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AuSn焊料的特性及其应用
发布时间:2018-12-10 丨 阅读次数:938

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多年。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。


Au-Sn焊料的优点 


 1. 钎焊温度适中 

  钎焊温度仅比其熔点高出20~30℃(即约300~310)。在钎焊过程中,基于合金的共晶成分,很小的过热度就可使合金熔化并浸润;合金的凝固过程很快。因此,金锡合金的使用能够大大缩短整个钎焊过程。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℃。共晶金锡焊料(Au80Sn20)提供的温度工作范围高达200℃。

2. 高强度

  金锡合金的屈服强度很高,即使在250~260℃的温度下,其强度也能胜任气密性的要求。

3. 无需助焊剂

  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。这是最令人瞩目的特点之一,对电子,尤其是光电子器件封装最为重要。

4. 浸润性

  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,因而通过扩散对很薄镀层的浸溶程度很低,也没有银那样的迁移现象。

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。在大多数情形下无流动性。 

6. Au80%Sn20%焊料具有高耐腐蚀性、高抗蠕变性及良好的导热和导电性,热传导系数达57 W/m·K。

7. 无铅化。

8. 与低熔化焊料形成温度阶梯。

(备注:金锡合金焊料在我国军品中已获得应用,并有国军标 6468-2008“金锡焊接钎料规范”。)


Au-Sn焊料的不足

  

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。此外,由于熔点较高,不能与低熔点焊料同时焊接。只能被应用在芯片能够经受住短暂高于300℃的场合。

  金锡合金的熔点在共晶温度附近对成分非常敏感,从相图可见,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扩散进焊料。在过厚的镀金层、过薄的焊盘、过长的焊接时间下,会使扩散进焊料的金增加,而使熔点上升 。

Au/Sn合金相图

AuSn20 焊料20℃时的力学物理性能

Au/Sn合金的热导率在常用焊料中最高

金锡合金的制作方法主要有如下几种


AuSn淀积技术 


金和锡用电子束蒸发形成Au/Sn层结构

电镀AuSn共熔合金

电镀金和锡来形成Au/Sn层

使用丝网印刷或者点胶技术进行AuSn黏贴应用 

合金电镀法形成Au80/Sn20的合金,在目前来说,应该是最好的一种制造方法,美国、日本及加拿大均有此方面的专利,但目前全球只有极少数国外厂家能够提供此种电镀液的商品,国内真正的研究文章还很少。

  溅射法和热蒸发法国内有研究所在进行相关的研究,但这种方法制备的膜层最厚只能到数千埃,难以进一步做厚,而且投资成本大,贵金属材料浪费严重。

  分层电镀法是先镀上一层金,然后在金表面镀上锡,最后经过热处理形成金锡合金。这种方法电子科技集团24所和台湾的中山大学也有过研究。这种方法存在一个问题,进行热处理的时候,锡可能向非焊接区的金表面扩散从而在非焊接区形成合金,或是金层和锡层相互扩散不够彻底从而导致不能完全形成金锡合金。 


实用中形成AuSn合金的形态


1. 预成型片

  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。

2. 焊膏

  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。而且丝印法虽然简单,但膜层表面粗糙,边缘部分不光滑,不能满足微电子产品的要求。

3. 电化学

  电化学方法能够确保钎焊料的精确用量和准确位置,达到在最低成本情况下获得最佳的质量。

预成型片 

  Au、Sn多层冷轧制造AuSn20合金箔带材规格为0.025~0.10毫米。在微电子学、光电子学和MEMS中应用,焊盘往往只需要3-5μm, 预成型片最薄25μm,而且无法满足图形复杂、精确定位和园片级凸点等要求。

 

 AuSn合金预成型片在IC封装的应用

 

 

微电子学、光电子学和MEMS对焊盘材料的要求

  • 精确的熔点温度,一般为280℃。

  • 准确的图形及定位。

  • 良好的润湿性和焊接性。

  • 厚度可控。

  • 良好的附着力。

  • 批量一致性

合金电镀法形成Au80/Sn20合金的优点 

  • 在1μm到几十μm可准确控制厚度

  • 批量一致性好

  • 可制作园片级凸点(是否是晶圆片级?)

  • 80% Au/20% Sn组分均匀

  • 利用光刻技术可制作复杂的焊盘图形

  • 精确的激光对位(Accurate Laser Alignment)

2006年Technic 公司宣布首次通过直接法电沉积共晶金锡合金成功并实用化

  G. Hradil, 'A Practical Electrolyte for the Electro-Deposition of Eutectic Gold/Tin Alloy,' IEEE Advanced Packaging Materials: Processes, Properties and Interface International Symposium, 2006.

AuSn焊盘的检测 

1. 形貌—TEM、SEM

二次电子扫描电镜发现镀层缺陷

2. 镀层相分析--X射线衍射

3. 成分分析—EDAX、AES、XPS

 

4. 镀层元素分布及浓度—电子探针显微分析

5. 熔点—差热分析仪、自动熔点仪

6. 力学性能—拉力计、推球仪、剪切力检测设备 

7. 气密性检测设备: 氦质谱检漏仪 

8. 焊接设备: BTU 公司烧结炉, 该设备能够有效实施N2 或N2H2 混合保护气氛焊接, 实时监控和采集烧结炉中各点的温度。

9. 焊透率检测设备:该设备能够有效测量芯片共晶焊接中的芯片焊透率。

10. 老化实验

11. 金锡合金可靠性测试

12. 差热分析准确测量Au/Sn合金熔点

 


金锡合金焊料的具体应用 


(一)、激光二极管

  AuSn合金在光电子学中激光器封装有重要的应用。未来5年光通信和光子计算机的推广,金锡合金将是重要的封装材料。

  目前,英特尔已将硅基激光器集成到芯片上,从而可以低成本量产。以硅材料产生激光的技术也能达到传统激光95%的性能,可将传统(激光)器件售价大大降低,出现了硅光电子学,采用批量生产的硅制造技术来实现光子器件。

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