预成型焊料及其应用

作者：吴懿平 博士

引言

传统焊料形式有很多种，常见的有焊丝、焊膏以及预成型焊料等。焊丝（包括含助焊剂的焊丝）是手工焊接的主要焊接材料，烙铁头加热焊盘、管脚与焊丝，焊丝熔化后移去烙铁头，冷却后形成的焊点，其形状随焊盘与引线的不同而处于无规则的状态，且焊点的焊料用量也不尽相同。焊膏通常包含有金属焊料颗粒、溶剂、助焊剂以及少许添加剂，通常采用印刷方式将其批量分配至各个焊盘（主要是需要进行电连接的焊盘），将元器件一一对应至相应的焊盘上，通过回流焊的方式就可以实现多点的批量焊接接头，虽然焊点的用量可以严格控制，但这种印刷焊膏的方式很难实现形状复杂（如有回转形状）、焊接面积较大、需要致密、有空腔、无助剂污染的单一焊点的场合。而预成型焊料则可以完成复杂形状的焊接连接。预成型焊料主要具有以下优点：

*采用预成型焊料工艺，在使用前通过合理的设计预成型焊料的厚度和形状，精确控制焊料的使用量，用最少的焊料量，实现最佳的焊接要求，在保证焊接质量的情况下将焊接成本大幅降低。

*预成型焊料可以在焊料形状设计时，通过厚度和宽度等参数，精确控制分配焊料在焊接的不同位置的焊料量，适应比较特殊的焊接要求。港泉SMT

*通常采用预成型焊料工艺是在保护气氛中进行，在此种条件下，可以免除助焊剂的使用，从而也免除了清洗过程。这在许多应用领域非常有用，因为在比较多的应用情形下，焊接的器件为了防止污染是不允许使用助焊剂的，或者是焊接后，在期内部形成了一个密闭的封装结构，无法对其进行清洗。

*经过合理设计的预成型焊料通常能以最小的成本形成很好的焊接效果，使焊接接头获得很高的电学性能和焊接成品率，所以预成型焊料焊接工艺是高可靠、高导热封装的理想焊接工艺。

金锡合金的性质

金锡合金及其组成相

我们通常是通过相图来了解合金的基本性能的。从图1中可以看出金锡二元合金相图很复杂，其间有多种金属间化合物，分别为：β(Au₁₀Sn)，ζ′(Au₅Sn)，ζ，δ(AuSn)，ε(AuSn₂)，η(AuSn₄)。表1给出了这些中间相的结构和基本性质。这些金锡中间相都是硬脆相，所有成分的金锡合金都是由这些金锡中间相组成。特别地，共晶金锡合金是Au：Sn质量比为80：20的合金，该成分合金制备的焊料业界常称之为AuSn20焊料，熔点为280 ℃。焊接时，液态的共晶金锡合金焊料在280 ℃发生共晶反应（L→ξ+AuSn）而凝固。进一步冷却后，ξ相中的Sn含量不断减少，析出富锡相AuSn，最后在190 ℃发生共析反应ξ+AuSn→Au₅Sn。经过杠杆原理计算得出AuSn相占36.4%（质量百分数），Au₅Sn相占63.6%（质量百分数）。所以AuSn20焊料在常温下的微观组织为AuSn和Au₅Sn的共晶结构。应该指出的是，固态下的金锡合金均没有出现单质的锡或者金，而是以不同的金锡金属间化合物的混合组织出现，因此，原则上讲金锡合金的化学性质与纯金类似，非常稳定，不易被氧化和腐蚀。但是，金与锡形成的金属间化合物（IMC）都是脆相，所以固态下的金锡合金都具有极大的脆性，较难用常规方法加工成型。

金锡合金的性质

金锡共晶合金作为电子焊接材料，其性能非常优异：合适的熔点、优异的漫流性保证其有着良好的焊接工艺性；较好的抗氧化性、良好的润湿性使其可适用于免助焊剂工艺；非常大的强度、很强的抗疲劳性能使其能应用于高可靠封装；较强的抗蠕变、大的热导系数使其能应用于大功率器件的散热封装。表2给出了金锡合金与铅锡共晶合金的性质对比。

表2 共晶金锡合金的性能AuSn20的熔点是280 ℃，推荐的钎焊温度应高于焊料熔点50 ℃左右，也就330 ℃。这个温度比较接近于传统电子制造业广泛应用于芯片焊接的高铅焊料温度。而高铅焊料使用工艺非常的成熟，所以AuSn20这个熔点非常适合作为电子焊接材料。

AuSn20作为共晶合金，有着细小均匀的晶格、很高强度的特征。AuSn20的焊接强度为47.5 MPa，比SnPb37的焊接接头剪切强度26.7 MPa要高出许多。同时AuSn20焊料的高温焊接强度也比较高，因而能够耐受热冲击、热疲劳，能够在高温环境或者温度变化幅度大的环境下使用。