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1 金錫焊料

金(Au)，是一種貴金屬，自然資源比較貧乏，其表面具有黃色光澤，原子有很大的原子間力和最大的堆積密度。金的抗氧化性能優(yōu)良，延展性非常好。金對(duì)焊料潤(rùn)濕也很好，所以常用于電子產(chǎn)品的表面鍍層。

錫Sn是銀白色金屬，錫錠表面因生成氧化物薄膜而成珍珠色。錫相對(duì)較軟，具有良好的展性，但延性很差。錫在金屬表面很容易潤(rùn)濕，所以常作為焊料的組成部分或者直接制成錫絲，錫片等純錫焊料。

表1金與錫的物理性能

Au 是ＩＢ族元素，Sn是IV A族元素，Au和Sn的擴(kuò)散機(jī)制是間隙機(jī)制，所以擴(kuò)散速度很快。Au和Sn的化合物存在多種金屬間化合物，它們分別是 β(Au10Sn)，ζ′(Au5Sn)，ζ，δ(AuSn)，ε(AuSn2)，η(AuSn4) 。如下圖1

圖1 Au/Sn合金相圖

80Au：20Sn（質(zhì)量比）是金錫共晶合金焊料，是金錫合金中熔點(diǎn)最低的，它具有優(yōu)良的焊接工藝性能和焊接接頭強(qiáng)度。熔點(diǎn)為280℃。Au80Sn20焊料在常溫下的微觀組織為AuSn和Au5Sn的共晶組織。固態(tài)下的金錫合金均沒(méi)有出現(xiàn)單質(zhì)的錫或者金，而是以不同的金錫金屬間化合物的混合組織出現(xiàn)，因此，原則上講金錫合金的化學(xué)性質(zhì)與純金類似，非常穩(wěn)定，不易被氧化和腐蝕。且AuSn和Au5Sn都是硬脆相，所以該焊料脆性大。金錫共晶合金的密度為14.52g/cm3。

2 金錫焊料特性

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。金錫共晶合金焊料具有許多優(yōu)越的性能，包括低的熔點(diǎn)卻又較高的強(qiáng)度，可保證焊接可靠性，良好的抗熱疲勞性能，可放防止因?yàn)闇囟妊h(huán)產(chǎn)生疲勞斷裂，可以在氣候變化惡劣的條件下使用，良好的抗氧化性能，優(yōu)秀的漫流性能，以及較高的熱導(dǎo)率等。下表2為金錫合金常溫下的物理性能。

表2 常溫20℃金錫物理性能參數(shù)

2.1 焊接溫度適合

金錫共晶焊料在共晶點(diǎn)位置熔點(diǎn)為280℃，焊接溫度約300～310℃ 僅比其熔點(diǎn)高出20～30℃。在釬焊過(guò)程中，基于合金的共晶成分，很小的過(guò)熱度就可使合金熔化并浸潤(rùn)；合金的凝固過(guò)程很快。因此，金錫合金的使用能夠大大縮短整個(gè)釬焊過(guò)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(wú)鉛焊料的組裝。這些焊料的組裝溫度大約在260℃。同時(shí)共晶金錫焊料(Au80Sn20)提供的溫度工作范圍高達(dá)200℃。表3為常用的預(yù)成型焊料的熔點(diǎn)或熔化溫度區(qū)間。

表3為幾種焊料的熔點(diǎn)參數(shù)

2.2 焊接強(qiáng)度高

AuSn20作為共晶合金，有著細(xì)小均勻的晶格、很高的強(qiáng)度的特征。同時(shí)AuSn20焊料的高溫焊接強(qiáng)度也比較高，因而能夠耐受熱沖擊、熱疲勞，能夠在250-260℃溫度下，它的強(qiáng)度也能夠勝任器件氣密性要求。AuSn20焊料的高強(qiáng)度以及填充空隙優(yōu)良的特性，有效保證了封裝的氣密性和可靠性。不同焊料焊接7~10um鍍金層工件的剪切強(qiáng)度對(duì)比如下表4。

表4 低溫焊料接頭強(qiáng)度

從上表可以看到AuSn20的焊接強(qiáng)度為47.5MPa，比SnPb37的焊接接頭剪切強(qiáng)度26.7MPa要高出許多。所以AuSn20焊料在封裝電子產(chǎn)品中具有很好的壽命和可靠性。

2.3 導(dǎo)熱率高

表5 常用焊料的導(dǎo)熱系數(shù)

AuSn20的熱導(dǎo)率為57W/m·k，在軟釬料中屬于較高水平，當(dāng)同樣的厚度焊料情況下，熱阻就小，因此焊接的器件具有良好的導(dǎo)熱性能。尤其對(duì)一些功率器件，驅(qū)動(dòng)芯片，激光器芯片，LED芯片，控溫芯片和對(duì)導(dǎo)熱與散熱有高要求的場(chǎng)合，熱流可通過(guò)金錫焊料傳導(dǎo)給熱沉，形成快速傳熱通道。

2.4 低粘滯性

金錫共晶合金焊料處于共晶點(diǎn)成本，熔化后流動(dòng)性能好，能夠快速的填充焊接間隙，保證了焊接的氣密性。尤其對(duì)于氣體保護(hù)器件如激光器的稀有氣體保護(hù)，或者M(jìn)EMS真空器件的真空度保證。

2.5 無(wú)需助焊劑

暴露在金屬表面很容易生成氧化膜，這種氧化膜能組織焊錫對(duì)焊接金屬的浸潤(rùn)作用。使用助焊劑可以去除氧化膜，使得焊接更可靠，焊點(diǎn)表面光滑圓潤(rùn)。但是助焊劑的使用殘留導(dǎo)致使用場(chǎng)合受到限制，一些需要密封的器件就不允許使用這類助焊劑。AuSn20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(guò)程中采用真空，戒還原性氣體如氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚?，就不必使用化學(xué)助焊劑。

2.6 浸潤(rùn)性良好

具有良好的且對(duì)鍍金層無(wú)鉛錫焊料的浸蝕現(xiàn)象，金錫合金不鍍金層的成分接近，因而通過(guò)擴(kuò)散對(duì)很薄鍍層的浸溶程度很低，也沒(méi)有銀那樣的遷徙現(xiàn)象。AuSn20焊料可直接在鍍金層上焊接，他對(duì)鍍金焊盤的熔蝕很小，因此鍍金不會(huì)被共晶的金錫焊料溶掉而導(dǎo)致次表層外露并與焊料發(fā)生不可預(yù)測(cè)的焊料反應(yīng)。這個(gè)特性技術(shù)是我們常說(shuō)的“不吃金”。

2.7 抗蠕變性能和抗疲勞性能

由于金錫共晶合金具有較高的楊氏模量，所以合金的抗蠕變性能和抗疲勞性能也很優(yōu)良。對(duì)于軍工電子產(chǎn)品，這些產(chǎn)品往往要經(jīng)受溫度的循環(huán)變化和應(yīng)力的循環(huán)變化，為了保證器件工作的正常運(yùn)行，采用金錫焊料，可以有效的防止蠕變和疲勞引起的焊點(diǎn)失效。

2.8 不足

金錫合金（Au-Sn）焊料的不足之處：

AuSn20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，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(guò)程中鍍金層的金擴(kuò)散進(jìn)焊料。在過(guò)厚的鍍金層、過(guò)薄的焊盤、過(guò)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。

3 金錫合金焊料的制作方法

金錫焊料在電子和光電子行業(yè)應(yīng)用廣泛，其主要使用形式有：焊料薄膜、焊膏以及預(yù)成型焊片等。金錫合金的制作方法主要有如下幾種：

表6金錫焊料的制作方法

4 金錫合金焊料的應(yīng)用

AuSn20 除了用于芯片與基板的焊接連接外，還可以廣泛應(yīng)用于多種芯片的氣密封裝。如在微電子芯片封裝，光芯片封裝等。

4.1 芯片封裝

對(duì)一些高功率或者氣密封裝芯片一般需要將芯片焊接在基板上。在這種情況下，主要考慮焊料的重新填充和焊料的高導(dǎo)熱性能。另外金錫合金的楊氏模量高，即使在很?。?~25um）情況下，也可以保證憑證行和穩(wěn)定的抗彎性。增加了芯片焊接的可靠性。在一些需要控制溫度恒定的器件，如高速通信激光器件，其焊接激光器芯片所需要用到的也是金錫，焊接過(guò)程中焊層內(nèi)沒(méi)有氣孔降低了焊接點(diǎn)的熱阻。從而提高了導(dǎo)熱性能。

圖2 金錫芯片焊接

4.2 器件蓋板封裝

典型應(yīng)用情況是MEMS傳感器的氣密封裝，一般說(shuō)來(lái)MEMS有源器件芯片非常的靈敏，在使用的過(guò)程中直接與環(huán)境中空氣接觸會(huì)污染感受器而造成測(cè)試數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差而失效，所以MEMS封裝都要求有很高的氣密性。如下圖3 MEMS器件管殼與蓋板預(yù)置焊料環(huán)。

圖３ MEMS器件與蓋板

圖４為陶瓷管殼的周圍鍍上了一周的金錫焊料，通過(guò)平行縫焊對(duì)連接處進(jìn)行局部加熱焊接，不會(huì)影響到已經(jīng)封裝好的有源器件芯片。也可采用夾具夾持進(jìn)行整體回流焊接（或者采用真空回流焊接）。在平行縫焊過(guò)程中金錫焊片受熱熔化與陶瓷表面金屬緊密結(jié)合。

圖４ 芯片封裝管殼

4.３晶圓鍵合

金錫共晶鍵合工藝中，金屬焊料直接和 Si 晶圓片接觸焊接時(shí)，由于材料性質(zhì)差異過(guò)大，會(huì)存在吸附性差、熱應(yīng)力大等問(wèn)題。為了提高鍵合的質(zhì)量和可焊接性，通常會(huì)在焊料與晶圓片之間加入過(guò)渡層金屬。一般鍍層金屬與焊料之間會(huì)發(fā)生兩個(gè)方面的相互作用，第一個(gè)方面：鍍層金屬溶解到焊料之中；第二個(gè)方面：鍍層金屬與焊料結(jié)合發(fā)生界面反應(yīng)，在界面處生成金屬間化合物（IMC）。常用的共晶合金焊料如表7 所示，材料諸如 Au、Al、Cu 等已經(jīng)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體工藝中，建立了成熟的加工和沉積鍍膜體系，其中最常見(jiàn)的共晶合金為 Au-Sn 合金。共晶焊料選用金錫焊料（Au80Sn20），金屬化層根據(jù)相應(yīng)的工藝沉積方式選擇適合的金屬膜系。

圖5 晶圓級(jí)封裝工藝過(guò)程示意圖

表7共晶合金焊料

5 總結(jié)

總之金錫焊料共晶點(diǎn)為280℃(556℉)，具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐蝕性能，力學(xué)性能優(yōu)異，已在軍工、航空航天、醫(yī)療等高可靠性要求領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。金錫焊料還可用于階梯回流焊接過(guò)程中的第一級(jí)回流焊接，可避免在后續(xù)低溫回流過(guò)程中的焊點(diǎn)熔化。非常適合應(yīng)用于微型光電器件的高可靠性封裝及大功率器件的高導(dǎo)熱封裝。

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