镀金器件软钎焊优化技巧介绍

在微电子器件制造中，镀金可以降低接触电阻、防腐蚀，而薄的镀金层还可以改善钎焊性。镀金大多用于高可靠微电子器件制造工艺中。熔态的Sn-Pb钎料会对镀金层产生强烈的熔蚀作用。例如，即使在200℃的钎焊温度下，镀金层在Sn-40%Pb（质量分数）的钎料中的熔蚀速率仍高达1μm/s^[3]。

有的研究者认为，薄的镀金层（<1.27μm）虽易溶解在Sn-Pb钎料内，但对钎焊有一定帮助，并且对钎焊接头的结构及接头强度无不利影响；但厚的镀金层（>1.27μm）构件，在强度是主要要求的情况下，就应当避免使用Sn-Pb钎料钎焊。在此厚度范围内，在钎焊温度作用下，镀层上的金溶入Sn-Pb钎料内，所形成的Au-Sn-Pb合金比Pb-Sn共晶钎料脆弱得多，它的强度变化与金含量成反比。因此引起Sn-Pb钎料金含量增加的任何因素，诸如增加镀层厚度、提高钎焊温度以及延长钎焊时间，均会导致钎焊接头强度大幅度下降。接头强度下降的原因是在钎料中形成了粗大的脆性针状的AuSn₄相。

使用松香-酒精钎剂、松香-萜烯钎剂和9种软钎料（63Sn-37Pb，80In-15Pb-5Ag，96.5In-3.5Bi，68Sn-32Cd，90In-10Ag，83Pb-17Cd，80Au-20Sn，97.5Pb-1.5Ag-1.0Sn和56.5Bi-43.5Pb），对厚镀金层（7～10μm）钎焊的研究结果指出：从对镀金层润湿性（见表16-3）和接头抗剪强度（见表16-4）均适合厚镀金层应用的三种钎料比较，认为90In-10Ag和80Au-20Sn比63Sn-37Pb更适合用于厚镀金层钎焊。63Sn-37Pb钎料只有在钎焊温度和钎焊时间严格控制，使得金与锡的化合物减至最少量时，方可有效地被采用[4]。不同温度下Au在Sn和Sn-40Pb钎料中的溶解量如图16-4所示。

表16-3 软钎料的润湿性Table 16-3 Wettability of some solders

表16-4 软钎料的抗剪强度Table 16-4 Shear strength of some soldered joints

图16-4 不同温度下Au在Sn和 Sn-40Pb钎料中的溶解量^[5] Fig.16-4 Dissolution of Au in molten Sn and Sn-40Pb solders at various temperatures

金基软钎料AuGe12、AuSi3.15和AuSn20对镀金层均无熔蚀现象，是高可靠镀金器件常用的钎料。

应当指出，高于AuSn20钎料熔点（280℃）的钎料，不能使用松香为主体的钎剂，应采用无钎剂钎焊，即在真空或保护气氛条件下炉中钎焊。

AuSn20钎料由于对镀金层无熔蚀、对镀金层润湿性优良和良好的热导性、高的接头强度和耐热冲击，以及耐多种物质的腐蚀和较低的熔点，广泛被用于高可靠镀金器件的无钎剂钎焊和气密封装。

AuSn20合金在20℃时的物理性能见表16-5。AuSn20钎料在微电子器件封装工艺中的几种典型的应用如图16-5所示。

表16-5 AuSn20合金在20℃时的物理性能^[6] Table 16-5 The physical properties of AuSn20 alloy at 20℃

AuSn20钎料应用的主要形态有0.02～0.10mm厚的箔材、焊环（框）、覆有AuSn 20的复合封装盖板和膏状。

图16-5 AuSn20钎料在微电子器件封装工艺中的几种典型应用 a）IC电路封装 b）陶瓷器件的封装 Fig.16-5 Some typical applications of AuSn20 solder in packing technology of micro-electronic devices

① 温度范围为20～250℃。(www.xing528.com)

图16-5 AuSn20钎料在微电子器件封装工艺中的几种典型应用（续） c）光电器件封装 d）激光二极管封装 Fig.16-5 Some typical applications of AuSn20 solder in packing technology of micro-electronic devices（continued）

近年，我国AuSn20合金箔材及其深加工系列产品的制备技术已取得突破性进展^[7-9]。国产系列产品在国内外微电子器件封装工艺中已获得批量应用，其综合性能已达到我国军用微电子器件封装相关技术规范的要求。

图16-6～图16-9分别所示为国产AuSn20钎料箔材产品、焊环产品；AuSn20复合封装盖板；金锡钎料焊缝组织。

图16-6 AuSn20钎料箔材产品 Fig.16-6 Foil product of AuSn20 solder

图16-7 AuSn20钎料焊环产品 Fig.16-7 Soldering product of AuSn20 solder

图16-8 AuSn20复合封装盖板 Fig.16-8 AuSn20 Packaging compound plate

图16-9 金锡钎料焊缝组织 Fig.16-9 A fillet structure soldered by gold-tin solder

Sn-Au-Sb钎料合金是我国近年新开发出的一种熔点低于AuSn20钎料，适用于镀金电子器件封装分级钎焊的无铅钎料，其典型成分和性能见表16-6。

集成电路的芯片采用钎焊技术可以保证良好的欧姆接触和散热性。利用金与硅在370℃产生共晶反应的原理，可以实现接触反应钎焊，即将硅芯片直接粘合于镀金管壳上，在400℃左右使之达到Au-Si共晶结合。

表16-6 Sn-Au-Sb无铅钎料典型成分和性能^[12] Table 16-6 Typical compositions and properties of lead-free Sn-Au-Sb solders^[12]

微电子技术中的芯片钎焊，尤为突出的问题是产生热疲劳现象。芯片钎焊时，由于钎料、基板和芯片的线胀系数差异较大，常常容易在电源关闭和环境湿度变化中产生循环热应力而发生疲劳破坏。

研究表明，In-Pb系钎料较Sn-Pb系钎料具有更好的抗疲劳特性。Pb50In50合金的疲劳寿命是Pb95Sn5合金的3倍，而Pb30In70合金的疲劳寿命是Pb95Sn5合金的8倍^[3]。因而从疲劳寿命的角度来看，以铅铟合金取代锡铅钎料对提高疲劳寿命是有利的，而且从对镀金层熔蚀方面考虑也是有利的。铅铟钎料的缺点是耐蚀性差，使用时对湿度要求很严格。