金锡合金焊料应用进展

作者:吴懿平 博士 华中科技大学 连接与电子封装中心 教授/博导

引言

电子封装材料是电子封装技术的重要支撑,其中焊料是钎焊工件时用来填充连接处间隙使工件牢固结合的填充材料。焊料的可焊性、熔点、强度、杨氏模量、热膨胀系数等均可影响钎焊连接的质量。所以合适的焊料是可靠性封装和连接的关键。熔点为280 ℃的共晶Au80Sn20合金焊料具有高强度、高热导率、免助焊剂等优异性能,且对镀金层焊盘有天然的适应性,因此是各种高端器件、光电子器件和功率电子器件的理想封装材料。在原创性的器件研发过程中,金锡共晶焊方案也成为首选的工艺方案。本刊曾专稿介绍过预成型焊片的相关内容,为预成型焊片的普及应用做了些基础性工作。经过几年的应用实践,金锡合金焊料又有了新的发展和更多的应用形式。为此,本文再将以金锡合金焊料的应用为主题,向读者介绍AuSn20合金焊料薄膜、金锡焊膏、金锡预成型焊片等的相关制备和应用;介绍AuSn20合金焊料在气密封盖、管壳焊接及芯片封装等领域的焊接技术。

金锡相图及其性能

相图

我们通常是通过相图来了解合金的基本性能。从图1可以看出,金锡二元合金的相图很复杂,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)。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 ℃。

焊接时,液态的共晶金锡合金焊料在280 ℃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 ℃发生共析反应ξ+AuSn→Au5Sn。经过杠杆原理计算得出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。

金锡合金的性质

金锡共晶合金钎料由于具有许多良好的物理特性,使其具有很多优异的钎焊性能,如钎焊温度适中、无需助焊剂、良好润湿性、低粘滞性、钎焊强度高、导热性能好等。其物理性质见表1。

AuSn20的熔点为280 ℃,推荐的钎焊温度高于熔点30~50 ℃。这个温度比较接近于传统电子制造业广泛应用于芯片焊接的高铅焊料,而高铅焊料使用工艺非常成熟,所以AuSn20这个熔点非常适合作为电子焊接材料。在焊接过程中,基于合金的共晶成分,很小的过热度就能使合金熔化并润湿器件。另外,金锡共晶合金的凝固过程进行得也很快,因此使用AuSn20可以大大缩短整个焊接过程周期。

AuSn20属于硬质钎料,室温下合金钎料的屈服强度很高,即使在250~260 ℃的高温时,其强度仍然可以满足器件气密性要求。AuSn20焊接强度为47.5 MPa,比过去常用SnPb37的焊接接头剪切强度26.7 MPa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,能够迅速熔化并充满待焊间隙,保证焊接密封性。

AuSn20热导率为57 W/(m·K),在软钎料中属于较高水平,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要求的场合,热流可通过金锡焊料传导给热沉,形成快速传热通道。

AuSn20焊料合金的抗氧化性能优良,在空气中焊接时材料表面氧化程度较低,可以得到可靠的焊接接头。对于高可靠性电子器件特别是军用电子器件,在焊接过程中采用真空,或还原性气体如氮气和氢气的混合气,氧化程度更低,焊接接头可靠性更高。AuSn20是一种无需化学助焊剂的清洁环保的焊接材料。

AuSn20焊料可以直接在镀金层上焊接,对镀金焊盘的扩散腐蚀很小(俗称“不吃金”),因此焊接过程中无需考虑镀金层下的材料构成。

AuSn20除了以上几个优点之外,还有很好的抗蠕变和抗疲劳性能等。

金锡共晶合金焊料最大的缺点就是应用成本较高(金含量太高),且成形加工极为困难。

金锡焊料成形与应用形态

预镀焊料薄膜

金锡焊料应用广泛,其主要使用形式有:焊料薄膜、焊膏以及预成型焊片等。

AuSn20薄膜是AuSn20钎料的重要形态,通常沉积在陶瓷、钨铜等高导热基体上,厚度一般为3~6 μm。AuSn20薄膜制备方法有蒸发法、电镀法和溅射法。

电子束蒸发镀膜是采用高能量电子束轰击坩埚内的待蒸发材料,使材料的原子或分子获得能量后从坩埚内蒸镀出来,沉积在基体材料上。电子束蒸镀制备金锡焊料薄膜分两种情况:一是交替分层蒸发金/锡金属层,经热处理后得到金锡焊料薄膜;二是同时蒸发金、锡金属实现共沉积。电子束蒸镀工艺效率较高,制备的钎料纯度高,但由于蒸发过程中金属粒子行进的方向性弱,因此真空膛内壁也将被覆盖,导致材料利用率较低。

交替蒸发金锡焊料的过程:交替沉积金、锡金属,形成符合一定比例的原子层,然后经退火处理,使金、锡之间相互扩散,最终形成具有较高一致性金锡焊料层。不同的结构参数和不同的沉积条件导致合适的退火温度从200 ℃至350 ℃不等。图2为交替蒸发金锡焊料沉积层的结构示意图。这种方法制备的金锡薄膜后续需要热处理才能实现薄膜合金化,薄膜成分及均匀性不容易控制。

与交替蒸发法不同,共沉积蒸发法是同时沉积金、锡两种金属,可以不借助热处理而实现原位合金化。但由于沉积速率不易控制,要得到接近共晶成分的金锡薄膜十分困难。

电镀金锡焊料由于其便捷性和经济性研究越来越广泛。同样电镀方法也分成两个方面:电镀金锡多层结构和电镀金锡共晶。电镀金锡多层结构和交替蒸发金锡焊料过程类似,基底在金电镀液和锡电镀液之间进行交替,电镀完成后,需要在共晶温度以上进行热处理。电镀沉积的一个优点是可以通过光刻胶实现局部电镀。这使得昂贵的金锡焊料的使用率更高,且可以制备各种形状的钎料层,但钎料层厚度难以控制。使用挂镀,厚度均匀性可控制在±10%范围内;用喷镀,均匀性可控制在±5%以内。要获得精确的镀层厚度较困难。

在添加一定螯合剂的情况下能够实现金锡共晶电镀,简化电镀工艺,但电镀条件控制严格,其电流密度需要精确控制,因此对镀液的长期稳定性要求高。

溅射AuSn20薄膜有两种方式,一种是分别使用Au靶和Sn靶进行双靶溅射镀膜,另外一种是使用AuSn20合金靶单靶溅射。双靶溅射需要金层锡层交替溅射,单靶合金靶溅射需控制基片温度,以避免靶材表面由于元素扩散带来的成分变化。

金锡焊膏

金锡合金焊膏是由金锡合金粉末和助焊剂组成,具有适应性强、适合结构复杂工件的装配等特点。通常采用印刷方式将其批量分配至各焊盘,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实现多点批量焊接接头。相同使用条件下,金锡焊膏的铺展性优于箔材,其原因主要在于焊膏中的助焊剂含有活性剂等物质能有效去除钎料及母材表面的氧化物,同时熔融的助焊剂漂浮在钎料表面,在阻止金锡合金进一步氧化的同时改变了界面张力状态,降低了熔化钎料的表面张力。使用金锡焊膏印刷焊点的用量可以严格控制,但焊后助焊剂可能有残留,不适用于有空腔、无助焊剂污染的场合。

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