金锡焊料及其在电子器件封装领域中的应用

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1、金锡焊料及其在电子器件封装领域中的应用1112周涛汤姆鲍勃马丁奥德贾松良1.美国科宁（Coining）公司2.清华大学微电子所摘要：本文介绍了Au80%Sn20%焊料的基本物理性能及其在微电子、光电子封装中的应用。关键词：金锡合金、微电子、光电子、封装AnIntroductiontoEutecticAu/SnSolderAlloyandItsPreformsinMicroelectronics/OptoelectronicPackagingApplications1112TaoZhou,TomBobal,Mart

2、inOudandJiaSongliang1.Coining,Inc.280N.MidlandAve.SaddleBrook,NJ07663USA2.InstituteofMicroelectronics,TsinghuaUniversity,Beijing100084ChinaAbstract：ThephysicalpropertiesofeutecticAu/SnSolderalloyanditsapplicationsformicroelectronicsandoptoelectronicspackagings.

3、Keywords：AuSnSolderalloy,microelectronicspackaging，optoelectronicpackaging,package1.前言钎焊是组装电子产品的一项重要技术。为了得到理想的钎焊连接，钎焊料的选择至关重要。钎焊料的可焊性、熔点、强度及杨氏模量、热膨胀系数、热疲劳、蠕变及抗蠕变性能等均可影响钎焊连接的质量。共晶的金80%锡20%钎焊合金（熔点280C）用于半导体和其他行业已经有很多年了。由于它优良的物理性能，金锡合金已逐渐成为用于光电器件封装的一种最好的钎焊材料。2.Au

4、80Sn20焊料的物理性能1Au80Sn20金锡焊料的一些基本物理性能如表1所示。由表1可知它有如下优点。表1金80锡20合金在20C时的物理性能。参数单位数值-3密度gcm14.7-6热膨胀系数*10/°C16-1-1热导率WmK57拉伸强度MPa275杨氏模量GPa68剪切模量GPa25泊松比0.405电导率µΩcm16.4延伸率%2*温度范围为20°C到250°C。钎焊温度适中：钎焊温度仅比它的熔点高出20～30C（即约300～310C）。在钎焊过程中，基于合金的共晶成分，很小的过热度就可以使合

5、金熔化并浸润；另外，合金的凝固过程进行得也很快。因此，金锡合金的使用能够大大缩短整个钎焊过程周期。金锡合金的钎焊温度范围适用于对稳定性要求很高的元器件组装。同时，这些元器件也能够承受随后在相对低一些的温度利用无铅焊料的组装。这些焊料的组装温度大约在260C。高强度：在室温条件下，金锡合金的屈服强度很高。即使在250～260C的温度下，它的强度也能够胜任气密性的要求。材料的强度与一些高温钎焊材料相当，但是钎焊过程可以在相对低得多的温度下完成。无需助焊剂：由于合金成份中金占了很大的比重（80%），材料表面的氧化程

6、度较低。如果在钎焊过程中采用真空，或还原性气体如氮气和氫气的混合气，就不必使用化学助焊剂。具有良好的浸润性，而对镀金层又无铅锡焊料的那种浸蚀现象。金锡合金2与镀金层的成分接近，因而通过扩散对很薄镀层的浸溶程度很低；同时也没有像银那样的迁徒现象。低粘滞性：液态的金锡合金具有很低的粘滞性，从而可以填充一些很大的空隙。另外，Au80Sn20焊料还具有高耐腐蚀性，高抗蠕变性能及良好的导热和导电性。Au80Sn20焊料的不足之处是它的价格较贵，性能较脆，延伸率很小，不易加工。3.热力学性能由于金锡合金的热力学性能决定了它的

7、许多使用性能，了解合金的一些基本热力学性能是必要的。金锡能够在80wt%金和20wt%锡的成分比例下形成共晶合金，如图1所示。)℃液相(度温℃℃℃℃原子百分比Sn图1Au-Sn二元合金相图[1]金锡合金在280°C的共晶反应为液相L+。在合金的此反应附近，3主要包括’(Au5Sn)相,相和(AuSn)相。在’相中，锡的重量百分比10.7%。它具有六角结构，在190C以下是稳定相。相由包晶反应+L形成。在521C，相锡的重量百分比为5.7%；在280C，此百分比为11.3%；而在190C

8、，此百分比为8.8%。相具有镁型六角密排结构。相是一种金属间化合物，其熔点为419.3C，具有NiAs型六角结构。相的成分可在一定范围内波动，其中锡的原子百分比为50.0%到50.5%(重量百分比为37.5%到37.9%)。4.金锡焊料预成型片可用于微电子封装的钎焊料有很多形式，最主要的有丝、片、焊膏和预成型片等形式。基于金锡合金很脆的