金錫合金焊料的優(yōu)勢(shì)以及其特定的用途

金錫合金是電子焊接中的一種，具備很好的市場(chǎng)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(xiàng)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(shì)和用途呢？

一，（金錫合金）Au-Sn焊料的優(yōu)點(diǎn)和不足

      金錫合金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(rùn)；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(gè)釬焊過程。金錫合金的釬焊溫度范圍適用于對(duì)穩(wěn)定性要求很高的元器件組裝。同時(shí)，這些元器件也能夠承受隨后在相對(duì)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(duì)電子，尤其是光電子器件封裝最為重要。

     4. 浸潤(rùn)性

      具有良好的浸潤(rùn)性且對(duì)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(duì)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(dòng)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(guó)軍品中已獲得應(yīng)用，并有國(guó)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(jià)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(shí)焊接。只能被應(yīng)用在芯片能夠經(jīng)受住短暫高于300℃的場(chǎng)合。

金錫合金的熔點(diǎn)在共晶溫度附近對(duì)成分非常敏感，從相圖可見，當(dāng)金的重量比大于

80％時(shí)，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(zhǎng)的焊接時(shí)間下，會(huì)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(shí)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(guó)、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(guó)外廠家能夠提供此種電鍍液的商品，國(guó)內(nèi)真正的研究文章還很少。

濺射法和熱蒸發(fā)法國(guó)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(tái)灣的中山大學(xué)也有過研究。這種方法存在一個(gè)問題，進(jìn)行熱處理的時(shí)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(shí)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(shí)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(duì)組裝的元器件進(jìn)行其殘留物的清理。而且絲印法雖然簡(jiǎn)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(jí)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(duì)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(jí)凸點(diǎn)（是否是晶圓片級(jí)？）

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(duì)位（Accurate Laser Alignment）

二，金錫合金焊料的具體用途有哪些？

    （一）、激光二極管

　  金錫合金（AuSn合金）在光電子學(xué)中激光器封裝有重要的應(yīng)用。未來5年光通信和光子計(jì)算

機(jī)的推廣，金錫合金將是重要的封裝材料。

目前，英特爾已將硅基激光器集成到芯片上，從而可以低成本量產(chǎn)。以硅材料產(chǎn)生

激光的技術(shù)也能達(dá)到傳統(tǒng)激光95%的性能，可將傳統(tǒng)（激光）器件售價(jià)大大降低，出現(xiàn)了硅光電子學(xué)，采用批量生產(chǎn)的硅制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)光子器件。

     激光二極管封裝的金錫合金焊料的應(yīng)用

一種激光管封裝的金錫合金焊盤

ATP公司激光二極管的次級(jí)封裝

銦焊料是大功率半導(dǎo)體激光器封裝最常用的焊料之一。銦焊料在高電流下易產(chǎn)生電遷移與電熱遷移問題，將影響半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)定性。銦焊料封裝的激光器的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于金錫焊料封裝的器件，而且在使用時(shí)器件性能會(huì)出現(xiàn)突然退化的現(xiàn)象。采用無銦化封裝技術(shù)可克服銦焊料層的電遷移。在無銦化焊料的選擇中，金錫焊料由于其封裝器件的性能穩(wěn)定性而成為封裝中的重要焊料。

不同焊料封裝激光器加速壽命測(cè)試對(duì)比曲線

銦焊料封裝的激光器不到400小時(shí)輸出功率就出現(xiàn)突然退化的現(xiàn)象；而金錫焊料封裝的器件1500小時(shí)后功率仍然穩(wěn)定輸出。 

　　采用無銦化技術(shù)，用金錫制備的激光器產(chǎn)品具有儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)、耐高溫、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

（二）、 金錫合金焊料大功率LED中的應(yīng)用    

       A、芯片封裝

 　　提高大功率LED 的散熱能力是LED 器件封裝和器件應(yīng)用設(shè)計(jì)要解決的核心問題。

 　　芯片襯底粘貼材料通常選用導(dǎo)熱膠、導(dǎo)電型銀漿、錫漿和金錫合金焊料。金錫合金焊料的熱導(dǎo)特性是四種材料中最優(yōu)的, 導(dǎo)電性能也非常優(yōu)越。  

 　　由于金錫合金具有熱導(dǎo)率高、熔點(diǎn)較高等特點(diǎn),因此采用金錫共晶合金(80Au20Sn)作為L(zhǎng)ED固晶材料,可以大大減少芯片與散熱基座之間的界面熱阻。芯片下平整的金錫合金層只有3μm厚，所以除了共晶固晶機(jī)臺(tái)需要有高位置精度外，基板表面粗糙度(Ra)與高低差(PV)要低。

 　　L 型電極的大功率LED芯片封裝。首先在 SiC 襯底鍍一層金錫合金（一般做芯片的廠家已鍍好），然后在熱沉上也鍍一層金錫合金，將LED 芯片底座上的金屬和熱沉上的金屬溶合在一起，稱為共晶焊接。

       高功率芯片與基板材料的連接通過自動(dòng)固晶機(jī)完成，固晶機(jī)臺(tái)設(shè)置為預(yù)熱區(qū)溫度180℃，固晶區(qū)溫度300℃，壓力70， 時(shí)間 25ms，功率100mW。

    以氮化鎵為原料的高亮度LED生產(chǎn)有兩種方法：即金-金熱壓和金錫共熔粘結(jié)。前者粘結(jié)時(shí)的溫度250℃ to 400℃，壓力1至7 MPa，時(shí)間從幾分鐘到幾小時(shí)。低溫時(shí)需增加時(shí)間和壓力。如果時(shí)間和壓力不夠，通常晶圓與晶圓間只有局部的結(jié)合。

　　錫金共熔法是通過固體與液體的擴(kuò)散而形成金屬間化合的合金達(dá)到粘結(jié)。一個(gè)晶圓涂上一層薄金，而另一晶圓涂了一層厚度達(dá)5微米的金錫。必要時(shí)可涂擴(kuò)散阻隔層。晶圓粘合在氮?dú)浠旌蠚猓?5% N2, 5% H2)中進(jìn)行。這種方法只需低壓和用比熔點(diǎn)稍高的溫度，可在幾分鐘內(nèi)完成粘結(jié)。

       B、晶園片粘結(jié)

4英寸鍺晶圓與砷化鎵晶圓通過金錫粘結(jié)后的介面超聲圖像，深藍(lán)色是粘結(jié)完好的區(qū)域?？梢娬麄€(gè)介面都很均勻地粘結(jié)在一起。

2英寸格狀藍(lán)寶石晶圓與2英寸硅晶圓通過金錫粘結(jié)的聲像圖。淺灰色的區(qū)域是粘結(jié)好的器件，黑色條紋切割器件的分隔道。

Au-Sn合金在大功率LED 的應(yīng)用包括芯片焊料及凸點(diǎn)              

　　選擇芯片連接凸點(diǎn)的材料時(shí)需要考慮凸點(diǎn)材料的一系列特性，包括可焊性、熔化溫度、楊氏模量、熱膨脹系數(shù)、泊松比、蠕變速率以及抗腐蝕性等，才能保證封裝的可靠性，否則整個(gè)器件就有可能因?yàn)檫^熱或連接處機(jī)械強(qiáng)度不夠而過早失效。

傳統(tǒng)的正裝芯片一般采用植金球凸點(diǎn)或金線鍵合進(jìn)行焊接。單個(gè)芯片動(dòng)輒有著近20個(gè)凸點(diǎn)，而每一個(gè)凸點(diǎn)都需要單獨(dú)植，生產(chǎn)效率低。C-LED技術(shù)可以以晶圓( wafer )為單位一次性電鍍所有凸點(diǎn)，并以整個(gè)晶圓為單位進(jìn)行焊接，從而有效地提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。晶片凸點(diǎn)制作是焊料凸點(diǎn)倒裝芯片技術(shù)的核心。

                                    大功率LED 焊接示意圖

Au-Sn合金凸點(diǎn)形成方法---蒸發(fā)法、電鍍法

 　　目前最成熟的晶片凸點(diǎn)制作方法是蒸發(fā)晶片凸點(diǎn)制作工藝，蒸發(fā)工藝需要通過金屬掩膜來定義出金屬的蒸鍍位置與形狀，在蒸發(fā)凸點(diǎn)的同時(shí)有大量金屬被蒸鍍?cè)谘谀ど希糠纸饘俅┻^掩膜的開口部位在晶圓上形成凸點(diǎn)。這種方法設(shè)備費(fèi)用高，又需要特殊的掩膜，加上金屬的浪費(fèi)，因此總體制作費(fèi)用較高。

       第二種最成熟的方法是電鍍，是一種濕法凸點(diǎn)制造工藝。首先在整個(gè)晶片表面濺射金屬，在金屬薄膜上涂覆一定厚度的光刻膠，使用掩膜確定凸點(diǎn)的圖形，然后將晶片作為陰極進(jìn)行凸點(diǎn)的電鍍。電鍍釬料要超過光刻膠一定的高度以便在形成蘑菇型頂部后得到預(yù)定高度的凸點(diǎn)。晶片回流時(shí)熔化的釬料在表面張力的作用下形成球形焊料凸點(diǎn)。球狀凸點(diǎn)可使焊接過程中對(duì)位準(zhǔn)確，在使用過程中電流密度也較均勻。這種方法目前非常流行，因?yàn)樗芤匀我饨M分電鍍焊料。電鍍法制備凸點(diǎn)價(jià)格低廉，設(shè)備簡(jiǎn)單，且能節(jié)省原材料。 

 　 實(shí)現(xiàn)白光HB-LED照明意義重大。倒裝芯片技術(shù)是實(shí)現(xiàn)白光HB-LED封裝的有效手段，其技術(shù)關(guān)鍵之一在于芯片凸點(diǎn)的制作。經(jīng)濟(jì)、快捷、有效地制備出具有優(yōu)異性能的80wt%Au-20wt%Sn共晶凸點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)倒裝芯片的關(guān)鍵。目前金錫凸點(diǎn)的制備多采用分層電鍍Au和Sn的方法來實(shí)現(xiàn)，顯然，直接金錫合金鍍具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。

（三)  、Au-Sn在微電子學(xué)中的應(yīng)用

       1.  IC及功率半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用

　　AuSn20合金焊料是熔點(diǎn)在280~360℃內(nèi)唯一可以替代高熔點(diǎn)鉛基合金的焊料。AuGe和AuSi主要用于芯片與電路基材的連接，而AuSn20焊料除用于芯片與電路基材的連接外，還可以廣泛用于多種高可靠電路氣密封裝。

　　在功率放大器微電子器件制造中，通常采用焊料合金把芯片焊接在管殼上來建立散熱通道。金基焊料比錫基或鉛基焊料有較優(yōu)良的熱導(dǎo)性和較高的熔點(diǎn)。與高鉛焊料相比，金基焊料具有較高的抗熱疲勞性能，因此，金基焊料是性能優(yōu)良的微電子器件封裝用材料。金基焊料價(jià)格昂貴，但是典型的IC僅使用2～3mgAu，其成本幾乎可以被忽略。

2. 低成本的無鉛晶圓凸點(diǎn)技術(shù)

　　在芯片封裝中，每個(gè)焊盤（Pad）的焊線不多于300，而采用凸點(diǎn)其數(shù)量則可以超過3000。

　　凸點(diǎn)成形工藝、晶圓片凸點(diǎn)電鍍技術(shù)、凸點(diǎn)下金屬化及可靠性問題和無鉛化材料是微電子封裝發(fā)展方向之一。

       凸點(diǎn)（Bump）成形方法

      （1）、固態(tài)球形位置

      （2）、凸點(diǎn)成形漏印板印刷技術(shù)

 　　隨著細(xì)間距芯片規(guī)模封裝的到來，固態(tài)球形位置法多為漏印板印刷技術(shù)的焊料淀積法替代

        （3）、晶圓片凸點(diǎn)形成的電鍍技術(shù)

 　　漏印板印刷技術(shù)的最小間距目前局限在150～200μm范圍。對(duì)超細(xì)間距和高互連密度封裝，電鍍技術(shù)最受歡迎。凸點(diǎn)電鍍技術(shù)的理論間距可小到40μm，凸點(diǎn)高度均勻度在±1μm范圍內(nèi)，而漏印板印刷的凸點(diǎn)高度均勻度在±7μm范圍內(nèi)，使用電鍍技術(shù)可達(dá)到更好的均勻性。由于電鍍技術(shù)的效率高，對(duì)高價(jià)值、大尺寸IC而言，電鍍技術(shù)是低成本技術(shù)。

        3. 薄膜集成電路中的應(yīng)用

 　　國(guó)外知名公司ATP、ATC、DLI公司均在薄膜電路中大量使用電鍍金錫合金焊盤。

ATP公司氧化鋁基片上制作的凸點(diǎn)，Φ120μm, t 24±6μm。典型值為Φ、t各為25.4μm。

ATP公司在氮化鋁基片上預(yù)沉著圖形化（Au/Sn）合金

4. 可焊性AlN、BEO支撐片（Submount、Standoff）及熱沉片（Sink）

5. 金屬化微波介質(zhì)基片上預(yù)沉著圖形化 (Au/Sn)合金，厚度100-350μm

　　我公司微波陶瓷介質(zhì)基片的介電常數(shù)K值范圍6.8~180，低頻1MHz陶瓷介質(zhì)基片的介電常數(shù)K值范圍20~900,，低頻1KHz陶瓷介質(zhì)基片的介電常數(shù)K值范圍2000~30000。

       綜上可知，金錫合金電鍍法形成的Au80/Sn20焊料在微電子學(xué)、光電子學(xué)、半導(dǎo)體發(fā)光和MEMS等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，這一技術(shù)目前即將在部分電子廠家投入使用，金瑞欣特種電路多年電路板制作經(jīng)驗(yàn)，累積了熟練制作技術(shù)和精湛工藝，主營(yíng)陶瓷板、高頻板等，期待給客戶制作更多高品質(zhì)的產(chǎn)品，為推進(jìn)電子領(lǐng)域和技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量！