金錫合金焊料的特性及其應用

更新時間:2015-03-26

?金錫合金在電子學中得到廣泛應用

?  釬焊是組裝電子產品的一項重要技術。為了得到理想的釬焊連接,釬焊料的選擇至關重要。釬焊料的可焊性、熔點、強度及楊氏模量、熱膨脹系數、熱疲勞、蠕變及抗蠕變性能等均可影響釬焊連接的質量。

  共晶的金80%錫20%釬焊合金(熔點280℃)用于半導體和其他行業已經多年。由于它優良的物理性能,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。

Au-Sn焊料的優點?

?1. 釬焊溫度適中?

  釬焊溫度僅比其熔點高出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;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釬焊過程。金錫合金的釬焊溫度范圍適用于對穩定性要求很高的元器件組裝。同時,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℃。共晶金錫焊料(Au80Sn20)提供的溫度工作范圍高達200℃。

2. 高強度

  金錫合金的屈服強度很高,即使在250~260℃的溫度下,其強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氣和氫氣的混合氣,就不必使用化學助焊劑。這是最令人矚目的特點之一,對電子,尤其是光電子器件封裝最為重要。

4. 浸潤性

  具有良好的浸潤性且對鍍金層無鉛錫焊料的浸蝕現象。金錫合金與鍍金層的成分接近,因而通過擴散對很薄鍍層的浸溶程度很低,也沒有銀那樣的遷移現象。

5. 低粘滯性

  液態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。在大多數情形下無流動性。?

6. Au80%Sn20%焊料具有高耐腐蝕性、高抗蠕變性及良好的導熱和導電性,熱傳導系數達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軍品中已獲得應用,并有國軍標 6468-2008“金錫焊接釬料規范”。)

Au-Sn焊料的不足

?  Au80%Sn20%焊料的不足之處是它的價格較貴,性能較脆,延伸率很小,不易加工。此外,由于熔點較高,不能與低熔點焊料同時焊接。只能被應用在芯片能夠經受住短暫高于300℃的場合。

  金錫合金的熔點在共晶溫度附近對成分非常敏感,從相圖可見,當金的重量比大于80%時,隨著金的增加,熔點急劇提高。而被焊件往往都有鍍金層,在焊接過程中鍍金層的金擴散進焊料。在過厚的鍍金層、過薄的焊盤、過長的焊接時間下,會使擴散進焊料的金增加,而使熔點上升 。

Au/Sn合金相圖

AuSn20 焊料20℃時的力學物理性能

Au/Sn合金的熱導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?

  • 金和錫用電子束蒸發形成Au/Sn層結構
  • 電鍍AuSn共熔合金
  • 電鍍金和錫來形成Au/Sn層
  • 使用絲網印刷或者點膠技術進行AuSn黏貼應用?

??  合金電鍍法形成Au80/Sn20的合金,在目前來說,應該是最好的一種制造方法,美國、日本及加拿大均有此方面的專利,但目前全球只有極少數國外廠家能夠提供此種電鍍液的商品,國內真正的研究文章還很少。

  濺射法和熱蒸發法國內有研究所在進行相關的研究,但這種方法制備的膜層最厚只能到數千埃,難以進一步做厚,而且投資成本大,貴金屬材料浪費嚴重。

  分層電鍍法是先鍍上一層金,然后在金表面鍍上錫,最后經過熱處理形成金錫合金。這種方法電子科技集團24所和臺灣的中山大學也有過研究。這種方法存在一個問題,進行熱處理的時候,錫可能向非焊接區的金表面擴散從而在非焊接區形成合金,或是金層和錫層相互擴散不夠徹底從而導致不能完全形成金錫合金。?

實用中形成AuSn合金的形態

?1. 預成型片

  基于金錫合金很脆的特性,絲或片的這些形式很難按照規格加工成型。在加工過程中往往還要造成材料的浪費,需要大量的人工,同時質量情況也很不一致。

2. 焊膏

  釬焊膏的成分之一是助焊劑,這在許多應用領域是被禁止的。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行其殘留物的清理。而且絲印法雖然簡單,但膜層表面粗糙,邊緣部分不光滑,不能滿足微電子產品的要求。

3. 電化學

  電化學方法能夠確保釬焊料的精確用量和準確位置,達到在最低成本情況下獲得最佳的質量。

預成型片?

  Au、Sn多層冷軋制造AuSn20合金箔帶材規格為0.025~0.10毫米。在微電子學、光電子學和MEMS中應用,焊盤往往只需要3-5μm, 預成型片最薄25μm,而且無法滿足圖形復雜、精確定位和園片級凸點等要求。

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AuSn合金預成型片在IC封裝的應用?

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微電子學、光電子學和 MEMS對焊盤材料的要求

  • 精確的熔點溫度,一般為280℃。
  • 準確的圖形及定位。
  • 良好的潤濕性和焊接性。
  • 厚度可控。
  • 良好的附著力。
  • 批量一致性

合金電鍍法形成Au80/Sn20合金的優點?

  • 在1μm到幾十μm可準確控制厚度
  • 批量一致性好
  • 可制作園片級凸點(是否是晶圓片級?)
  • 80% Au/20% Sn組分均勻
  • 利用光刻技術可制作復雜的焊盤圖形
  • 精確的激光對位(Accurate Laser Alignment)

2006年Technic 公司宣布首次通過直接法電沉積共晶金錫合金成功并實用化

  G. Hradil, 'A Practical Electrolyte for the Electro-Deposition of Eutectic Gold/Tin Alloy,' IEEE Advanced Packaging Materials: Processes, Properties and Interface International Symposium, 2006.

AuSn焊盤的檢測?

1. 形貌—TEM、SEM

二次電子掃描電鏡發現鍍層缺陷

2. 鍍層相分析--X射線衍射

3. 成分分析—EDAX、AES、XPS

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4. 鍍層元素分布及濃度—電子探針顯微分析

5. 熔點—差熱分析儀、自動熔點儀

6. 力學性能—拉力計、推球儀、剪切力檢測設備?

7. 氣密性檢測設備: 氦質譜檢漏儀?

8. 焊接設備: BTU 公司燒結爐, 該設備能夠有效實施N2 或N2H2 混合保護氣氛焊接, 實時監控和采集燒結爐中各點的溫度。

9. 焊透率檢測設備:該設備能夠有效測量芯片共晶焊接中的芯片焊透率。

10. 老化實驗

11. 金錫合金可靠性測試

12. 差熱分析準確測量Au/Sn合金熔點

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金錫合金焊料的具體應用?

(一)、激光二極管

  AuSn合金在光電子學中激光器封裝有重要的應用。未來5年光通信和光子計算機的推廣,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。以硅材料產生激光的技術也能達到傳統激光95%的性能,可將傳統(激光)器件售價大大降低,出現了硅光電子學,采用批量生產的硅制造技術來實現光子器件。

激光二極管封裝的金錫合金焊料的應用 ?

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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封裝?

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  銦焊料是大功率半導體激光器封裝最常用的焊料之一。銦焊料在高電流下易產生電遷移與電熱遷移問題,將影響半導體激光器的穩定性。銦焊料封裝的激光器的壽命遠遠短于金錫焊料封裝的器件,而且在使用時器件性能會出現突然退化的現象。采用無銦化封裝技術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試對比曲線

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  銦焊料封裝的激光器不到400小時輸出功率就出現突然退化的現象;而金錫焊料封裝的器件1500小時后功率仍然穩定輸出。?

  采用無銦化技術,用金錫制備的激光器產品具有儲存時間長、耐高溫、性能穩定的優點。

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(二)、 金錫合金焊料大功率LED中的應用 ? ?

?A、芯片封裝

?  提高大功率LED 的散熱能力是LED 器件封裝和器件應用設計要解決的核心問題。

?  芯片襯底粘貼材料通常選用導熱膠、導電型銀漿、錫漿和金錫合金焊料。金錫合金焊料的熱導特性是四種材料中最優的, 導電性能也非常優越。 ?

?  由于金錫合金具有熱導率高、熔點較高等特點,因此采用金錫共晶合金(80Au20Sn)作為LED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臺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固晶機完成,固晶機臺設置為預熱區溫度180℃,固晶區溫度300℃,壓力70, 時間 25ms,功率100mW。

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

  錫金共熔法是通過固體與液體的擴散而形成金屬間化合的合金達到粘結。一個晶圓涂上一層薄金,而另一晶圓涂了一層厚度達5微米的金錫。必要時可涂擴散阻隔層。晶圓粘合在氮氫混合氣(95% N2, 5% H2)中進行。這種方法只需低壓和用比熔點稍高的溫度,可在幾分鐘內完成粘結。

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B、晶園片粘結

  4英寸鍺晶圓與砷化鎵晶圓通過金錫粘結后的介面超聲圖像,深藍色是粘結完好的區域??梢娬麄€介面都很均勻地粘結在一起。

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

Au-Sn合金在大功率LED 的應用包括芯片焊料及凸點 ? ? ? ? ? ? ?

  選擇芯片連接凸點的材料時需要考慮凸點材料的一系列特性,包括可焊性、熔化溫度、楊氏模量、熱膨脹系數、泊松比、蠕變速率以及抗腐蝕性等,才能保證封裝的可靠性,否則整個器件就有可能因為過熱或連接處機械強度不夠而過早失效。

  傳統的正裝芯片一般采用植金球凸點或金線鍵合進行焊接。單個芯片動輒有著近20個凸點,而每一個凸點都需要單獨植,生產效率低。C-LED技術可以以晶圓( wafer )為單位一次性電鍍所有凸點,并以整個晶圓為單位進行焊接,從而有效地提高生產效率,降低生產成本。晶片凸點制作是焊料凸點倒裝芯片技術的核心。

大功率LED 焊接示意圖

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Au-Sn合金凸點形成方法---蒸發法、電鍍法

?  目前最成熟的晶片凸點制作方法是蒸發晶片凸點制作工藝,蒸發工藝需要通過金屬掩膜來定義出金屬的蒸鍍位置與形狀,在蒸發凸點的同時有大量金屬被蒸鍍在掩膜上,部分金屬穿過掩膜的開口部位在晶圓上形成凸點。這種方法設備費用高,又需要特殊的掩膜,加上金屬的浪費,因此總體制作費用較高。

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  第二種最成熟的方法是電鍍,是一種濕法凸點制造工藝。首先在整個晶片表面濺射金屬,在金屬薄膜上涂覆一定厚度的光刻膠,使用掩膜確定凸點的圖形,然后將晶片作為陰極進行凸點的電鍍。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定高度的凸點。晶片回流時熔化的釬料在表面張力的作用下形成球形焊料凸點。球狀凸點可使焊接過程中對位準確,在使用過程中電流密度也較均勻。這種方法目前非常流行,因為它能以任意組分電鍍焊料。電鍍法制備凸點價格低廉,設備簡單,且能節省原材料。?

?  實現白光HB-LED照明意義重大。倒裝芯片技術是實現白光HB-LED封裝的有效手段,其技術關鍵之一在于芯片凸點的制作。

?  經濟、快捷、有效地制備出具有優異性能的80wt%Au-20wt%Sn共晶凸點是實現倒裝芯片的關鍵。

?  目前金錫凸點的制備多采用分層電鍍Au和Sn的方法來實現,顯然,直接金錫合金鍍具有更明顯的優勢。

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(三) ?、Au-Sn在微電子學中的應用

1. ?IC及功率半導體器件中的應用

  AuSn20合金焊料是熔點在280~360℃內唯一可以替代高熔點鉛基合金的焊料。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良的熱導性和較高的熔點。與高鉛焊料相比,金基焊料具有較高的抗熱疲勞性能,因此,金基焊料是性能優良的微電子器件封裝用材料。金基焊料價格昂貴,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技術

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

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

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凸點(Bump)成形方法

?(1)、固態球形位置

?(2)、凸點成形漏印板印刷技術

?  隨著細間距芯片規模封裝的到來,固態球形位置法多為漏印板印刷技術的焊料淀積法替代

?(3)、晶圓片凸點形成的電鍍技術

?  漏印板印刷技術的最小間距目前局限在150~200μm范圍。對超細間距和高互連密度封裝,電鍍技術最受歡迎。凸點電鍍技術的理論間距可小到40μm,凸點高度均勻度在±1μm范圍內,而漏印板印刷的凸點高度均勻度在±7μm范圍內,使用電鍍技術可達到更好的均勻性。由于電鍍技術的效率高,對高價值、大尺寸IC而言,電鍍技術是低成本技術。

?3. 薄膜集成電路中的應用

?  國外知名公司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,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)

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

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

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結 ?語

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  合金電鍍法形成的Au80/Sn20焊料在微電子學、光電子學、半導體發光和MEMS等領域有廣闊的應用前景,但在我國尚未得到實用化。通過產學研結合可以早日實現這一目標。

  Thank you!

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