AuSn20的熔点是280°C,推荐的钎焊温度应高于焊料熔点50°C左右,也就330°C。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温度。而高铅焊料使用工艺非常的成熟,所以AuSn20这个熔点非常的适合作为电子焊接材料。 AuSn20作为共晶合金,有着细小均匀的晶格、很高的强度的特征。AuSn20的焊接强度为47.5MPa,比SnPb37的焊接接头剪切强度26.7MPa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,在较小的熔化范围以及在焊接温度下,焊料具有较小的黏度,使得焊料能迅速完全熔化为液态并在焊盘表面铺展开来。共晶金锡合金焊料在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,能够很迅速的铺展开来,保证焊接的密封性。
AuSn20的热导率为57W/m×K,是所有钎焊料中最高的。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的要求的场合,用金锡合金焊接可保证芯片的正常工作。
AuSn20的抗蚀能力与抗氧化能力较强。因而可以实现免助焊剂焊接,也可以直接在空气中使用火焰焊接,或者在还原性气体如氮气和氢气的混合气中焊接炉,而不需要任何助焊剂。形成的焊接接头氧化少、强度高、性能可靠。也由于其抗蚀能力强,金锡合金焊料的储藏方式甚至比传统焊料的储藏方式要求更低。
AuSn20焊料可直接在镀金层上焊接,他对镀金焊盘的熔蚀很小,因此镀金不会被共晶的金锡焊料溶掉而导致次表层外露并与焊料发生不可预测的焊料反应。这个特性技术是我们常说的“不吃金”。
但是金锡共晶合金焊料也有自己的不少缺点。首先金锡合金焊料的金含量很多,制作成本相对于锡铅焊料增加了不少。其次,由于其成分为包含两种IMC的共晶组织,脆性很大,很难对其进行成型,冲裁等机械加工。
2.3其他预成型焊料
广州先艺电子科技有限公司在预成型焊料的成型技术上有强大的技术优势,能够制备几乎各种合金材料的焊料及其各种形状的预成型焊料。主要产品系列有:金基预成型焊料、铟基预成型焊料、锡锑预成型焊料、锡银铜预成型焊料、铅锡预成型焊料、银铜预成型焊料以及高铅预成型焊料等。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给出了常用的预成型焊料的熔点或熔化温度区间。
表3常用的预成型焊料的熔点或熔化温度区间
金锗(Au88Ge12)预成型焊料具有低蒸汽压、低接触电阻、与衬底粘附性好、高导电性和导热性等优点,主要应用与GaAs MESFET(GaAs金属半导体肖特基场效应晶体管)中,与Au、Ni等金属组成不同的M/S系统用于形成欧姆接触。金锗合金还广泛的用作晶体管、集成电路等元件的低熔点焊料。
金铜(Au80Cu20、Au50Cu50)预成型焊料具有合适的熔点、很好的流动性和填充微小间隙的能力,对铜、镍、铁、钴、钨、钼、钽、铌等金属及其合金都有良好的润湿性。它与基体金属相互间不发生明显的化学作用,因而钎焊后不会降低工件的强度和尺寸精度。广泛应用于大功率磁控管、波导管、真空仪表零件等真空器件的钎焊中。
锡锑(Sn95Sb5、Sn90Sb10)预成型焊料的熔化区间较窄(232-250°C),并且与现有焊料兼容性良好、力学性能优良,因此其应用成本明显低于Au-Sn。随着合金中Sb含量的增加,会提高该焊料接头的力学性能;Sn95Sb5(Sn90Sb10)的润湿性能比Sn63Pb37稍差,但Sn-Sb合金是低应力下蠕变抗力最好的Sn基合金。
铟熔点较低(为156°C),可与Sn、Pb、Ag等元素形成一系列低熔点共晶焊料。铟基焊料对碱性介质有较高的抗腐蚀性,对金属和非金属都具有良好的润湿能力,形成的焊点具有电阻低、塑性高等优点,可用于不同热膨胀系数材料的匹配封装。因而铟基焊料主要应用于电真空器件、玻璃、陶瓷和低温超导器件的封装上。纯铟和高铟焊料(In97Ag3、In52Sn48)预成型焊料具有优异的热传导性,低熔点,极好的柔软性等独特的特性,常用于陶瓷元件搭接到PCB的连接材料和热传导材料。先艺公司攻克了因In的柔软性给成型加工带来的巨大困难,可以提供厚度0.05mm以上的铟基预成型焊料。
高铅(Pb90Sn10、Pb92.5Sn5Ag2.5)预成型焊料为软钎焊材料,具有良好的漫流性及耐蚀性,在微电子封装的高温领域得到了广泛应用。高铅的锡铅钎料中加入适量的Ag可以提高焊料接头的耐热温度、缓释热应力,从而可以使之适应高功率器件封装对焊料的高可靠性要求。
传统的共晶铅锡焊料以及锡银铜无铅焊料也可以做成预成型焊料,并可以编带包装以适应SMT贴片工艺,解决焊料不足和精确控制局部焊点的焊锡量,与标准合金焊膏兼容,减少焊膏叠印的需要,减少焊料飞溅,减少标准焊膏中助焊剂/焊膏的比例,从而减少助焊剂残留,加强了焊点强度,大大提高了焊接可靠性及产品良率。
银基钎料(AgCu28)是目前应用最广泛的硬钎料,它们熔点适中,导电性能良好,塑性较高,具有高焊接强度、高导热性及高的软化温度,在各种介质中耐蚀性也较好。在器件钎焊时大量采用,尤其在600-1100°C温度范围内,银钎料为优选的钎料。共晶型Ag72Cu28预成型焊料的熔点为780°C,具有优良的工艺性能,适宜的熔点、良好的润湿性和填缝能力等,能够形成高强度、高导电性及耐腐蚀的钎焊接头,广泛应用于电真空器件的焊接,用于钎焊低碳钢、不锈钢、高温合金、铜及铜合金、可伐合金及难熔合金。
3金锡预成型焊料的应用
3.1气密封装
典型应用情况是MEMS传感器的气密封装,一般说来MEMS有源器件芯片非常的灵敏,在使用的过程中直接与环境中空气接触会污染感受器而造成测试数据产生偏差而失效,所以MEMS封装都要求有很高的气密性。封装焊接后,整个封装体为一密闭的容器,不可能再对腔体内进行清洗操作;若封装体里面的有源器件芯片不能在清洗操作时被污染,就不可能采用传统的焊料进行封装,必须采用无助焊剂的清洁焊接工艺。MEMS封装外壳通常为陶瓷材料,为了减少盖板与陶瓷之间的热膨胀系数失配情况,盖板材料一般选择热膨胀系数与陶瓷材料差不多的可伐合金。封装时,首先将外壳与盖板的结合处镀上金属层(一般为金/镍镀层),以保证焊料的润湿性,然后将有源器件芯片封装到陶瓷外壳里面,在盖板与外壳之间放置金锡预成型焊料,通过平行缝焊进行局部加热焊接或者采用夹具夹持进行整体焊接炉接(或者采用真空焊接炉接)。局部加热的好处是不用将整个封装体进行整体加热,因而不影响里面已经焊接好的有源器件芯片。具体的封装示意图如图2所示。
图2 金锡预成型焊料应用于MEMS气密封装示意图
3.2功率激光二极管封装
激光加工的普及使得功率激光二极管的应用越来越广泛。随着封装技术和芯片技术的提高,功率激光二极管的功率越来越高,随之而产生的热量达到了惊人的密度。有资料显示,功率激光二极管工作时能够产生的热量密度可达4KW/cm2。如此高的发热量,如果没有良好的散热通道及时将热量散发出去,会在激光二极管产生极高的热量堆积,导致激光二极管的发光效率下降。一般的是将激光二极管直接焊接到铜热沉上去,使系统的热阻减少。热量能够快速传递到铜热沉而散逸出去。功率激光二极管的断续工作,形成了很大的交变温度差,造成焊料的互连界面承受非常大的热应力,很容易造成焊点蠕变与热疲劳失效。采用金锡共晶合金焊料封装就可很好地解决这些问题。将激光二极管芯片通过预成型金锡焊料直接焊接到铜热沉上,不仅大大提高了导热能力,同时还有较高的强度和较好的抗热疲劳特性。特别是芯片底部覆金与镀金的热沉封装面可以直接用金锡合金焊接而不需要制备过度金属。封装时,将预成型共晶合金焊料放置于铜热沉的镀金焊盘和激光二极管镀金底层之间,通过回流或者其他焊接形式焊接好,如图1.4所示。
图3 金锡预成型焊料应用于激光二极管封装示意图
3.3 光纤尾纤的焊接
光纤插芯是光通讯的关键无源器件。光纤插芯的尾纤封装常采用微小的金锡合金焊环将光纤焊在镍管上,然后安装在插芯头上。光纤被焊接的光纤端部和镍管均采用化学镀方法局部镀金,然后再将镀金的光纤端部插入镍管中,套上金锡合金焊环,采用氢焰将尾纤与镍管焊接起来 如图4所示。
图4 光纤尾纤的焊接
3.4 管壳的封装
光电器件的管壳与管座的封装通常也会采用金锡预成型焊片来焊接。图5是两种管壳的封装示意图。
图5 两种管壳的封装示意图
一般地,共晶金锡预成型焊料建议的焊接温度在焊料熔点以上30-50°C,即310~330°C。焊接时无需助焊剂;最好设计一热惯性小的工装夹具,适当加压;焊后无需清洗;焊接方式可以采用真空焊接炉、保护性气氛焊接炉、氢焰手工焊的方法焊接。
4结语
预成型焊料封装是一种不可替代的电子封装工艺。目前几乎所有的电子封装用的焊料均可以制备成预成型焊料。共晶金锡焊料因其具有其他焊料不可替代的优异性能而广泛应用于光电子封装和高可靠性军用电子器件封装领域。该焊料具有合适的熔点、优异的漫流性、良好的工艺性、很好的抗氧化性、良好的润湿性,非常适合免助焊剂焊接工艺;形成的金锡共晶焊点强度高、抗疲劳性能好、抗蠕变性能优异,常用与高可靠封装;大的热导系数使其能应用于大功率器件的散热封装。金锡合金焊料大都制备成预成型焊料使用,罕有焊膏和焊丝产品。金锡合金焊料的脆性较大,金焊料较高,很难成型加工,导致材料成本与成型制造成本过高而制约了金锡合金的应用。
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