金锡合金焊料应用进展
2019-09-17 18:51:54
知识库
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【环球SMT与封装】特约稿
吴懿平 博士
广州先艺电子科技有限公司 技术总监
华中科技大学 连接与电子封装中心 教授/博导
【摘要】AuSn20合金焊料因其高熔点及免助焊剂等性能而被广泛应用于光电子封装和微电子封装领域。本刊曾专稿介绍过预成型焊片的相关内容，为预成型焊片的普及应用做了些基础性工作。经过几年的应用实践，金锡合金焊料又有了新的发展和更多的应用形式。为此，本文再将以金锡合金焊料的应用为主题，向读者介绍AuSn20合金焊料薄膜、金锡焊膏、金锡预成型焊片等的相关制备和应用；介绍AuSn20合金焊料在气密封盖、管壳焊接及芯片封装等领域的焊接技术。
【关键词】金锡合金、金锡焊料薄膜、气密性封装、预成型焊片
1 引言
电子封装材料是电子封装技术的重要支撑，其中焊料是钎焊工件时用来填充连接处间隙使工件牢固结合的填充材料。焊料的可焊性、熔点、强度、杨氏模量、热膨胀系数等均可影响钎焊连接的质量。所以合适的焊料是活的可靠性封装和连接的关键。熔点为280°C的共晶Au80Sn20合金焊料具有高强度、高热导率、免助焊剂等优异性能，且对镀金层焊盘有天然的适应性，因此是各种高端器件、光电子器件和功率电子器件的理想封装材料。在原创性的器件研发发过程中，金锡共晶焊方案也成为首选的工艺方案。本刊曾专稿介绍过预成型焊片的相关内容，为预成型焊片的普及应用做了些基础性工作。经过几年的应用实践，金锡合金焊料又有了新的发展和更多的应用形式。为此，本文再将以金锡合金焊料的应用为主题，向读者介绍AuSn20合金焊料薄膜、金锡焊膏、金锡预成型焊片等的相关制备和应用；介绍AuSn20合金焊料在气密封盖、管壳焊接及芯片封装等领域的焊接技术。
2 金锡相图及其性能
2.1 相图
我们通常是通过相图来了解合金的基本性能的。从图1中可以看出金锡二元合金相图很复杂，其间有多种金属间化合物，分别为：β(Au10Sn)，ζ′(Au5Sn)，ζ，δ(AuSn)，ε(AuSn2)，η(AuSn4)。共晶金锡合金是Au：Sn重量比为80：20的合金，该成分合金制备的焊料业界常称之为AuSn20焊料，熔点为280°C。
图1 Au-Sn二元合金相图
焊接时，液态的共晶金锡合金焊料在280°C发生共晶反应（L→ξ+AuSn）而凝固。进一步冷却后，ξ相中的Sn含量不断减少，析出富锡相AuSn，最后在190°C发生共析反应ξ+AuSn→Au5Sn。经过杠杆原理计算计得出AuSn相占36.4%（质量百分数），Au5Sn相占63.6%（质量百分数）。所以AuSn20焊料在常温下的微观组织为AuSn和Au5Sn的共晶结构。应该指出的是，固态下的金锡合金均没有出现单质的锡或者金，而是以不同的金锡金属间化合物的混合组织出现，因此，原则上讲金锡合金的化学性质与纯金类似，非常稳定，不易被氧化和腐蚀。但是，金与锡形成的金属间化合物（IMC）都是脆相，所以固态下的金锡合金都具有极大的脆性，较难用常规方法加工成型。
2.2 金锡合金的性质
金锡共晶合金钎料由于具有许多良好的物理特性，使其具有很多优异的钎焊性能，如钎焊温度适中、无需助焊剂、良好润湿性、低粘滞性、钎焊强度高、导热性能好等。其物理性质如表1。
表1 共晶金锡合金的性能
AuSn20属于硬质钎料，室温下合金钎料在的屈服强度很高，即使在250-260°C的高温时，其强度仍然可以满足器件气密性的要求。AuSn20的焊接强度为47.5MPa，比过去常用SnPb37的焊接接头剪切强度26.7MPa要高出许多。同时AuSn20焊料的高温焊接强度也比较高，因而能够耐受热冲击、热疲劳，能够在高温环境或者温度变化幅度大的环境下使用。 AuSn20的熔点为280°C，推荐的钎焊温度高于熔点30~50°C左右。这个温度比较接近于传统电子制造业广泛应用于芯片焊接的高铅焊料，而高铅焊料使用工艺非常的成熟，所以AuSn20这个熔点非常的适合作为电子焊接材料。在焊接过程中，基于合金的共晶成分，很小的过热度就能使合金熔化并润湿器件。另外，金锡共晶合金的凝固过程进行得也很快，因此使用AuSn20可以大大缩短整个焊接过程周期。
AuSn20具有良好的漫流性。在280°C熔点附近很小的一个范围内可以完全熔化成流动性很好的液态，因而具有很小的粘滞性，能够迅速熔化并充满待焊间隙，保证焊接的密封性。
AuSn20的热导率为57W/m·k，在软钎料中属于较高水平，因此用AuSn20焊接的器件具有良好的导热性能。激光器、功率电子器件和对导热与散热有高要求的场合，热流可通过金锡焊料传导给热沉，形成快速传热通道。
AuSn20焊料合金的抗氧化性能优良，在空气中焊接时材料表面氧化程度较低，可以得到可靠的焊接接头。对于高可靠性电子器件特别是军用电子器件，在焊接过程中采用真空，或还原性气体如氮气和氢气的混合气，氧化程度更低，焊接接头的可靠性更高。AuSn20是一种无需化学助焊剂的清洁环保的焊接材料。
AuSn20焊料可以直接在镀金层上焊接，对镀金焊盘的扩散腐蚀很小（俗称“不吃金”），因此焊接过程中无需考虑镀金层下的材料构成。
AuSn20除了以上几个优点之外，还有抗蠕变和抗疲劳性能很好等等。
金锡共晶合金焊料最大的缺点就是应用成本较高（金含量太高），且成形加工极为困难。
3 金锡焊料成形与应用形态
3.1 预镀焊料薄膜
金锡焊料应用广泛，其主要使用形式有：焊料薄膜、焊膏以及预成型焊片等。
AuSn20薄膜是AuSn20钎料的重要形态，通常沉积在陶瓷、钨铜等高导热基体上，厚度一般为3~6μm。AuSn20薄膜制备方法有蒸发法、电镀法和溅射法。
电子束蒸发镀膜是采用高能量电子束轰击坩埚内的待蒸发材料，使材料的原子或分子获得能量后从坩埚内蒸镀出来，沉积在基体材料上。电子束蒸镀制备金锡焊料薄膜分两种情况：一是交替分层蒸发金/锡金属层，经热处理后得到金锡焊料薄膜；二是同时蒸发金、锡金属实现共沉积。电子束蒸镀工艺效率较高，制备的钎料纯度高，但由于蒸发过程中金属粒子行进的方向性弱，因此真空膛内壁也将被覆盖，导致材料利用率较低。
交替蒸发金锡焊料的过程：交替沉积金、锡金属，形成符合一定比例的原子层，然后经退火处理，使金、锡之间相互扩散，最终形成具有较高一致性金锡焊料层。不同的结构参数和不同的沉积条件导致合适的退火温度从200°C至350°C不等。图2为交替蒸发金锡焊料沉积层的结构示意图。这种方法制备的金锡薄膜后续需要热处理才能实现薄膜合金化，薄膜成分及均匀性不易控制。
图2 交替蒸发金锡焊料沉积层结构
与交替蒸发法不同，共沉积蒸发法是同时沉积金、锡两种金属，可以不借助热处理而实现原位合金化。但由于沉积速率不易控制，要得到接近共晶成分的金锡薄膜十分困难。
电镀金锡焊料由于其便捷性和经济性研究越来越广泛。同样电镀方法也分成两个方面 ：电镀金锡多层结构和电镀金锡共晶。电镀金锡多层结构和交替蒸发金锡焊料过程类似，基底在金电镀液和锡电镀液之间进行交替，电镀完成后,需要在共晶温度以上进行热处理。电镀沉积的一个优点是可以通过光刻胶实现局部电镀。这使得昂贵的金锡焊料的使用率更高，且可以制备各种形状的钎料层，但钎料层厚度难以控制。使用挂镀，厚度均匀性可控制在±10%范围内；用喷镀，度均匀性可控制在±5%以内。要获得精确的镀层厚度较困难。
在添加一定螯合剂的情况下能够实现金锡共晶电镀，简化电镀工艺，但电镀条件控制严格，其电流密度需要精确控制，因此对镀液的长期稳定性要求高。
溅射AuSn20薄膜有两种方式，一种是分别使用Au靶和Sn靶进行双靶溅射镀膜，另外一种是使用AuSn20合金靶单靶溅射。双靶溅射需要金层锡层交替溅射，单靶合金靶溅射需控制基片温度，以避免靶材表面由于元素扩散带来的成分变化。
3.2金锡焊膏
金锡合金焊膏是由金锡合金粉末和助焊剂组成，具有适应性强、适合结构复杂工件的装配等特点。通常采用印刷方式将其批量分配至各焊盘，将元器件一一对应至相应的焊盘上，通过回流焊的方式就可实现多点批量焊接接头。相同使用条件下，金锡焊膏的铺展性优于箔材，其原因主要在于焊膏中的助焊剂含有活性剂等物质能有效去除钎料及母材表面的氧化物，同时熔融的助焊剂漂浮在钎料表面，在阻止金锡合金进一步氧化的同时改变了界面张力状态，降低了熔化钎料的表面张力。使用金锡焊膏印刷焊点的用量可以严格控制，但焊后助焊剂可能有残留，不适用于有空腔、无助焊剂污染的场合。
钎料合金粉约占金锡焊膏总重量的85-95%，是焊膏的主体部分。钎料合金粉的制备方法有雾化法、离心雾化法和超声雾化法。雾化法是利用氮气、氦气、水等高压雾化介质获得较高的动能，通过撞击熔融金属使其破碎成小液滴，小液滴在飞行过程中冷却凝固，从而获得钎料合金粉。该方法技术成熟且产量高，但生产出的粉卫星球多，单炉次生产成本高，已不适合高品级钎料粉的生产。离心雾化法是在高速旋转的圆盘上，金属液滴由于离心力而破碎成为小颗粒，然后快速冷却凝固成一定尺寸的钎料合金粉，该方法适合微细钎料粉的大批量生产，随着SMT组装技术和无铅化技术的快速发展，离心雾化已成为制备钎料合金粉的主流技术。超声雾化是利用超声高频振动使液态金属形成微细雾滴，该方法生产的钎料粉形貌好，适合多品种小规格生产。
除此以外，还可以使用机械合金化制备AuSn20合金粉末。机械合金化工艺是将Au粉和Sn粉按照共晶成分混合，放入球磨机中进行高能球磨。Au-Sn 混合粉末体系在高能球磨过程中由于瞬时界面温升而诱发了化学反应，生成各种金属间化合物。随球磨时间的增加，AuSn20的合金化程度增加，组织中的单质Au逐渐减少，金属间化合物逐渐增多，并由ε相（AuSn2）+δ相（AuSn）逐渐转变为δ相（AuSn）+ζ′相（Au5Sn），最终的合金组织基本上为δ相（AuSn）和ζ′相（Au5Sn）所组成。
3.3金锡预成型焊片
金锡预成型焊片可以在焊料形状设计时，通过厚度和宽度等参数，精确控制分配焊料在焊接的不同位置的焊料量，适应对装配要求高的焊接场合。金锡预成型焊片的焊接工艺通常是在保护气氛中进行，在此种条件下，可以免除助焊剂的使用，从而也免除了清洗过程。经过合理设计的预成型焊料通常能以最小的成本形成很好的焊接效果，使焊接接头获得很高的电学性能和焊接成品率，所以预成型焊料焊接工艺是高可靠、高导热封装的理想焊接工艺。
虽然国内外申请的相关金锡合金焊料的制造工艺专利不少，但在这些工艺中比较典型、有实际应用价值和比较适合工业生产焊片的工艺大致可以归为铸造拉拔工艺和叠层工艺。叠层工艺采用多层复合技术，将分别预处理过、轧至一定厚度的金带和锡带，按照Au/Sn/Au…/Sn/Au的方式，彼此相间层叠在一起，预压成复合坯料，再冷轧成所需规格的箔材，冲裁出焊片。熔铸增韧工艺是将Au和Sn熔炼成铸锭，然后经过热轧、拉拔、冲裁等工艺，制备出箔材、焊片或丝材，制备过程中通过增韧退火提高合金韧性以保证后续加工的连续性。
表2 几种金锡合金焊料制备方法比较
金锡焊料对于那些精度要求高、机械性能好、导热导电性能优良、可靠性高的应用来说是最好的选择。这些应用包括气密性封装、光电子封装工艺中的射频和隔直流粘接、功率激光二极管管芯粘接等。4 金锡焊料的应用
4.1 气密性封装
气密封盖中最常用的封装工艺是平行缝焊工艺，具体封装示意图如图3所示。封装时，首先将陶瓷外壳与盖板的结合处镀上金属层（一般为金/镍镀层），以保证焊料的润湿性，然后将有源器件芯片封装到陶瓷外壳里面，在盖板与外壳之间放置金锡预成型焊料，通过平行缝焊对连接处进行局部加热焊接，不会影响到已经封装好的有源器件芯片。也可采用夹具夹持进行整体回流焊接（或者采用真空回流焊接）。在平行缝焊过程中金锡焊片受热熔化与陶瓷表面金属紧密结合。由于AuSn20焊料的高强度以及填充空隙优良的特性，有效保证了封装的气密性和可靠性。
图3 金锡预成型焊料应用于陶瓷封装气密封盖示意图
在光电器件如发射器、接收器及放大器等封装的穿通粘接中，垫圈型金锡预成型焊片是最好的选择。如图4所示，绝缘子外导体和封装基体皆由可伐合金制造并镀以镍和金，在焊接过程中，熔化的金锡焊环在毛细作用下填充绝缘子外导体和封装机体之间的间隙。由于间隙很小，过多的焊料会造成短路，定量精确的金锡预成型焊片可以有效防止这一现象发生。
图4 金锡预成型焊片应用于绝缘子焊接示意图
4.2 光电子封装
光纤插芯是光通讯的关键无源器件。光纤插芯的尾纤封装常采用微小的金锡合金焊环将光纤焊在镍管上，然后安装在插芯头上。光纤被焊接的光纤端部和镍管均采用化学镀方法局部镀金，然后再将镀金的光纤端部插入镍管中，套上金锡合金焊环，采用氢焰将尾纤与镍管焊接起来 如图5所示。光电器件的管壳与管座的封装通常也会采用金锡预成型焊片来焊接。图6(a)和图6 (b)分别是草帽头管壳和蝶形管壳的封装示意图。
图5金属化光纤管芯封装示意图
图6 两种管壳的封装示意图
4.3功率激光二极管的封装
激光加工的普及使得功率激光二极管的应用越来越广泛。随着封装技术和芯片技术的提高，功率激光二极管的功率越来越高，随之而产生的热量达到了惊人的密度。由于激光二极管的发光效率会随温度升高而下降，因此激光二极管工作时的散热显得极为重要。采用金锡共晶合金焊料封装就可很好地解决散热问题。将激光二极管芯片通过预成型金锡焊料直接焊接到铜热沉上，不仅大大提高了导热能力，同时还有较高的强度和较好的抗热疲劳特性。芯片底部覆金与镀金的热沉封装面可以直接用金锡合金焊接而不需要制备过渡层金属，如图7所示。另外，因为金锡合金的杨氏模量高，即使在很薄的情况下（5-25μm），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夹杂气孔的可能性大大降低，提高了激光二极管散热性能和可靠性。
图7 金锡预成型焊料应用于激光二极管示意图
5 结语
金锡合金焊料是一种广泛应用于光电子封装和高可靠性军用电子器件焊接的贵金属焊料。随着功率电子器件（如IGBT器件）、光电子器件、军用电子等高可靠性电子器件的发展，金锡合金焊料的需求将会越来越大。尽管金锡焊料较为昂贵，但很难被传统焊料替代而适用其最佳的应用场。金锡合金焊料的不同应用形态将在市场上长期共存。
（本文由叶惠婕、王捷完成初稿）
(20190802)
