本情況下獲得最佳的質(zhì)量。

預(yù)成型片

Au、Sn多層冷軋制造AuSn20合金箔帶材規(guī)格為0.025～0.10毫米。在微電子學(xué)、光電子學(xué)和MEMS中應(yīng)用，焊盤往往只需要3-5μm， 預(yù)成型片最薄25μm，而且無法滿足圖形復(fù)雜、精確定位和園片級(jí)凸點(diǎn)等要求。

AuSn合金預(yù)成型片在IC封裝的應(yīng)用

微電子學(xué)、光電子學(xué)和 MEMS對(duì)焊盤材料的要求精確的熔點(diǎn)溫度，一般為280℃。準(zhǔn)確的圖形及定位。

合金電鍍法形成Au80/Sn20合金的優(yōu)點(diǎn)

在1μm到幾十μm可準(zhǔn)確控制厚度

批量一致性好

可制作園片級(jí)凸點(diǎn)（是否是晶圓片級(jí)？）

80% Au/20% Sn組分均勻

利用光刻技術(shù)可制作復(fù)雜的焊盤圖形

精確的激光對(duì)位（Accurate Laser Alignment）

編輯：jq