周濤1 湯姆 ? 鮑勃1 馬丁? 奧德1 賈松良2
1. 美國科寧（Coining）公司 2. 清華大學(xué)微電子所

摘要：本文介紹了Au80% Sn20%焊料的基本物理性能及其在微電子、光電子封裝中的應(yīng)用。 
關(guān)鍵詞：金錫合金、微電子、光電子、封裝
1. 前言 
釬焊是組裝電子產(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)有很多年了。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的一種最好的釬焊材料。
2. Au80Sn20焊料的物理性能 
Au80Sn20金錫焊料的一些基本物理性能如表1所示。由表1可知它有如下優(yōu)點(diǎn)。
表1 金80錫20合金在20?C時(shí)的物理性能
 

       釬焊溫度適中：釬焊溫度僅比它的熔點(diǎn)高出20～30℃（即約300～310℃）。在釬焊過程中，基于合金的共晶成分，很小的過熱度就可以使合金熔化并浸潤；另外，合金的凝固過程進(jìn)行得也很快。因此，金錫合金的使用能夠大大縮短整個釬焊過程周期。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(shí)，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℃。
高強(qiáng)度：在室溫條件下，金錫合金的屈服強(qiáng)度很高。即使在250～260℃的溫度下，它的強(qiáng)度也能夠勝任氣密性的要求。材料的強(qiáng)度與一些高溫釬焊材料相當(dāng)，但是釬焊過程可以在相對低得多的溫度下完成。無需助焊劑：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。
具有良好的浸潤性，而對鍍金層又無鉛錫焊料的那種浸蝕現(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；同時(shí)也沒有像銀那樣的遷徒現(xiàn)象。 
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。另外，Au80Sn20焊料還具有高耐腐蝕性，高抗蠕變性能及良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性。Au80Sn20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。 
3. 熱力學(xué)性能 
由于金錫合金的熱力學(xué)性能決定了它的許多使用性能，了解合金的一些基本熱力學(xué)性能是必要的。金錫能夠在80wt%金和20wt%錫的成分比例下形成共晶合金，如圖1 所示。
 

圖1 Au-Sn 二元合金相圖[1]

金錫合金在280 °C的共晶反應(yīng)為 液相L→ζ+δ(AuSn)，在合金的此反應(yīng)附近，主要包括ζ’(Au5Sn)相、ζ相和δ(AuSn)相。在ζ’(Au5Sn)相中，錫的重量百分比10.7%，它具有六角結(jié)構(gòu)，在190℃以下是穩(wěn)定相。ζ相由包晶反應(yīng)β+L→ζ形成。在521℃，相錫的重量百分比為5.7 %；在280℃，此百分比為11.3 %；而在190℃，此百分比為8.8 %。ζ相具有鎂型六角密排結(jié)構(gòu)。δ(AuSn)相是一種金屬間化合物，其熔點(diǎn)為 419.3，具有NiAs型六角結(jié)構(gòu)。δ(AuSn)相的成分可在一定范圍內(nèi)波動，其中錫的原子百分比為 50.0 %到 50.5 % (重量百分比為37.5 %到37.9 %。
4. 金錫焊料預(yù)成型片 
可用于微電子封裝的釬焊料有很多形式，最主要的有絲、片、焊膏和預(yù)成型片等形式?；诮疱a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。在這些所有的形式里，釬焊膏是用于電子封裝最理想的的形式。然而，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。因此，為了獲得諸如器件生產(chǎn)及封裝等應(yīng)用的穩(wěn)定性，正確的選擇應(yīng)該是沖壓成型的預(yù)成型片。預(yù)成型片能夠確保釬焊料的精確用量和準(zhǔn)確位置，以達(dá)到在最低成本情況下獲得最佳的質(zhì)量。在二十世紀(jì)六十年代，預(yù)成型片最先用于生產(chǎn)一些元器件如金屬封裝的鉭電容?，F(xiàn)在它主要用于一些無源元件、光電器件的生產(chǎn)及封裝工藝。
預(yù)成型片主要具有以下優(yōu)點(diǎn)： 
1）通過采用預(yù)成型的方法，能夠精確控制釬焊料用量、成分和表面狀態(tài)，從而提供更大的釬焊工藝窗口和最佳的組裝質(zhì)量。以獲得釬焊連接可靠性的提高，這就是工業(yè)界通常所要求的高Cpk值和保證質(zhì)量條件下的低成本。 
2）在控制氣氛中使用預(yù)成型焊片可以免除使用易污染和難以控制的助焊劑。通過對釬焊焊接過程的控制，同時(shí)可以免除焊接后成本很高的清洗過程。 
3）預(yù)成型片通常是滿足那些需要高可靠和良好導(dǎo)熱的高性能焊接的最佳解決方案。
4）對于需要連接的基板材料的變化和特殊性能或環(huán)境保護(hù)的要求，對金錫焊料預(yù)成型片幾乎不受任何限制。
5）經(jīng)過正確地設(shè)計(jì)及應(yīng)用，預(yù)成型焊片可以獲得較高的性能價(jià)格比，使焊接點(diǎn)具有很高的成品率和電學(xué)可靠性。 
5. AuSn焊片的應(yīng)用 
由于金錫共晶焊料的熔點(diǎn)（280℃）比Sn96.5Ag3.5錫銀共晶焊料（221℃）要高很多，它不能和廣泛用于電子封裝的有機(jī)材料在同一溫度下配合使用。然而，金錫釬焊料對于一些特殊的、同時(shí)要求機(jī)械及導(dǎo)熱性能好以獲得高可靠性的應(yīng)用來說卻是最好的選擇。這些應(yīng)用包括氣密封蓋、光電子封裝工藝中的射頻和隔直流粘接、激光二極管管芯粘接等。
 圖 2 金錫合金預(yù)成型片用于陶瓷封裝氣密封蓋示意圖

氣密電子封裝產(chǎn)品的一部分需要焊接到一些陶瓷部件上。這種情況，主要是考慮陶瓷具有一些金屬件無法達(dá)到的物理性能如低熱膨脹系數(shù)、電絕緣、高強(qiáng)度等。其中一種應(yīng)用是當(dāng)有源器件芯片和基板兩者都需要具有低熱膨脹系數(shù)時(shí)把有源器件芯片粘接到一個外殼內(nèi)（見圖2）。這種情況，可選用大約25微米厚的沖壓成型的金錫預(yù)制片作焊料。另外一個在陶瓷封裝的應(yīng)用是封蓋， 即把一個金屬或玻璃的蓋板密封到陶瓷外殼上（見圖2）。此時(shí)，也選用25微米厚形狀為不封閉框架的金錫預(yù)成型片。對于封蓋，一般會采用平行縫焊機(jī)對連接處局部加熱。這樣對封裝內(nèi)用金錫合金釬焊的有源器件芯片將不會受到影響。第三個有關(guān)陶瓷的應(yīng)用是引線絕緣子的焊接（見圖3）。此時(shí)，是用高強(qiáng)度的陶瓷，而不是玻璃做絕緣體。對于這些應(yīng)用，要求釬焊材料具有良好的潤濕性、抗腐蝕性和高的楊氏模量等。高的楊氏模量可以保證材料加工到很薄但仍能在很大面積上保持平整性。如前所述，金錫預(yù)成型片的表面清潔，無氧化物，允許采用無須助焊劑的生產(chǎn)工藝。即使基片表面稍有氧化，也可以采用氮?dú)浠旌蠚怏w來清除氧化物。在氧化物清除之后，金錫預(yù)成型片就可以升溫熔化繼而開始焊接過程。通常要在235°C以上，用氮?dú)浠旌蠚怏w來清除氧化物才十分有效。但如果采用低熔點(diǎn)釬焊料（例如低于235°C），在此溫度氮?dú)浠旌蠚怏w還未能起作用，基板表面的氧化物將存在于焊接處。這是造成一些焊接質(zhì)量低下的主要原因之一。采用金錫合金焊接的器件能夠經(jīng)受得起長時(shí)間的熱應(yīng)力循環(huán)。 
在光電器件如發(fā)射器、接收器及放大器等封裝中的穿通粘接中，墊圈型金錫預(yù)成型片也是一種最好的選擇。在連接過程中，熔化的金錫墊圈在毛細(xì)作用下會填充在絕緣子外導(dǎo)體和封裝基體（兩者皆由可伐合金制造并鍍以鎳和金）之間的間隙，如圖3所示。 由于絕緣子和基體之間的空隙很小，過多的釬焊料會造成短路。作為預(yù)成型片的優(yōu)點(diǎn)之一，精確數(shù)量的金錫釬焊料可做成墊圈型預(yù)成型片以防止短路。
 圖 3 金錫合金預(yù)成型片在光電封裝中的應(yīng)用

在用管芯粘接技術(shù)來組裝高功率激光二極管（LD）時(shí)采用金錫預(yù)成型片已被越來越多的生產(chǎn)廠家所接受。如圖4所示，激光二極管芯片和熱沉（通常是銅基的）之間由金錫預(yù)成型片來完成焊接。由于激光二極管的發(fā)光效率隨溫度升高而急劇下降，因此將二極管在發(fā)光時(shí)所產(chǎn)生的熱量及時(shí)耗散出去就十分重要。金錫焊料優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性在這里能夠起到非常有效的作用，以保證了激光二極管的最佳使用性能。另外，因?yàn)榻疱a合金的楊氏模量高，即使在很?。?～25微米）的情況下，也可以保持平整性和一定的抗彎性。因此，在焊接過程中焊層夾雜氣孔的可能性大大降低，降低了焊接點(diǎn)的熱阻，從而也就大大提高了激光二極管的可靠性。
作為一種釬焊料，金錫合金也用于倒裝芯片焊接。在倒裝芯片焊接中，由于器件有源區(qū)與基板連接，金錫合金的優(yōu)良導(dǎo)熱和導(dǎo)電性就顯得尤為重要。另外，金錫合金預(yù)成型片也應(yīng)用于微波系統(tǒng)組裝和其它領(lǐng)域。隨著金錫合金優(yōu)良性能和其預(yù)成型片的優(yōu)點(diǎn)越來越被人們認(rèn)識，它在封裝領(lǐng)域中的應(yīng)用將變的更加廣泛及重要。
 圖 4 金錫合金預(yù)成型片在組裝激光二極管中的應(yīng)用

6. 金80錫20焊料使用中的注意事項(xiàng) 
金錫焊料必須正確使用，才能獲得良好的效果。影響焊接質(zhì)量的主要因素有：金錫焊料成分，焊件和焊料的表面質(zhì)量（如氧化物、沾污、平整度等），工藝因素（爐溫電線、最高溫度、氣體成分、工夾具等）[2]。由圖1可知，金錫合金的熔點(diǎn)在共晶溫度附近對成分是非常敏感的，當(dāng)金的重量比大于80%時(shí)，隨著金的增加，熔點(diǎn)為急劇提高。而被焊件往往都有鍍金層，在焊接過程中鍍金層的金會浸入焊料。在過厚的鍍金層、過薄的預(yù)成型焊片、過長的焊接時(shí)間下，都會使浸析入焊料的金增加，而使熔點(diǎn)上升。所以上述各類焊接參數(shù)都需優(yōu)化[2]。通常爐子峰值溫度應(yīng)選在約310~340 ℃，焊接時(shí)間為2～4分鐘。 
7. 結(jié)論： 
由于金80%錫20%共晶合金的熔點(diǎn)（280℃）適中，強(qiáng)度高，無需助焊劑，導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能好，浸潤性優(yōu)良，低粘性，易焊接，抗腐蝕，抗蠕度等。因此，它在微電子器件和光電子器件的陶瓷封裝封蓋，芯片粘接，金屬封裝的陶瓷絕緣子焊接，大功率半導(dǎo)體激光器的芯片焊接中有著廣泛的應(yīng)用，它可明顯提高這些器件的封裝可靠性和導(dǎo)電/導(dǎo)熱性能。