【環(huán)球SMT與封裝】特約稿

吳懿平博士

武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室教授

華中科技大學(xué)連接與電子封裝中心教授/博導(dǎo)

廣州先藝電子科技有限公司技術(shù)總監(jiān)

Email: ypwu@mail.hust.edu.cn

預(yù)成型焊料及其應(yīng)用

【摘要】本人在預(yù)成型焊料領(lǐng)域做了多年的研究開(kāi)發(fā)工作。依托相關(guān)的研究成果，由我的學(xué)生投資于2007年成立了一家專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)預(yù)成型焊料的高技術(shù)公司——廣州先藝電子科技有限公司（http://www.922246.cn）。該公司專(zhuān)注于微電子與光電子釬焊新材料的研究、開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)，為電子與光電子制造領(lǐng)域提供優(yōu)質(zhì)的預(yù)成型焊料(Solder Preforms)，及其相應(yīng)的制造工藝解決方案。本刊2008年第四期曾經(jīng)刊載了作者寫(xiě)的《金錫合金焊料的性能》文章，向讀者介紹了金錫合金焊料的一些基本性能。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)預(yù)成型焊料應(yīng)用僅限于特殊領(lǐng)域，且預(yù)成型焊料基本依賴(lài)進(jìn)口。這些年來(lái)，預(yù)成型焊料的使用越來(lái)越廣泛，國(guó)內(nèi)也能夠提供高性能的焊料產(chǎn)品。本文將以《預(yù)成型焊料及其應(yīng)用》為題，介紹金錫預(yù)成型焊料的性能，應(yīng)用領(lǐng)域以及應(yīng)用實(shí)例。

【關(guān)鍵詞】預(yù)成型焊料、金錫合金、電子封裝、氣密性封裝

1 引言

     傳統(tǒng)焊料形式有很多種，常見(jiàn)的有焊絲、焊膏以及預(yù)成型焊料等。焊絲（包括含助焊劑的焊絲）是手工焊接的主要焊接材料，烙鐵頭加熱焊盤(pán)、管腳與焊絲，焊絲熔化后移去烙鐵頭，冷卻后形成的焊點(diǎn)，其形狀隨焊盤(pán)與引線的不同而處于無(wú)規(guī)則的狀態(tài)，且焊點(diǎn)的焊料用量也不盡相同。焊膏通常包含有金屬焊料顆粒、溶劑、助焊劑以及少許添加劑，通常采用印刷方式將其批量分配至各個(gè)焊盤(pán)（主要是需要進(jìn)行電連接的焊盤(pán)），將元器件一一對(duì)應(yīng)至相應(yīng)的焊盤(pán)上，通過(guò)回流焊的方式就可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的批量焊接接頭，雖然焊點(diǎn)的用量可以嚴(yán)格控制，但這種印刷焊膏的方式很難實(shí)現(xiàn)形狀復(fù)雜（如有回轉(zhuǎn)形狀）、焊接面積較大、需要致密、有空腔、無(wú)助劑污染的單一焊點(diǎn)的場(chǎng)合。而預(yù)成型焊料則可以完成復(fù)雜形狀的焊接連接。預(yù)成型焊料主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

     1 采用預(yù)成型焊料工藝，在使用前通過(guò)合理的設(shè)計(jì)預(yù)成型焊料的厚度和形狀，精確控制焊料的使用量，用最少的焊料量，實(shí)現(xiàn)最佳的焊接要求，在保證焊接質(zhì)量的情況下將焊接成本大幅降低。

     2 預(yù)成型焊料可以在焊料形狀設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)厚度和寬度等參數(shù)，精確控制分配焊料在焊接的不同位置的焊料量，適應(yīng)比較特殊的焊接要求。

     3 通常采用預(yù)成型焊料工藝是在保護(hù)氣氛中進(jìn)行，在此種條件下，可以免除助焊劑的使用，從而也免除了清洗過(guò)程。這在許多應(yīng)用領(lǐng)域非常的有用，因?yàn)樵诒容^多的應(yīng)用情形下，焊接的器件為了防止污染是不允許使用助焊劑的，或者是焊接后，在期間內(nèi)部形成了一個(gè)密閉的封裝結(jié)構(gòu)，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行清洗。

     4 經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)的預(yù)成型焊料通常能以最小的成本形成很好的焊接效果，使焊接接頭獲得很高的電學(xué)性能和焊接成品率，所以預(yù)成型焊料焊接工藝是高可靠、高導(dǎo)熱封裝的理想焊接工藝。

2金錫合金的性質(zhì)

2.1金錫合金及其組成相

     我們通常是通過(guò)相圖來(lái)了解合金的基本性能的。從圖1中可以看出金錫二元合金相圖很復(fù)雜，其間有多種金屬間化合物，分別為：β(Au₁₀Sn)，ζ￠(Au₅Sn)，ζ，δ(AuSn)，ε(AuSn₂)，η(AuSn₄)。表1給出了這些中間相的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)。這些金錫中間相都是硬脆相，所有成分的金錫合金都是由這些金錫中間相組成。特別地，共晶金錫合金是Au：Sn重量比為80：20的合金，該成分合金制備的焊料業(yè)界常稱(chēng)之為AuSn20焊料，熔點(diǎn)為280°C。焊接時(shí)，液態(tài)的共晶金錫合金焊料在280°C發(fā)生共晶反應(yīng)（L?ξ+AuSn）而凝固。進(jìn)一步冷卻后，ξ相中的Sn含量不斷減少，析出富錫相AuSn，最后在190°C發(fā)生共析反應(yīng)ξ+AuSn?Au₅Sn。經(jīng)過(guò)杠桿原理計(jì)算計(jì)得出AuSn相占36.4%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)），Au₅Sn相占63.6%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）。所以AuSn20焊料在常溫下的微觀組織為AuSn和Au₅Sn的共晶結(jié)構(gòu)。應(yīng)該指出的是，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(lèi)似，非常穩(wěn)定，不易被氧化和腐蝕。但是，金與錫形成的金屬間化合物（IMC）都是脆相，所以固態(tài)下的金錫合金都具有極大的脆性，較難用常規(guī)方法加工成型。

圖1 Au/AuSn合金相圖

表1 金錫中間相的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

2.2 金錫合金的性質(zhì)

      金錫共晶合金作為電子焊接材料，其性能非常優(yōu)異：合適的熔點(diǎn)、優(yōu)異的漫流性保證其有著良好的焊接工藝性；較好的抗氧化性、良好的潤(rùn)濕性使其可適用于免助焊劑工藝；非常大的強(qiáng)度、很強(qiáng)的抗疲勞性能使其能應(yīng)用于高可靠封裝；較強(qiáng)的抗蠕變、大的熱導(dǎo)系數(shù)使其能應(yīng)用于大功率器件的散熱封裝。表2給出了金錫合金與鉛錫共晶合金的性質(zhì)對(duì)比。

表2 共晶金錫合金的性能

      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。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。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，能夠在高溫環(huán)境或者溫度變化幅度大的環(huán)境下使用。

      AuSn20具有良好的漫流性，在較小的熔化范圍以及在焊接溫度下，焊料具有較小的黏度，使得焊料能迅速完全熔化為液態(tài)并在焊盤(pán)表面鋪展開(kāi)來(lái)。共晶金錫合金焊料在280℃熔點(diǎn)附近很小的一個(gè)范圍內(nèi)可以完全熔化成流動(dòng)性很好的液態(tài)，因而具有很小的粘滯性，能夠很迅速的鋪展開(kāi)來(lái)，保證焊接的密封性。

      AuSn20的熱導(dǎo)率為57W/m×K，是所有釬焊料中最高的。因此用AuSn20焊接的器件具有良好的導(dǎo)熱性能。激光器、功率電子器件和對(duì)導(dǎo)熱與散熱有高的要求的場(chǎng)合，用金錫合金焊接可保證芯片的正常工作。

      AuSn20的抗蝕能力與抗氧化能力較強(qiáng)。因而可以實(shí)現(xiàn)免助焊劑焊接，也可以直接在空氣中使用火焰焊接，或者在還原性氣體如氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚庵谢亓骱?，而不需要任何助焊劑。形成的焊接接頭氧化少、強(qiáng)度高、性能可靠。也由于其抗蝕能力強(qiáng)，金錫合金焊料的儲(chǔ)藏方式甚至比傳統(tǒng)焊料的儲(chǔ)藏方式要求更低。

      AuSn20焊料可直接在鍍金層上焊接，他對(duì)鍍金焊盤(pán)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”。

      但是金錫共晶合金焊料也有自己的不少缺點(diǎn)。首先金錫合金焊料的金含量很多，制作成本相對(duì)于錫鉛焊料增加了不少。其次，由于其成分為包含兩種IMC的共晶組織，脆性很大，很難對(duì)其進(jìn)行成型，沖裁等機(jī)械加工。

2.3其他預(yù)成型焊料

      廣州先藝電子科技有限公司在預(yù)成型焊料的成型技術(shù)上有強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠制備幾乎各種合金材料的焊料及其各種形狀的預(yù)成型焊料。主要產(chǎn)品系列有：金基預(yù)成型焊料、銦基預(yù)成型焊料、錫銻預(yù)成型焊料、錫銀銅預(yù)成型焊料、鉛錫預(yù)成型焊料、銀銅預(yù)成型焊料以及高鉛預(yù)成型焊料等。常用的焊料有Au80Sn20，Au88Ge12，Ag72Cu28，SAC305（Sn96.5Ag3.0Cu0.5)，SAC405（Sn95.5Ag4.0Cu0.5)，Sn98.5Ag1.0Cu0.5,Sn63Pb37，Sn90Sb10，In52Sn48，In97Ag3，In100，Sn96.5Ag3.5，Pb92.5Sn5Ag2.5，Ag100，Au100，Cu100等。表3給出了常用的預(yù)成型焊料的熔點(diǎn)或熔化溫度區(qū)間。

表3常用的預(yù)成型焊料的熔點(diǎn)或熔化溫度區(qū)間

      金鍺（Au88Ge12）預(yù)成型焊料具有低蒸汽壓、低接觸電阻、與襯底粘附性好、高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用與GaAs MESFET（GaAs金屬半導(dǎo)體肖特基場(chǎng)效應(yīng)晶體管）中，與Au、Ni等金屬組成不同的M/S系統(tǒng)用于形成歐姆接觸。金鍺合金還廣泛的用作晶體管、集成電路等元件的低熔點(diǎn)焊料。

      金銅（Au80Cu20、Au50Cu50）預(yù)成型焊料具有合適的熔點(diǎn)、很好的流動(dòng)性和填充微小間隙的能力，對(duì)銅、鎳、鐵、鈷、鎢、鉬、鉭、鈮等金屬及其合金都有良好的潤(rùn)濕性。它與基體金屬相互間不發(fā)生明顯的化學(xué)作用，因而釬焊后不會(huì)降低工件的強(qiáng)度和尺寸精度。廣泛應(yīng)用于大功率磁控管、波導(dǎo)管、真空儀表零件等真空器件的釬焊中。

      錫銻（Sn95Sb5、Sn90Sb10）預(yù)成型焊料的熔化區(qū)間較窄（232-250°C），并且與現(xiàn)有焊料兼容性良好、力學(xué)性能優(yōu)良，因此其應(yīng)用成本明顯低于Au-Sn。隨著合金中Sb含量的增加，會(huì)提高該焊料接頭的力學(xué)性能；Sn95Sb5(Sn90Sb10)的潤(rùn)濕性能比Sn63Pb37稍差，但Sn-Sb合金是低應(yīng)力下蠕變抗力最好的Sn基合金。

      銦熔點(diǎn)較低（為156°C），可與Sn、Pb、Ag等元素形成一系列低熔點(diǎn)共晶焊料。銦基焊料對(duì)堿性介質(zhì)有較高的抗腐蝕性，對(duì)金屬和非金屬都具有良好的潤(rùn)濕能力，形成的焊點(diǎn)具有電阻低、塑性高等優(yōu)點(diǎn)，可用于不同熱膨脹系數(shù)材料的匹配封裝。因而銦基焊料主要應(yīng)用于電真空器件、玻璃、陶瓷和低溫超導(dǎo)器件的封裝上。純銦和高銦焊料（In97Ag3、In52Sn48）預(yù)成型焊料具有優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性，低熔點(diǎn)，極好的柔軟性等獨(dú)特的特性，常用于陶瓷元件搭接到PCB的連接材料和熱傳導(dǎo)材料。先藝公司攻克了因In的柔軟性給成型加工帶來(lái)的巨大困難，可以提供厚度0.05mm以上的銦基預(yù)成型焊料。

      高鉛（Pb90Sn10、Pb92.5Sn5Ag2.5）預(yù)成型焊料為軟釬焊材料，具有良好的漫流性及耐蝕性，在微電子封裝的高溫領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。高鉛的錫鉛釬料中加入適量的Ag可以提高焊料接頭的耐熱溫度、緩釋熱應(yīng)力，從而可以使之適應(yīng)高功率器件封裝對(duì)焊料的高可靠性要求。

      傳統(tǒng)的共晶鉛錫焊料以及錫銀銅無(wú)鉛焊料也可以做成預(yù)成型焊料，并可以編帶包裝以適應(yīng)SMT貼片工藝，解決焊料不足和精確控制局部焊點(diǎn)的焊錫量，與標(biāo)準(zhǔn)合金焊膏兼容，減少焊膏疊印的需要，減少焊料飛濺，減少標(biāo)準(zhǔn)焊膏中助焊劑/焊膏的比例，從而減少助焊劑殘留，加強(qiáng)了焊點(diǎn)強(qiáng)度，大大提高了焊接可靠性及產(chǎn)品良率。

     銀基釬料（AgCu28）是目前應(yīng)用最廣泛的硬釬料，它們?nèi)埸c(diǎn)適中，導(dǎo)電性能良好，塑性較高，具有高焊接強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性及高的軟化溫度，在各種介質(zhì)中耐蝕性也較好。在器件釬焊時(shí)大量采用，尤其在600-1100°C溫度范圍內(nèi)，銀釬料為優(yōu)選的釬料。共晶型Ag72Cu28預(yù)成型焊料的熔點(diǎn)為780°C，具有優(yōu)良的工藝性能，適宜的熔點(diǎn)、良好的潤(rùn)濕性和填縫能力等，能夠形成高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性及耐腐蝕的釬焊接頭，廣泛應(yīng)用于電真空器件的焊接，用于釬焊低碳鋼、不銹鋼、高溫合金、銅及銅合金、可伐合金及難熔合金。

3金錫預(yù)成型焊料的應(yīng)用

3.1氣密封裝

      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。封裝焊接后，整個(gè)封裝體為一密閉的容器，不可能再對(duì)腔體內(nèi)進(jìn)行清洗操作；若封裝體里面的有源器件芯片不能在清洗操作時(shí)被污染，就不可能采用傳統(tǒng)的焊料進(jìn)行封裝，必須采用無(wú)助焊劑的清潔焊接工藝。MEMS封裝外殼通常為陶瓷材料，為了減少蓋板與陶瓷之間的熱膨脹系數(shù)失配情況，蓋板材料一般選擇熱膨脹系數(shù)與陶瓷材料差不多的可伐合金。封裝時(shí)，首先將外殼與蓋板的結(jié)合處鍍上金屬層（一般為金/鎳鍍層），以保證焊料的潤(rùn)濕性，然后將有源器件芯片封裝到陶瓷外殼里面，在蓋板與外殼之間放置金錫預(yù)成型焊料，通過(guò)平行縫焊進(jìn)行局部加熱焊接或者采用夾具夾持進(jìn)行整體回流焊接（或者采用真空回流焊接）。局部加熱的好處是不用將整個(gè)封裝體進(jìn)行整體加熱，因而不影響里面已經(jīng)焊接好的有源器件芯片。具體的封裝示意圖如圖2所示。

圖2 金錫預(yù)成型焊料應(yīng)用于MEMS氣密封裝示意圖

3.2功率激光二極管封裝

      激光加工的普及使得功率激光二極管的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨著封裝技術(shù)和芯片技術(shù)的提高，功率激光二極管的功率越來(lái)越高，隨之而產(chǎn)生的熱量達(dá)到了驚人的密度。有資料顯示，功率激光二極管工作時(shí)能夠產(chǎn)生的熱量密度可達(dá)4KW/cm²。如此高的發(fā)熱量，如果沒(méi)有良好的散熱通道及時(shí)將熱量散發(fā)出去，會(huì)在激光二極管產(chǎn)生極高的熱量堆積，導(dǎo)致激光二極管的發(fā)光效率下降。一般的是將激光二極管直接焊接到銅熱沉上去，使系統(tǒng)的熱阻減少。熱量能夠快速傳遞到銅熱沉而散逸出去。功率激光二極管的斷續(xù)工作，形成了很大的交變溫度差，造成焊料的互連界面承受非常大的熱應(yīng)力，很容易造成焊點(diǎn)蠕變與熱疲勞失效。采用金錫共晶合金焊料封裝就可很好地解決這些問(wèn)題。將激光二極管芯片通過(guò)預(yù)成型金錫焊料直接焊接到銅熱沉上，不僅大大提高了導(dǎo)熱能力，同時(shí)還有較高的強(qiáng)度和較好的抗熱疲勞特性。特別是芯片底部覆金與鍍金的熱沉封裝面可以直接用金錫合金焊接而不需要制備過(guò)度金屬。封裝時(shí)，將預(yù)成型共晶合金焊料放置于銅熱沉的鍍金焊盤(pán)和激光二極管鍍金底層之間，通過(guò)回流或者其他焊接形式焊接好，如圖1.4所示。

圖3 金錫預(yù)成型焊料應(yīng)用于激光二極管封裝示意圖

3.3 光纖尾纖的焊接

      光纖插芯是光通訊的關(guān)鍵無(wú)源器件。光纖插芯的尾纖封裝常采用微小的金錫合金焊環(huán)將光纖焊在鎳管上，然后安裝在插芯頭上。光纖被焊接的光纖端部和鎳管均采用化學(xué)鍍方法局部鍍金，然后再將鍍金的光纖端部插入鎳管中，套上金錫合金焊環(huán)，采用氫焰將尾纖與鎳管焊接起來(lái) 如圖4所示。

圖4 光纖尾纖的焊接

3.4 管殼的封裝

     光電器件的管殼與管座的封裝通常也會(huì)采用金錫預(yù)成型焊片來(lái)焊接。圖5是兩種管殼的封裝示意圖。

圖5 兩種管殼的封裝示意圖

      一般地，共晶金錫預(yù)成型焊料建議的焊接溫度在焊料熔點(diǎn)以上30-50°C，即310~330°C。焊接時(shí)無(wú)需助焊劑；最好設(shè)計(jì)一熱慣性小的工裝夾具，適當(dāng)加壓；焊后無(wú)需清洗；焊接方式可以采用真空回流焊、保護(hù)性氣氛回流焊、氫焰手工焊的方法焊接。

4結(jié)語(yǔ)

      預(yù)成型焊料封裝是一種不可替代的電子封裝工藝。目前幾乎所有的電子封裝用的焊料均可以制備成預(yù)成型焊料。共晶金錫焊料因其具有其他焊料不可替代的優(yōu)異性能而廣泛應(yīng)用于光電子封裝和高可靠性軍用電子器件封裝領(lǐng)域。該焊料具有合適的熔點(diǎn)、優(yōu)異的漫流性、良好的工藝性、很好的抗氧化性、良好的潤(rùn)濕性，非常適合免助焊劑焊接工藝；形成的金錫共晶焊點(diǎn)強(qiáng)度高、抗疲勞性能好、抗蠕變性能優(yōu)異，常用與高可靠封裝；大的熱導(dǎo)系數(shù)使其能應(yīng)用于大功率器件的散熱封裝。金錫合金焊料大都制備成預(yù)成型焊料使用，罕有焊膏和焊絲產(chǎn)品。金錫合金焊料的脆性較大，金焊料較高，很難成型加工，導(dǎo)致材料成本與成型制造成本過(guò)高而制約了金錫合金的應(yīng)用。

 (20160228)