金锡合金预成型焊片的制备

    AuSn合金具有优异的抗劳疲性能、耐腐蚀性能、高热导率和免助焊剂等优点,是目前低温钎料中唯可以替代高熔点铅基合金的无铅钎料,被广泛应用于微电子和光电子器件的陶瓷封盖封装、金属与陶瓷封盖间的绝缘子焊接、芯片贴砖以及大功率激光器半导体芯片的焊接。目前已经投入应用的AuSn合金钎料制备技术,如叠层扩散法、熔铸增韧法等方法存在着合金化不充分,工艺周期长等不足。此外,对于AuSn合金在焊接中与基板间的界面反应研究较少,无法为焊接工艺的优化提供可靠的理论参考。本研究在熔铸拉拔法工艺的基础上,改进熔铸工艺及压延工艺参数,利用真空熔铸工艺制备出的金锡合金预成型焊片。调整原料中Au元素比例与浇铸温度,研究合金铸锭显微***的变化,以及对合金成分、导电率及熔点的影响;采用不同的压延温度与单道次变形量制备金锡箔带,分析研究压延参数对箔带表面质量及铺展系数等性能的影响;使用扩散焊接技术,制备AuSn/Cu焊点,研究钎料焊接性能,及焊接参数对焊点可靠性的影响,研究焊接温度及保温时间AuSn/Cu之间界面反应速率的影响。

金锡预成型焊片界面反应

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   浇铸温度为400℃,原料中金锡质量比为79:21时真空熔铸、冷模浇铸可以得到具有细小岛屿状***的金锡合金铸锭。合金中主要存在ζ-Au_5Sn相与σ-AuSn相,两相比例与共晶成分接近。压延温度为140℃,单道次变形量为16%时,金锡箔带表面平整性好,无裂纹产生。AuSn/Cu界面反应实验表明,界面反应中金属间化合物(IMC)的厚度随着焊接温度与保温时间的增加而逐渐增大,IMC层由平直的层状结构向不规则的胞状结构转变。焊点的剪切强度随着IMC层的增厚而变化,在焊接温度为310℃、保温1h时,焊点剪切强度较高。在焊接温度为290℃/310℃,保温时间为0.5h/1h时,焊点剪切断口的断裂方式为韧性断裂,断裂位置位于IMC层与基板界面之间;焊接温度与保温时间继续增加时,断裂方式由韧性断裂向解理断裂转变,断裂发生在IMC层内部。

金锡焊片的优势一

Au-Sn焊料的优点

5. 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。在大多数情形下无流动性。

6. Au80％Sn20％焊料具有高耐腐蚀性、高抗蠕变性及良好的导热和导电性，热传导系数达57 W/m·K。

7. 无铅化。

8. 与低熔化焊料形成温度阶梯。

（备注：金锡合金焊料在我国中已获得应用，并有国军标 6468-2008“金锡焊接钎料规范”。）

金锡合金（Au-Sn）焊料的不足之处：

Au80%Sn20%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。此外，由于熔点较高，不能与低熔点焊料同时焊接。只能被应用在芯片能够经受住短暂高于300℃的场合。

金锡合金的熔点在共晶温度附近对成分非常敏感，从相图可见，当金的重量比大于80％时，随着金的增加，熔点急剧提高。而被焊件往往都有镀金层，在焊接过程中镀金层的金扩散进焊料。在过厚的镀金层、过薄的焊盘、过长的焊接时间下，会使扩散进焊料的金增加，而使熔点上升 。