预成型焊料及其应用

【环球SMT与封装】特约稿

吴懿平博士

武汉光电国家实验室教授

华中科技大学连接与电子封装中心教授/博导

广州先艺电子科技有限公司技术总监

Email: ypwu@mail.hust.edu.cn

预成型焊料及其应用

【摘要】本人在预成型焊料领域做了多年的研究开发工作。依托相关的研究成果，由我的学生投资于2007年成立了一家专门生产预成型焊料的高技术公司——广州先艺电子科技有限公司（http://www.xianyichina.com）。该公司专注于微电子与光电子钎焊新材料的研究、开发及生产，为电子与光电子制造领域提供优质的预成型焊料(Solder Preforms)，及其相应的制造工艺解决方案。本刊2008年第四期曾经刊载了作者写的《金锡合金焊料的性能》文章，向读者介绍了金锡合金焊料的一些基本性能。当时国内预成型焊料应用仅限于特殊领域，且预成型焊料基本依赖进口。这些年来，预成型焊料的使用越来越广泛，国内也能够提供高性能的焊料产品。本文将以《预成型焊料及其应用》为题，介绍金锡预成型焊料的性能，应用领域以及应用实例。

【关键词】预成型焊料、金锡合金、电子封装、气密性封装

1 引言

     传统焊料形式有很多种，常见的有焊丝、焊膏以及预成型焊料等。焊丝（包括含助焊剂的焊丝）是手工焊接的主要焊接材料，烙铁头加热焊盘、管脚与焊丝，焊丝熔化后移去烙铁头，冷却后形成的焊点，其形状随焊盘与引线的不同而处于无规则的状态，且焊点的焊料用量也不尽相同。焊膏通常包含有金属焊料颗粒、溶剂、助焊剂以及少许添加剂，通常采用印刷方式将其批量分配至各个焊盘（主要是需要进行电连接的焊盘），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以实现多点的批量焊接接头，虽然焊点的用量可以严格控制，但这种印刷焊膏的方式很难实现形状复杂（如有回转形状）、焊接面积较大、需要致密、有空腔、无助剂污染的单一焊点的场合。而预成型焊料则可以完成复杂形状的焊接连接。预成型焊料主要具有以下优点：

     1 采用预成型焊料工艺，在使用前通过合理的设计预成型焊料的厚度和形状，精确控制焊料的使用量，用最少的焊料量，实现最佳的焊接要求，在保证焊接质量的情况下将焊接成本大幅降低。

     2 预成型焊料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，适应比较特殊的焊接要求。

     3 通常采用预成型焊料工艺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。这在许多应用领域非常的有用，因为在比较多的应用情形下，焊接的器件为了防止污染是不允许使用助焊剂的，或者是焊接后，在期间内部形成了一个密闭的封装结构，无法对其进行清洗。

     4 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。

2金锡合金的性质

2.1金锡合金及其组成相

     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)。表1给出了这些中间相的结构和基本性质。这些金锡中间相都是硬脆相，所有成分的金锡合金都是由这些金锡中间相组成。特别地，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。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。

图1 Au/AuSn合金相图

表1 金锡中间相的结构和性质

2.2 金锡合金的性质

      金锡共晶合金作为电子焊接材料，其性能非常优异：合适的熔点、优异的漫流性保证其有着良好的焊接工艺性；较好的抗氧化性、良好的润湿性使其可适用于免助焊剂工艺；非常大的强度、很强的抗疲劳性能使其能应用于高可靠封装；较强的抗蠕变、大的热导系数使其能应用于大功率器件的散热封装。表2给出了金锡合金与铅锡共晶合金的性质对比。

表2 共晶金锡合金的性能

      AuSn20作为共晶合金，有着细小均匀的晶格、很高的强度的特征。AuSn20的焊接强度为47.5MPa，比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具有良好的漫流性，在较小的熔化范围以及在焊接温度下，焊料具有较小的黏度，使得焊料能迅速完全熔化为液态并在焊盘表面铺展开来。共晶金锡合金焊料在280℃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，能够很迅速的铺展开来，保证焊接的密封性。

      AuSn20的热导率为57W/m×K，是所有钎焊料中最高的。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的要求的场合，用金锡合金焊接可保证芯片的正常工作。

      AuSn20的抗蚀能力与抗氧化能力较强。因而可以实现免助焊剂焊接，也可以直接在空气中使用火焰焊接，或者在还原性气体如氮气和氢气的混合气中回流焊，而不需要任何助焊剂。形成的焊接接头氧化少、强度高、性能可靠。也由于其抗蚀能力强，金锡合金焊料的储藏方式甚至比传统焊料的储藏方式要求更低。

      AuSn20焊料可直接在镀金层上焊接，他对镀金焊盘的熔蚀很小，因此镀金不会被共晶的金锡焊料溶掉而导致次表层外露并与焊料发生不可预测的焊料反应。这个特性技术是我们常说的“不吃金”。

      但是金锡共晶合金焊料也有自己的不少缺点。首先金锡合金焊料的金含量很多，制作成本相对于锡铅焊料增加了不少。其次，由于其成分为包含两种IMC的共晶组织，脆性很大，很难对其进行成型，冲裁等机械加工。

2.3其他预成型焊料

      广州先艺电子科技有限公司在预成型焊料的成型技术上有强大的技术优势，能够制备几乎各种合金材料的焊料及其各种形状的预成型焊料。主要产品系列有：金基预成型焊料、铟基预成型焊料、锡锑预成型焊料、锡银铜预成型焊料、铅锡预成型焊料、银铜预成型焊料以及高铅预成型焊料等。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给出了常用的预成型焊料的熔点或熔化温度区间。

表3常用的预成型焊料的熔点或熔化温度区间

      金锗（Au88Ge12）预成型焊料具有低蒸汽压、低接触电阻、与衬底粘附性好、高导电性和导热性等优点，主要应用与GaAs MESFET（GaAs金属半导体肖特基场效应晶体管）中，与Au、Ni等金属组成不同的M/S系统用于形成欧姆接触。金锗合金还广泛的用作晶体管、集成电路等元件的低熔点焊料。

      金铜（Au80Cu20、Au50Cu50）预成型焊料具有合适的熔点、很好的流动性和填充微小间隙的能力，对铜、镍、铁、钴、钨、钼、钽、铌等金属及其合金都有良好的润湿性。它与基体金属相互间不发生明显的化学作用，因而钎焊后不会降低工件的强度和尺寸精度。广泛应用于大功率磁控管、波导管、真空仪表零件等真空器件的钎焊中。

      锡锑（Sn95Sb5、Sn90Sb10）预成型焊料的熔化区间较窄（232-250°C），并且与现有焊料兼容性良好、力学性能优良，因此其应用成本明显低于Au-Sn。随着合金中Sb含量的增加，会提高该焊料接头的力学性能；Sn95Sb5(Sn90Sb10)的润湿性能比Sn63Pb37稍差，但Sn-Sb合金是低应力下蠕变抗力最好的Sn基合金。

      铟熔点较低（为156°C），可与Sn、Pb、Ag等元素形成一系列低熔点共晶焊料。铟基焊料对碱性介质有较高的抗腐蚀性，对金属和非金属都具有良好的润湿能力，形成的焊点具有电阻低、塑性高等优点，可用于不同热膨胀系数材料的匹配封装。因而铟基焊料主要应用于电真空器件、玻璃、陶瓷和低温超导器件的封装上。纯铟和高铟焊料（In97Ag3、In52Sn48）预成型焊料具有优异的热传导性，低熔点，极好的柔软性等独特的特性，常用于陶瓷元件搭接到PCB的连接材料和热传导材料。先艺公司攻克了因In的柔软性给成型加工带来的巨大困难，可以提供厚度0.05mm以上的铟基预成型焊料。

      高铅（Pb90Sn10、Pb92.5Sn5Ag2.5）预成型焊料为软钎焊材料，具有良好的漫流性及耐蚀性，在微电子封装的高温领域得到了广泛应用。高铅的锡铅钎料中加入适量的Ag可以提高焊料接头的耐热温度、缓释热应力，从而可以使之适应高功率器件封装对焊料的高可靠性要求。

      传统的共晶铅锡焊料以及锡银铜无铅焊料也可以做成预成型焊料，并可以编带包装以适应SMT贴片工艺，解决焊料不足和精确控制局部焊点的焊锡量，与标准合金焊膏兼容，减少焊膏叠印的需要，减少焊料飞溅，减少标准焊膏中助焊剂/焊膏的比例，从而减少助焊剂残留，加强了焊点强度，大大提高了焊接可靠性及产品良率。

     银基钎料（AgCu28）是目前应用最广泛的硬钎料，它们熔点适中，导电性能良好，塑性较高，具有高焊接强度、高导热性及高的软化温度，在各种介质中耐蚀性也较好。在器件钎焊时大量采用，尤其在600-1100°C温度范围内，银钎料为优选的钎料。共晶型Ag72Cu28预成型焊料的熔点为780°C，具有优良的工艺性能，适宜的熔点、良好的润湿性和填缝能力等，能够形成高强度、高导电性及耐腐蚀的钎焊接头，广泛应用于电真空器件的焊接，用于钎焊低碳钢、不锈钢、高温合金、铜及铜合金、可伐合金及难熔合金。

3金锡预成型焊料的应用

3.1气密封装

      典型应用情况是MEMS传感器的气密封装，一般说来MEMS有源器件芯片非常的灵敏，在使用的过程中直接与环境中空气接触会污染感受器而造成测试数据产生偏差而失效，所以MEMS封装都要求有很高的气密性。封装焊接后，整个封装体为一密闭的容器，不可能再对腔体内进行清洗操作；若封装体里面的有源器件芯片不能在清洗操作时被污染，就不可能采用传统的焊料进行封装，必须采用无助焊剂的清洁焊接工艺。MEMS封装外壳通常为陶瓷材料，为了减少盖板与陶瓷之间的热膨胀系数失配情况，盖板材料一般选择热膨胀系数与陶瓷材料差不多的可伐合金。封装时，首先将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，通过平行缝焊进行局部加热焊接或者采用夹具夹持进行整体回流焊接（或者采用真空回流焊接）。局部加热的好处是不用将整个封装体进行整体加热，因而不影响里面已经焊接好的有源器件芯片。具体的封装示意图如图2所示。

图2 金锡预成型焊料应用于MEMS气密封装示意图

3.2功率激光二极管封装

      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。有资料显示，功率激光二极管工作时能够产生的热量密度可达4KW/cm²。如此高的发热量，如果没有良好的散热通道及时将热量散发出去，会在激光二极管产生极高的热量堆积，导致激光二极管的发光效率下降。一般的是将激光二极管直接焊接到铜热沉上去，使系统的热阻减少。热量能够快速传递到铜热沉而散逸出去。功率激光二极管的断续工作，形成了很大的交变温度差，造成焊料的互连界面承受非常大的热应力，很容易造成焊点蠕变与热疲劳失效。采用金锡共晶合金焊料封装就可很好地解决这些问题。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。特别是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度金属。封装时，将预成型共晶合金焊料放置于铜热沉的镀金焊盘和激光二极管镀金底层之间，通过回流或者其他焊接形式焊接好，如图1.4所示。

图3 金锡预成型焊料应用于激光二极管封装示意图

3.3 光纤尾纤的焊接

      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4所示。

图4 光纤尾纤的焊接

3.4 管壳的封装

     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5是两种管壳的封装示意图。

图5 两种管壳的封装示意图

      一般地，共晶金锡预成型焊料建议的焊接温度在焊料熔点以上30-50°C，即310~330°C。焊接时无需助焊剂；最好设计一热惯性小的工装夹具，适当加压；焊后无需清洗；焊接方式可以采用真空回流焊、保护性气氛回流焊、氢焰手工焊的方法焊接。

4结语

      预成型焊料封装是一种不可替代的电子封装工艺。目前几乎所有的电子封装用的焊料均可以制备成预成型焊料。共晶金锡焊料因其具有其他焊料不可替代的优异性能而广泛应用于光电子封装和高可靠性军用电子器件封装领域。该焊料具有合适的熔点、优异的漫流性、良好的工艺性、很好的抗氧化性、良好的润湿性，非常适合免助焊剂焊接工艺；形成的金锡共晶焊点强度高、抗疲劳性能好、抗蠕变性能优异，常用与高可靠封装；大的热导系数使其能应用于大功率器件的散热封装。金锡合金焊料大都制备成预成型焊料使用，罕有焊膏和焊丝产品。金锡合金焊料的脆性较大，金焊料较高，很难成型加工，导致材料成本与成型制造成本过高而制约了金锡合金的应用。

 (20160228)