金錫共晶

1. 大功率器件的高導熱封裝。

大功率器件和高頻微波器件的推廣應(yīng)用中，散熱問題愈發(fā)明顯。其中，大功率LED的散熱直接體現(xiàn)為芯片的光衰和電池隱患。物聯(lián)網(wǎng)的推廣要求高頻微波的功率提高，直接帶來發(fā)射基站功率負載劇增，導致發(fā)熱嚴重。電動汽車的大功率導熱基板配套無法滿足要求。金錫共晶焊料的研發(fā)和生產(chǎn)直接關(guān)系到散熱問題的解決。

2. 微型光電器件的高可靠封裝。

電子設(shè)備逐漸小型化，尤其是微型傳感器，MEMS器件和微型激光器的使用，都要求在微型基板表面微區(qū)進行無助焊劑的焊墊加工。加之，高精密高可靠性的要求，對封裝材料和封裝工藝提出

更為苛刻的要求。可見，只有金含量占有80wt%的AuSn20共晶可以滿足這一要求。傳統(tǒng)的金錫合金焊墊采用的是預成型片，其加工工藝是采用物理粉末冶金的方法制備而成的。這種預成型片雖然適合于元器件的氣密性封裝，但是無法在微電子的微區(qū)進行加工。

釬焊溫度適中

釬焊溫度僅比它的熔點高出20～30℃(即約300～310)。在釬焊過程中，基于合金的共晶成分，很小的過熱度就可以使合金熔化并浸潤；另外，合金的凝固過程進行得也很快。因此，金錫合金的使用能夠大大縮短整個釬焊過程周期。金錫合金的釬焊溫度范圍適用于對穩(wěn)定性要求很高的元器件組裝。同時，這些元器件也能夠承受隨后在相對低一些的溫度利用無鉛焊料的組裝。這些焊料的組裝溫度大約在260℃。

高強度

金錫合金的屈服強度很高。即使在250～260℃的溫度下，它的強度也能夠勝任氣密性的要求。

無需助焊劑

合金成份中金占了很大的比重(80%)，材料表面的氧化程度較低。如果在釬焊過程中采用真空，或還原性氣體如氮氣和氫氣的混合氣，就不必使用化學助焊劑。

低粘滯性

液態(tài)的金錫合金具有很低的粘滯性，從而可以填充一些很大的空隙。

浸潤性良好

具有良好的且對鍍金層無鉛錫焊料的浸蝕現(xiàn)象，

金錫合金與鍍金層的成分接近，因而通過擴散對很薄鍍層的浸溶程度很低，也沒有銀那樣的遷徙現(xiàn)象。

另外，Au80%Sn20%焊料還具有高耐腐蝕性、高抗蠕變性及良好的導熱和導電性。

美國的Indium公司和加拿大Micralyne公司可以提供此種電鍍液的商品和加工服務(wù)，但國內(nèi)尚無加工代理和鍍液提供。國內(nèi)對AuSn20的電鍍加工研究多年，但是進展緩慢，無法投入工業(yè)應(yīng)用?？梢娭苽浣疱a共晶焊料對國家微電子、光電領(lǐng)域科技發(fā)展和國防建設(shè)都有重要意義。

國內(nèi)目前采用的AuSn20共晶焊墊多數(shù)采用預成型片。這種預成型片，是采用鑄造拉撥軋制法和疊層冷軋復合法制得。鑄造拉撥軋制法需要添加第三組元Pd或Pt，影響了金錫合金的純度，焊接性能也會受到影響。而疊層冷軋復合法難以控制金與錫的反應(yīng)量，未合金化的金或錫都會對焊料產(chǎn)生不良影響。在微電子學、光電子學和MEMS中應(yīng)用的焊盤一般只需要3-5μm，而Au、Sn多層冷軋制造AuSn20合金箔帶材厚度為0.025～0.10毫米。使用的預成型片最薄厚度為25μm，且得到的合金較脆，無法進行微加工，更無法滿足圖形復雜、精確定位和圓片級凸點的要求。

國內(nèi)有研究所在進行濺射法和熱蒸發(fā)法相關(guān)的研究，但這種方法制備的膜層最厚只能到數(shù)千埃，難以進一步做厚，而且投資成本大，貴金屬材料浪費嚴重。國內(nèi)外也有課題組進行電沉積AuSn20共晶的研究開發(fā)，其中加拿大的Ivey教授課題組、中山大學崔國峰教授、大連理工大學的黃明亮教授和哈爾濱工業(yè)大學的王春青教授課題組的研究最具有特色。國內(nèi)能夠工業(yè)化生產(chǎn)金錫共晶的企業(yè)很少，據(jù)悉惠州力道電子能夠按照客戶要求提供穩(wěn)定產(chǎn)品。

1. Guofeng Cui*, Ning Li, Deyu Li, Minglei Chi. Study of Optimized Complexing Agent for Low-Phosphorus Electroless Nickel Plating Bath. Journal of The Electrochemical Society. 2005, 152(10): C669-C674.

2. Guofeng Cui*, Ning Li, Jianwei Zhao, Mingbo Zhang. Ab initio MO Study on the Reaction Mechanism of Reduction of Hypophosphorous Acid. Journal of The Electrochemical Society. 2005, 152(12): C861-C864.

3. Guofeng Cui*, Jinghe Wang, Ning Li, Xingqiao Huang. A Single Precursor Pit for Pitting Corrosion on Defect of Tinplate Alloy Layer Visualized by Atomic Force Microscopy. Materials Chemistry & Physics. 2005, 97(1): 488-493.

4. Guofeng Cui*, Ning Li, Deyu Li, Jian Zheng, Qinglong Wu. The Physical and Electrochemical Properties of Electroless Deposited Black Nickel–Phosphorus Alloys. Surface and Coatings Technology. 2006, 200(24): 6808-6814.

5. Jie Zhao, Ning Li, Guofeng Cui*, Jian Weizhao. Study on Immersion Tin Process by Electrochemical Methods and Molecular Orbital Theory. Journal of The Electrochemical Society. 2006, 153(12): C848-C853.

6. Jie Zhao, Ning Li, Shan Gao, Guofeng Cui. The Irreversible Characteristic Analysis of Thiourea on Copper Electrodes in Aqueous 0.5 mol/L Sulphuric Acid. Electrochemistry Communications. 2007, 9(9): 2261-2265.

7. Gang Wu, Raja Swaidan, Guofeng Cui. Electrooxidations of ethanol, acetaldehyde and acetic acid using PtRuSn/C catalysts prepared by modified alcohol-reduction process. Journal of Power Sources . 2007, 172(1): 180-188.

8. Guofeng Cui*, Hong Liu, Gang Wu, Jianwei Zhao, Shuqing Song, Peikang Shen. Electrochemical Impedance Spectroscopy and First-Principle Investigations on the Oxidation Mechanism of Hypophosphite Anion in the Electroless Deposition System of Nickel. The Journal of Physical Chemistry C. 2008, 112(12): 4601-4607.

9.吳懿平. 金錫合金焊料的性能. 環(huán)球SMT與封裝. 2008. 7-8. 8-10.周濤, 湯姆·鮑勃, 馬丁·奧德, 賈松良. 金錫焊料及其在電子器件封裝領(lǐng)域中的應(yīng)用. 電子與封裝. 2005. 5(8). 5-8.

10. W. Sun, D.G. Ivey. Microstructural Study of Co-electroplated Au/Sn Alloys. J. Electron. Mater.2001. 36(3). 757-766.

11.B. Djurfors, D.G. Ivey. Pulsed Electrodeposition of the Eutectic Au/Sn Solder for Optoelectronic Packaging. J. Electron. Mater.2001. 30(9). 1249-1254

12. 張福順, 黃明亮, 潘劍靈, 王來. 無氰金-錫合金電鍍液的成分優(yōu)化及電流密度確定. 機械工程材料.

2010. 34(11). 50-54.

13. 卿相勇, 黃明亮(指導教師). 無氰共沉積電鍍Au-Sn凸點的研究. 大連:大連理工大學碩士論文. 2010.6.

14.劉欣, 胡立雪, 羅馳. 電化學制備金錫合金薄膜技術(shù)研究. 微電子學. 2010. 40(3). 430-433.

15. 張靜, 徐會武, 李學顏, 蘇明敏, 陳國鷹. 電鍍Au-Sn合金的研究. 半導體技術(shù).2009. 34(11). 1066-1069.

電沉積AuSn20共晶凸點熔點溫度<300℃（即可以在320℃時，回流焊接）；

AuSn20共晶焊盤厚度在1μm到20μm可準確控制；

焊盤圖形定最小尺寸達到0101，即0.254mm×0.254mm,定位精度不超過±20微米。

隨著電-光之間相互轉(zhuǎn)化器件的大規(guī)模推廣，尤其是基于電致發(fā)光的大功率LED和高功率激光器，以及基于光通信原理的Intel光腦技術(shù)，都要求光電子封裝材料和工藝進行變革。兩方面的特殊要求使得AuSn20成為光電子封裝關(guān)注的焦點。首先，針對大功率光電器件的高導熱需要，AuSn20共晶的熱導率是57w/m·K，熱導率為焊料中最高。其次，可靠性和微區(qū)加工的需要，AuSn20 共晶中金含量80wt%,共晶點為280℃，無疑它的可靠性極佳。這些特性使得它在大功率LED，電動汽車和激光器等微電子領(lǐng)域，以及光通信和光電器件的戰(zhàn)略領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

據(jù)悉，惠州某公司通過多年潛心研發(fā)，采用環(huán)保型無氰的檸檬酸金（Au(I)）和硫酸亞錫（Sn(II)）聯(lián)合，在特殊絡(luò)合劑的作用下，實現(xiàn)在陶瓷基板的指定封裝微區(qū)上沉積AuSn20共晶，而且共晶厚度可以通過電沉積時間控制，同時，共晶的Au和Sn含量可通過電流密度進行調(diào)節(jié)，這樣就可以調(diào)整合金的熔點。從而滿足高精密度，高可靠性封裝材料和工藝的要求。實現(xiàn)了電沉積金錫共晶批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性，領(lǐng)先業(yè)內(nèi)競爭者，達到國內(nèi)領(lǐng)先水平，接近國際先進生產(chǎn)企業(yè)標準。

1. 指定位置：光刻膠掩膜金層，暴露位置電鍍

2. 指定含量：控制電流密度和鍍液組成來實現(xiàn)。

3. 指定厚度：沉積時間控制厚度。

4. 環(huán)保無氰

共晶焊錫由錫63%和鉛37%組成的焊錫被稱為共晶焊錫，這種焊錫的熔點是183度。

由錫63%和鉛37%組成的焊錫被稱為共晶焊錫，這種焊錫的熔點是183度。當錫的含量高于63%,溶化溫度升高,強度降低.當錫的含量少于10%時,焊接強度差,接頭發(fā)脆,焊料潤滑能力變差.最理想的是共晶焊錫.在共晶溫度下,焊錫由固體直接變成液體,無需經(jīng)過半液體狀態(tài).共晶焊錫的熔化溫度比非共晶焊錫的低,這樣就減少了被焊接的元件受損壞的機會.同時由于共晶焊錫由液體直接變成固體,也減少了虛焊現(xiàn)象.所以共晶焊錫應(yīng)用得非常的廣泛.2100433B

穩(wěn)定系和介穩(wěn)定系亞共晶鑄鐵的凝固過程可用圖2表示。凝固初期初生奧氏體都首先從熔體中析出，溫度降到共晶溫度以下時，穩(wěn)定系共晶體為石墨/奧氏體介穩(wěn)定系共晶體為碳化物/奧氏體，至共晶溫度以下前者轉(zhuǎn)變?yōu)槭?珠光體(或鐵素體)，后者轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體 珠光體。

奧氏體是亞共晶鑄鐵的初生相，普通灰口鑄鐵的奧氏體只在共析轉(zhuǎn)變溫度以上存在，室溫下看到的鐵素體和珠光體都是奧氏體的固態(tài)相變產(chǎn)物。

當亞共晶鐵水冷卻到液相線以下時即變成過飽和溶液，奧氏體開始從熔體中析出，隨著溫度下降，和奧氏體平衡的鐵水含碳量沿液相線變化，碳濃度隨溫度下降而上升，與此同時已結(jié)晶的奧氏體含碳量沿固相線變化，隨溫度下降也上升，至共晶平衡溫度時，奧氏體最大溶解度為2.11%的碳，鐵水含碳量為4.26%。在凝固過程申L/γ界面上不斷發(fā)生鐵、碳原子的遷移，碳原子從奧氏體一側(cè)向熔體方向擴散，鐵原子則從熔體一側(cè)向奧氏體方向擴散，鐵、碳原子作相反方向的擴散運動。熔體中的其它元素也在凝固過程中發(fā)生擴散運動，例如Si、Ni、Al、Cu、Co等元素傾向于向奧氏體枝干上富集，稱為反偏析元素，而C、Mn、Cr、W、Mo、V、P則傾向于在奧氏體的結(jié)晶前沿和共晶團的邊界上富集，稱為正偏析元素。雜質(zhì)元素的這種偏析導致成分過冷是奧氏體發(fā)生分枝(見圖1所示)的主要原因。在初生奧氏體生長過程中Bi、Pb、Sn等微量元素的顯微偏析格外引入注目，它們在凝固后期剩余約10%的熔體中的濃度甚至比平均值高幾倍。起初奧氏體枝晶間偏析為共晶體生長創(chuàng)造有利條件，但在凝固后期微量元素的偏析可能足以改變石墨形態(tài)或?qū)е滦纬删чg碳化物。