钎料在硅器件中的应用

硅器件钎焊时对钎料的一般要求如下：

1）在直接钎焊时，钎料与硅应具有良好的相容性、良好的导电性，并能形成低欧姆接触，即对n型硅或p型硅不会形成整流特性。

2）钎料应对硅（或者硅器件表面的金属化层）具有良好的润湿性，且导热性能良好，使器件热阻尽可能小。

3）钎料的钎焊温度应低于芯片制造的最低温度，以保证芯片在钎焊过程中不被破坏，同时其固相线又必须高于硅器件的最高储存温度，避免储存过程中发生钎料熔化。

4）钎料在加热过程中，不能产生有害物质沾污芯片。

5）钎料中不得含有铅、汞、镉等有害物质，满足环保要求。

目前用于硅芯片钎焊的钎料主要有两类：一类是金基合金系列，一类是锡基合金系列。前者性能优越，后者价格低廉。

钎料中各元素所起作用如下：

金（Au）：熔点为1064℃，可与硅形成低熔共晶（见图13-1[5]），广泛用于硅器件的钎焊。金_-硅钎料可用于温度较高的场合，但金钎料与低掺杂n型硅易形成高阻层，故在用于npn型器件的钎料中常加入少量的V族元素锑或砷。Au-Sn钎料的线胀系数比较小，焊接芯片时产生的应力也相对比较小，且在热应力的作用下不会发生蠕变^[6]，因而可靠性较好。

锗（Ge）：熔点为937℃，能与Au形成低熔共晶。金-锗钎料（Au88%，Ce12%）的熔点适中（356℃）。

铅（Pb）：熔点328℃，在低温（-60℃）下仍能保持塑性，是传统软钎料的主要组分之一，目前出于环保考虑，除特殊需要外已被禁用。(www.xing528.com)

锡（Sn）：熔点为232℃，是软钎料的主要成分，通常与铅、银或铟组成合金。如铅中加入少量的锡可细化晶粒，提高延展性和抗疲劳强度。

铟（In）：熔点为157℃，加入锡合金中，可提高其润湿性、降低熔点，含铟合金的抗疲劳强度极佳。但铟容易与金形成脆性、阻热的金属间化合物Au₉In^4[7]，焊接后器件的热阻和电阻会随着时间和温度的改变恶化，使用时需避免与金接触。

银（Ag）：熔点为962℃，在锡钎料中，银常作为一种添加物提高其强度和抗疲劳性，银可与锡形成Ag₃Sn金属间化合物。

铜（Cu）：熔点为1083.4℃，在锡钎料中加入少量铜，可改善其力学性能，铜可与锡形成Cu₆Sn₅和Cu₃Sn金属间化合物。

硅器件常用钎料见表13-3。通常选用的都是熔点相对较低的软钎料，可以减小由于线胀系数的不匹配引起的应力^[6]。传统上用于硅芯片钎焊的含铅钎料由于铅的毒性，目前已被主要工业国家禁用，以无铅钎料取代。

图13-1 Au-Si合金相图 Fig.13-1 Au-Si phase diagram

表13-3 硅器件常用钎料Table 13-3 Conventional filler metals for joining silicon devices