解析金錫合金焊料的優(yōu)勢(shì)以及其特定的用途 （下）

二，金錫合金焊料的具體用途有哪些？

（一）、激光二極管

AuSn合金在光電子學(xué)中激光器封裝有重要的應(yīng)用。未來5年光通信和光子計(jì)算機(jī)的推廣，金錫合金將是重要的封裝材料。

目前，英特爾已將硅基激光器集成到芯片上，從而可以低成本量產(chǎn)。以硅材料產(chǎn)生激光的技術(shù)也能達(dá)到傳統(tǒng)激光95%的性能，可將傳統(tǒng)（激光）器件售價(jià)大大降低，出現(xiàn)了硅光電子學(xué)，采用批量生產(chǎn)的硅制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)光子器件。

激光二極管封裝的金錫合金焊料的應(yīng)用

一種激光管封裝的金錫合金焊盤

ATP公司激光二極管的次級(jí)封裝

銦焊料是大功率半導(dǎo)體激光器封裝最常用的焊料之一。銦焊料在高電流下易產(chǎn)生電遷移與電熱遷移問題，將影響半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)定性。銦焊料封裝的激光器的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于金錫焊料封裝的器件，而且在使用時(shí)器件性能會(huì)出現(xiàn)突然退化的現(xiàn)象。采用無銦化封裝技術(shù)可克服銦焊料層的電遷移。在無銦化焊料的選擇中，金錫焊料由于其封裝器件的性能穩(wěn)定性而成為封裝中的重要焊料。

不同焊料封裝激光器加速壽命測試對(duì)比曲線

銦焊料封裝的激光器不到400小時(shí)輸出功率就出現(xiàn)突然退化的現(xiàn)象；而金錫焊料封裝的器件1500小時(shí)后功率仍然穩(wěn)定輸出。

采用無銦化技術(shù)，用金錫制備的激光器產(chǎn)品具有儲(chǔ)存時(shí)間長、耐高溫、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

（二）、 金錫合金焊料大功率LED中的應(yīng)用

A、芯片封裝

提高大功率LED 的散熱能力是LED 器件封裝和器件應(yīng)用設(shè)計(jì)要解決的核心問題。

芯片襯底粘貼材料通常選用導(dǎo)熱膠、導(dǎo)電型銀漿、錫漿和金錫合金焊料。金錫合金焊料的熱導(dǎo)特性是四種材料中最優(yōu)的， 導(dǎo)電性能也非常優(yōu)越。

由于金錫合金具有熱導(dǎo)率高、熔點(diǎn)較高等特點(diǎn)，因此采用金錫共晶合金（80Au20Sn）作為LED固晶材料，可以大大減少芯片與散熱基座之間的界面熱阻。芯片下平整的金錫合金層只有3μm厚，所以除了共晶固晶機(jī)臺(tái)需要有高位置精度外，基板表面粗糙度（Ra）與高低差（PV）要低。

L 型電極的大功率LED芯片封裝。首先在 SiC 襯底鍍一層金錫合金（一般做芯片的廠家已鍍好），然后在熱沉上也鍍一層金錫合金，將LED 芯片底座上的金屬和熱沉上的金屬溶合在一起，稱為共晶焊接。

高功率芯片與基板材料的連接通過自動(dòng)固晶機(jī)完成，固晶機(jī)臺(tái)設(shè)置為預(yù)熱區(qū)溫度

180℃，固晶區(qū)溫度300℃，壓力70， 時(shí)間 25ms，功率100mW。

以氮化鎵為原料的高亮度LED生產(chǎn)有兩種方法：即金-金熱壓和金錫共熔粘結(jié)。前者粘結(jié)時(shí)的溫度250℃ to 400℃，壓力1至7 MPa，時(shí)間從幾分鐘到幾小時(shí)。低溫時(shí)需增加時(shí)間和壓力。如果時(shí)間和壓力不夠，通常晶圓與晶圓間只有局部的結(jié)合。

錫金共熔法是通過固體與液體的擴(kuò)散而形成金屬間化合的合金達(dá)到粘結(jié)。一個(gè)晶圓涂上一層薄金，而另一晶圓涂了一層厚度達(dá)5微米的金錫。必要時(shí)可涂擴(kuò)散阻隔層。晶圓粘合在氮?dú)浠旌蠚猓?5% N2， 5% H2）中進(jìn)行。這種方法只需低壓和用比熔點(diǎn)稍高的溫度，可在幾分鐘內(nèi)完成粘結(jié)。

B、晶園片粘結(jié)

4英寸鍺晶圓與砷化鎵晶圓通過金錫粘結(jié)后的介面超聲圖像，深藍(lán)色是粘結(jié)完好的區(qū)域。可見整個(gè)介面都很均勻地粘結(jié)在一起。

2英寸格狀藍(lán)寶石晶圓與2英寸硅晶圓通過金錫粘結(jié)的聲像圖。淺灰色的區(qū)域是粘結(jié)好的器件，黑色條紋切割器件的分隔道。

Au-Sn合金在大功率LED 的應(yīng)用包括芯片焊料及凸點(diǎn)

選擇芯片連接凸點(diǎn)的材料時(shí)需要考慮凸點(diǎn)材料的一系列特性，包括可焊性、熔化溫度、楊氏模量、熱膨脹系數(shù)、泊松比、蠕變速率以及抗腐蝕性等，才能保證封裝的可靠性，否則整個(gè)器件就有可能因?yàn)檫^熱或連接處機(jī)械強(qiáng)度不夠而過早失效。

傳統(tǒng)的正裝芯片一般采用植金球凸點(diǎn)或金線鍵合進(jìn)行焊接。單個(gè)芯片動(dòng)輒有著近20個(gè)凸點(diǎn)，而每一個(gè)凸點(diǎn)都需要單獨(dú)植，生產(chǎn)效率低。C-LED技術(shù)可以以晶圓（ wafer ）為單位一次性電鍍所有凸點(diǎn)，并以整個(gè)晶圓為單位進(jìn)行焊接，從而有效地提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。晶片凸點(diǎn)制作是焊料凸點(diǎn)倒裝芯片技術(shù)的核心。

大功率LED 焊接示意圖

Au-Sn合金凸點(diǎn)形成方法---蒸發(fā)法、電鍍法

目前最成熟的晶片凸點(diǎn)制作方法是蒸發(fā)晶片凸點(diǎn)制作工藝，蒸發(fā)工藝需要通過金屬掩膜來定義出金屬的蒸鍍位置與形狀，在蒸發(fā)凸點(diǎn)的同時(shí)有大量金屬被蒸鍍?cè)谘谀ど?，部分金屬穿過掩膜的開口部位在晶圓上形成凸點(diǎn)。這種方法設(shè)備費(fèi)用高，又需要特殊的掩膜，加上金屬的浪費(fèi)，因此總體制作費(fèi)用較高。

第二種最成熟的方法是電鍍，是一種濕法凸點(diǎn)制造工藝。首先在整個(gè)晶片表面濺射金屬，在金屬薄膜上涂覆一定厚度的光刻膠，使用掩膜確定凸點(diǎn)的圖形，然后將晶片作為陰極進(jìn)行凸點(diǎn)的電鍍。電鍍釬料要超過光刻膠一定的高度以便在形成蘑菇型頂部后得到預(yù)定高度的凸點(diǎn)。晶片回流時(shí)熔化的釬料在表面張力的作用下形成球形焊料凸點(diǎn)。球狀凸點(diǎn)可使焊接過程中對(duì)位準(zhǔn)確，在使用過程中電流密度也較均勻。這種方法目前非常流行，因?yàn)樗芤匀我饨M分電鍍焊料。電鍍法制備凸點(diǎn)價(jià)格低廉，設(shè)備簡單，且能節(jié)省原材料。

實(shí)現(xiàn)白光HB-LED照明意義重大。倒裝芯片技術(shù)是實(shí)現(xiàn)白光HB-LED封裝的有效手段，其技術(shù)關(guān)鍵之一在于芯片凸點(diǎn)的制作。

經(jīng)濟(jì)、快捷、有效地制備出具有優(yōu)異性能的80wt%Au-20wt%Sn共晶凸點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)倒裝芯片的關(guān)鍵。

目前金錫凸點(diǎn)的制備多采用分層電鍍Au和Sn的方法來實(shí)現(xiàn)，顯然，直接金錫合金鍍具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。

（三） 、Au-Sn在微電子學(xué)中的應(yīng)用

1. IC及功率半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用

AuSn20合金焊料是熔點(diǎn)在280~360℃內(nèi)唯一可以替代高熔點(diǎn)鉛基合金的焊料。AuGe和AuSi主要用于芯片與電路基材的連接，而AuSn20焊料除用于芯片與電路基材的連接外，還可以廣泛用于多種高可靠電路氣密封裝。

在功率放大器微電子器件制造中，通常采用焊料合金把芯片焊接在管殼上來建立散熱通道。金基焊料比錫基或鉛基焊料有較優(yōu)良的熱導(dǎo)性和較高的熔點(diǎn)。與高鉛焊料相比，金基焊料具有較高的抗熱疲勞性能，因此，金基焊料是性能優(yōu)良的微電子器件封裝用材料。金基焊料價(jià)格昂貴，但是典型的IC僅使用2～3mgAu，其成本幾乎可以被忽略。

2. 低成本的無鉛晶圓凸點(diǎn)技術(shù)

在芯片封裝中，每個(gè)焊盤（Pad）的焊線不多于300，而采用凸點(diǎn)其數(shù)量則可以超過3000。

凸點(diǎn)成形工藝、晶圓片凸點(diǎn)電鍍技術(shù)、凸點(diǎn)下金屬化及可靠性問題和無鉛化材料是微電子封裝發(fā)展方向之一。

凸點(diǎn)（Bump）成形方法

（1）、固態(tài)球形位置

（2）、凸點(diǎn)成形漏印板印刷技術(shù)

隨著細(xì)間距芯片規(guī)模封裝的到來，固態(tài)球形位置法多為漏印板印刷技術(shù)的焊料淀積法替代

（3）、晶圓片凸點(diǎn)形成的電鍍技術(shù)

漏印板印刷技術(shù)的最小間距目前局限在150～200μm范圍。對(duì)超細(xì)間距和高互連密度封裝，電鍍技術(shù)最受歡迎。凸點(diǎn)電鍍技術(shù)的理論間距可小到40μm，凸點(diǎn)高度均勻度在±1μm范圍內(nèi)，而漏印板印刷的凸點(diǎn)高度均勻度在±7μm范圍內(nèi)，使用電鍍技術(shù)可達(dá)到更好的均勻性。由于電鍍技術(shù)的效率高，對(duì)高價(jià)值、大尺寸IC而言，電鍍技術(shù)是低成本技術(shù)。

3. 薄膜集成電路中的應(yīng)用

國外知名公司ATP、ATC、DLI公司均在薄膜電路中大量使用電鍍金錫合金焊盤。

ATP公司氧化鋁基片上制作的凸點(diǎn)，Φ120μm， t 24±6μm。典型值為Φ、t各為25.4μm。

ATP公司在氮化鋁基片上預(yù)沉著圖形化（Au/Sn）合金

4. 可焊性AlN、BEO支撐片（Submount、Standoff）及熱沉片（Sink）

5. 金屬化微波介質(zhì)基片上預(yù)沉著圖形化 （Au/Sn）合金，厚度100-350μm

我公司微波陶瓷介質(zhì)基片的介電常數(shù)K值范圍6.8~180，低頻1MHz陶瓷介質(zhì)基片的介電常數(shù)K值范圍20~900，，低頻1KHz陶瓷介質(zhì)基片的介電常數(shù)K值范圍2000~30000。

綜上可知，金錫合金電鍍法形成的Au80/Sn20焊料在微電子學(xué)、光電子學(xué)、半導(dǎo)體發(fā)光和MEMS等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，這一技術(shù)目前即將在部分電子廠家投入使用，金瑞欣特種電路多年陶瓷基板加工制作經(jīng)驗(yàn)，在陶瓷基板制作采用金錫合金焊料，可以實(shí)現(xiàn)陶瓷基電路板具備更好的焊性，無需助焊劑就可以實(shí)現(xiàn)有效的焊接，大大節(jié)省時(shí)間；具備高強(qiáng)度的氣密性能。金瑞欣累積了熟練制作技術(shù)和精湛工藝，主營氧化鋁陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板，是專業(yè)的陶瓷基板生產(chǎn)廠家，期待給客戶制作更多高品質(zhì)的產(chǎn)品，為推進(jìn)電子領(lǐng)域和技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量！

編輯：jq