解析金錫合金焊料的優(yōu)勢以及其特定的用途 （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釬焊過程。金錫合金的釬焊溫度范圍適用于對穩(wěn)定性要求很高的元器件組裝。同時，這些元器件也能夠承受隨后在相對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)焊料同時焊接。只能被應(yīng)用在芯片能夠經(jīng)受住短暫高于300℃的場合。

金錫合金的熔點(diǎn)在共晶溫度附近對成分非常敏感，從相圖可見，當(dāng)金的重量比大于80％時，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、過長的焊接時間下，會使擴(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所和臺灣的中山大學(xué)也有過研究。這種方法存在一個問題，進(jìn)行熱處理的時候，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組裝的元器件進(jìn)行其殘留物的清理。而且絲印法雖然簡單，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

可制作園片級凸點(diǎn)（是否是晶圓片級？）

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

精確的激光對位（Accurate Laser Alignment）

編輯：jq