半導體封裝工藝中金錫共晶焊料性質和制備方法研究

史 超

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

金錫共晶焊料作為一種焊接材料廣泛應用于半導體激光器、微波電路組件、RF功率放大器、MEMS等半導體行業的眾多產品封裝工藝中，采用的焊接方式為回流焊。由于應用金錫焊料封裝產品不易產生“攀爬”效應，具有良好的抗熱疲勞性質和較高的熱導率，高的燒焊可靠性、剪切強度以及抗腐蝕性使之在封裝工藝中備受關注。金錫焊料存放過程中不易被氧化，使用不需要添加助焊劑，及其無鉛優勢，使得其應用方法上便于推廣。重要的是，在光電器件封裝流程中，經常需要進行多次燒焊，而多次燒焊很容易造成焊接面的狀態發生變化，導致開路等不理現象，避免這種現象的發生就是采用梯度焊料進行燒焊，將二次燒焊的溫度降低，因此梯度焊料的需求也十分廣泛，金錫共晶焊料熔點280℃，在光電器件的燒焊工藝流程中一般屬于高溫焊料，應用在首次燒焊中，為焊料溫度梯度提供了可能。

本文從金錫焊料性質入手，結合相圖對金錫焊料進行描述，然后對金錫焊料的制備方法進行概括，重點對蒸發、電鍍這兩種常用的制備手段的優缺點、應用范圍等加以歸納，最后結合共晶焊料在光電器件特別是半導體激光器封裝中的應用情況，對金錫焊料制備和應用方面提出建議。

1 金錫共晶焊料性質

金錫共晶焊料屬于無鉛硬焊料，其組分為：Au80wt.%/Sn20wt%，熱導率0.57W/cm℃，拉伸強度為275MPa，屈服強度0.22MPa，具有高度浸潤性和表面張力，其浸潤角為0°，共晶溫度點為280℃，常用于無助焊劑燒焊和梯度燒焊中的首次燒焊，另外它具備很強的抗腐蝕性，因此在腐蝕環境中的極佳穩定性。

圖1 金錫合金相圖[2]

圖1是金錫二元相圖。由圖可見：共晶點附近存在由金屬間化合物組成的不同的相，它們是影響金錫焊料的電學性能、機械性能和化學性能的主要因素。與其它常見共晶焊料相比，金錫共晶從單一液相向雙相固相轉變時，焊料中的這兩種相是以金屬間化合物形式存在，共晶固溶體將凝固為δ相AuSn和ζ’相Au5Sn，而鉛錫焊料、金硅焊料固相的共晶體則由金屬元素組成，如：金硅焊料的固溶體在凝固后成為單質金原子與硅原子的集合。因此，金錫合金相圖上共晶點的性質與金、錫原子性質有較大區別：金的熱導率為30W/m℃，錫的熱導率67W/m℃，而Au80Sn20質量分數組合的熱導率僅57W/ m℃，而對于Au80Si20焊料其熱導率達到190W/m℃，這些現象證明了金錫共晶固相焊料的成分是金屬間化合物。

2 金錫焊料制備技術

由于金錫焊料應用廣泛，眾多的沉積手段得到發展，每種手段具備各自的優缺點。本文將討論的沉積技術包含：電子束蒸發金、錫以形成金/錫焊料層結構，電子束蒸發金錫共晶焊料，交替電鍍金/錫層形成金/錫焊料層結構，電鍍金錫共晶焊料等制備方式。總結不同沉積方法所涉及到的物理過程、參數及其應用范圍。

2.1 蒸發金錫焊料

電子束蒸發制備焊料是被蒸發金屬暴露在高真空室的電子束的作用范圍內，金屬蒸汽沉積到基體金屬上。制備金錫焊料分兩種情況：一種是交替蒸發金/錫金屬層，經退火得到金錫焊料；其二是同時蒸發金、錫金屬，前者應用較多，下文將作詳細介紹。

交替蒸發焊料過程：交替沉積金、錫金屬，形成符合一定比例的原子層，然后經退火處理，使金、錫之間相互擴散，最終形成具有較高一致性金錫焊料層。具體結構是：在基底上首先沉積一定厚度的Ti/Pt/Au層，然后沉積Ti/Ni薄層作為焊料隔離層，最后交替沉積Au/Sn作為焊料層。沉積完畢后經過退火處理，據報道：退火溫度一般為200℃-250℃[1]，也有文獻指出280℃退火[2]和350℃退火[3]，這可能源于不同的結構參數和不同的沉積條件導致的不同退火條件。圖2是交替蒸發金錫焊料沉積層結構圖[4]。

圖2 交替蒸發金錫焊料沉積層結構圖

蒸發過程沉積速率的控制是關鍵，沉積速率過快導致沉積顆粒的粗糙度明顯增加，影響焊料的沉積均勻性，沉積速率過慢平整度就不易控制，影響使用。典型金層沉積速率為10nm/s。在沉積過程中，基底旋轉能夠增強焊料層厚度一致性，對于Ф20mm的沉積直徑而言，其厚度誤差將小于1%。此外，由于蒸發過程中金屬粒子行進的方向性弱，因此真空膛內壁上也將會被覆蓋，導致金屬利用率較低。

2.2 電鍍金錫

盡管蒸發、濺射、等離子氣相沉積手段在制備金錫焊料方面有一定的應用，但是其成本高，加工周期長，影響了這種方法的推廣和應用。同時，電鍍金錫焊料由于其便捷性和經濟性研究越來越廣泛。同樣電鍍方法也分成兩個方面：電鍍金錫多層結構和電鍍金錫共晶。

2.2.1 電鍍金錫多層結構

電鍍金/錫多層結構和交替蒸發金錫焊料過程類似，基底將在金電鍍液中和錫電鍍液中進行交替，結束后，鍍件將經過200℃～250℃[1]退火，進而得到可用的金錫焊料層。參見圖2，其中的蒸發層在電鍍過程中是相應的電鍍沉積層。

金錫電鍍方式制備焊料，其基底原本只能選擇為導電金屬，但是由于沉積技術的發展，對基底要求進一步就降低，因此任何基底結構表面只要能夠制成相應的金屬化表層就能夠通過電鍍方法進行電鍍金錫焊料，所以，電鍍制備焊料能夠作為一種普遍方法而加以應用。

但是由于焊料層的總厚度常常不能精確的確定，多層沉積的比例不能完全達到共晶的目的，影響焊接性能。減弱這種影響的辦法是，適當增加鍍層中的錫金屬的含量，由金錫相圖（圖2），焊料組分向富錫方向增加引起的焊料溫度的變化程度要比富金方向的變化緩慢，因此電鍍層中盡量控制組分向富錫方向偏移。

在制備電鍍液時候，注意不能摻雜過多的添加劑，防止有機污染，尤其在錫焊料電鍍中因常常有晶粒控制劑、光亮劑等存在，引起焊料層污染，而破壞焊接可靠性。掛鍍平整度一般能夠達到10%，而噴鍍技術能夠達到5%。電鍍方式制備焊料的優勢在于貴金屬金利用率的提高。

2.2.2 電鍍金錫共晶

電鍍金錫共晶焊料研究表明：金錫形成兩個相，分別是Au5Sn（0.92Au wt.%）和AuSn（0.60Au wt.%），由于這兩個相會因電流隨變化而快速轉化，一般不能得到Au80Sn20共晶沉積相。而通過高低電流的變化，使得上述兩種相交替沉積，進而可以得到一種宏觀上符合共晶比例的相，最后通過退火得到共晶焊料層[5]。

另外的研究表明：在添加一定螯合劑的情況下，也能夠實現金錫共晶沉積。需要注意的是：這種添加劑的用量有嚴格限制。George Hradil教授研究得到并首次實現了金錫共晶電鍍。由于金錫共晶電鍍中的電流密度需要精確控制，鍍液長期穩定性問題仍然不易解決，使得電鍍制備金錫共晶焊料的商業化進程仍然受限。

共晶鍍的優勢在于其避免了多層電鍍過程中由于各焊料層厚度不能精確控制，但電鍍條件控制十分嚴格。據報道[5]：溫度變化1℃，引起組分位移1wt%-2wt%，而1mA/cm2電流密度的漲落將導致組分位移4wt%。此外，金濃度需要控制在±0.15g/L。

近期，中國電子科技集團公司第十三研究所，光電專業部進行了金錫焊料的電鍍工藝研究[6]，分別配制了無氰、微氰兩種金錫共晶鍍液，其中微氰鍍液有效存放時間長達兩年，無氰鍍液存放時間也達到兩個月。該單位制備出的金錫共晶焊料層，其熔化溫度的一致性，鍍層厚度的準確性等達到半導體激光器封裝工藝要求。

2.3 金錫焊膏、焊片

金錫焊膏由微細金粒、錫粒、以及防止錫氧化的助焊劑組成。沒有助焊劑就不能夠得到穩定一致的金錫微粒。這種焊料的主要劣勢在于純度上。

然而通過泡沫震蕩吸附進行處理之后，大大降低了這些物質帶來的干擾影響。

（4） 鐵鹽的用量。泡沫塑料通過Fe3+的作用，能夠大大增進氣吸附能力。以100ng/mL保持Au時，Fe3+用量越大，越能增加Au回收率。加入3.0mL三氯化鐵，能夠進一步增加體系的吸光能力，使其達到最大值。

（5）檢出限。在進行實驗的過程中，同時進行空白實驗12次，對獲得的數據進行有效計算，獲得0.031的標準差，對這標準差進行3倍增加計算檢出限，最后的結果為0.12ng/g。

（6）精密度與回收率實驗。通過8次對所選的A、B兩份樣品進行測試，在此過程中將定量標準物質加入其中，然后對樣品進行測試，分別達到102.4%以及98.8%的回收率，并得到0.07以及0.02的相對標準差。

（7）方法對照實驗。對比分析石墨爐原子吸收法與本次實驗的方法，對比過程中將不同的5份樣品（A、B、C、D、E）予以測定，并進行比較，結果兩組顯著性不強。

（8）ICP-MS法的線性關系。利用塑料瓶對所選的金標準液（濃度為100ng/mL）0.00、0.25、0.50、1.00、2.00、4.00mL進行提取，依照1∶1的比率，將70mL的蒸餾水以及30mL的王水溶液加入其中，對每份樣品進行測定，測定每個樣品液的每秒計數（CPS），得到的金濃度與CPS的線性關系如圖2所示。

圖2 金標準工作曲線

由圖2可以看出，采用ICP-MS法測定金具有非常良好的線性關系。其線性方程為y=4961.5x+203.6，相關系數R＝0.9998，滿足測定需求，提示可將ICP-MS法作為地質樣品中痕量金的分析測試方法。

3 結論

上述實驗更好的確定了該方法的應用效果，值得進行大力推廣。

[1]葉家瑜，江寶林．區域地球化學勘察樣品分析方法[M]．北京：地質出版社，2015，(02)：110-119．

[2]蔣健影，劉佳寶．巖石礦物分析[J]．新疆地質．2016．(05)．