金锡焊料及其在电子器件封装领域中的应用
1 前言
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有很多年了。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。
2 Au80%Sn20%焊料的物理心能
Au80%Sn20%金锡焊料的一些基本物理性能。
（1）钎焊温度适中
钎焊温度仅比它的熔点高出20～30℃(即约300～310)。在钎焊过程中,基于合金的共晶成分,很小的过热度就可以使合金熔化并浸润;另外,合金的凝固过程进行得也很快。因此,金锡合金的使用能够大大缩短整个钎焊过程周期。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℃。
(2)高强度
在室温条件下,金锡合金的屈服强度很高。即使在250～260℃的温度下,它的强度也能够胜任气密性的要求。材料的强度与一些高温钎焊材料相当,但是钎焊过程可以在相对低得多的温度下完成。
(3)无需助焊剂
由于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。
(4)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,囚而通过扩散对很薄镀层的浸溶程度很低,同时也没有像银那样的迁徙现象。
(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。
另外,Au80％Sn20％焊料还具有高耐腐蚀性、高抗蠕变性及良好的导热和导电性。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。
3 热力学性能
由于金锡合金的热力学性能决定了它的许多使用性能,了解合金的一些基本热力学性能是必要的。金锡能够在80 wt％金和20 wt％锡的成分比例下形成共晶合金。
金锡合金在280℃的共晶反应为液相L<-->ζ+δ.在合金的此反应附近,主要包括ζ''(Au5Sn)相,ζ相和δ(AuSn)相。在ζ''相中,锡的重量百分比为10.7％。它具有六角结构,在190℃以下是稳定相。ζ相由包晶反应β+L<-->ζ形成。在521℃,ζ相锡的重量百分比为5.7％;在280℃,此百分比为11.3％;而在190℃,此百分比为8.8％ ζ 相具有镁型六角密排结构。相ζ是一种金属问化合物,其熔点为419.3℃,具有NiAs型六角结构.δ相的成分可在一定范围内波动,其中锡的原子百分比为50.0％到50.5％(重量百分比为37.5％到37.9％)。
4 金锡焊料预成型片
可用于微电子封装的钎焊料有很多形式,最主要的有丝、片、焊膏和预成型片等形式。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。在这些所有的形式里,钎焊膏是用于电子封装最理想的形式。然而,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。因此,为了获得诸如器件生产及封装等应用的稳定性,正确的选择应该是冲压成型的预成型片。预成型片能够确保钎焊料的精确用量和准确位置,以达到在最低成本情况下获得最佳的质量。在二十世纪六十年代,预成型片最先用于生产一些元器件如金属封装的钽电容。现在它主要用于一些无源元件、光电器件的生产及封装工艺。 预成型片主要具有以下优点：
①通过采用预成型的方法,能够精确控制钎焊料用量、成分和表面状态,从而提供更大的钎焊工艺窗口和最佳的组装质量,以获得钎焊连接可靠性的提高,这就是工业界通常所要求的高Cpk值和保证质量条件下的低成本。
②在控制气氛中使用预成型片可以免除使用易污染和难以控制的助焊剂。通过对钎焊焊接过程的控制,同时可以免除焊接后成本很高的清洗过程。
③预成型片通常是满足那些需要高可靠和良好导热的高性能焊接的最佳解决方案。
④对于需要连接的基板材料的变化和特殊性能或环境保护的要求,对金熙焊料预成型片几乎不受任何限制。
⑤经过正确地设计及应用,预成型片可以获得较高的性能价格比,使焊接点具有很高的成品率和电学可靠性。
