AuSn合金在电子封装中的应用及研究进展

AuSn合金焊料因其具有优良的抗腐蚀、抗疲劳特性和高强度、高可靠性等优点而在气密性封装、射频和微波封装、发光二极管(LED)、倒装芯片(Flip-chip)、激光二极管(LD)、芯片尺寸封装(CSP)等方面得到广泛的应用。从电子封装无铅化和合金焊料的可靠性等方面,对AuSn合金焊料的物相结构和材料性能进行了讨论,并对AuSn合金焊料在电子封装中的应用及其研究进展进行了总结和展望。

AuSn钎料及镀层界面金属间化合物的演变

对激光软钎焊下AuSn钎料与Au和Au/Ni金属化镀层界面形成的金属间化合物进行SEM及EDX分析,并讨论激光输入能量对界面金属间化合物演变规律的影响。研究结果表明:在激光加热及快速冷却条件下,Au迅速溶解到界面附近的钎料中,使得成分偏离共晶点,界面处生成稳定的Au5Sn;随着激光功率及加热时间的增加,未完全溶解的Au层变薄,Au5Sn向钎料内部长大。

AuSn焊料组分对半导体激光器件性能的影响

为了提高半导体激光器件的可靠性,研究了AlN过渡热沉上AuSn焊料不同配比对半导体激光器器件性能的影响。利用MOCVD生长975nm芯片,通过对半导体激光器器件表面形貌、空洞、光谱特性、热阻特性以及寿命测试,Au组分比重低于72%的AlN过渡热沉封装器件表面颜色明显不同于组分相对较高的,空洞较多,平均波长红移约5nm,在寿命试验中过早失效,最终得出AuSn焊料中Au组分比重最好大于72%,小于80%,才能保证封装器件焊接质量,为实际生产和使用提供了指导意义。

烧结温度对AuSn焊料薄膜及封装激光器性能的影响

采用不同温度对Au80Sn20共晶合金焊料进行烧结实验,研究了Au Sn焊料薄膜在烧结后的形貌、物相组成以及对封装激光器的性能影响等。焊料在烧结后形成ζ相Au5Sn和δ相Au Sn两种金属间化合物,随着烧结温度的上升,两相晶粒均明显长大,而ζ相Au5Sn趋向于形成枝晶。较低温度下烧结的焊料表面粗糙度较高,不利于激光器管芯的贴装。高温过烧焊料薄膜的导电导热性能有少许提升,对封装激光器管芯的功率没有明显影响,但焊料薄膜中残余应力较高,使激射波长有所蓝移。该结果将为Au Sn焊料的烧结参数优化和硬焊料封装激光器的性能分析提供参考和指导。

AuSn焊料预热温度对高功率半导体激光器封装质量影响的研究

为提高高功率半导体激光器封装质量,对AuSn焊料预热温度进行研究。通过分析AuSn焊料共晶原理,建立四组不同预热温度的AuSn焊料封装试验。通过对比不同预热温度下封装器件的光电参数,光谱特性及SEM检测效果,对实验结果进行分析。实验结果表明AuSn焊料的预热温度对高功率半导体激光器封装质量有重要影响,并得出AuSn焊料预热温度在235℃时高功率半导体激光器的封装质量最为理想。

半导体AuSn焊料低温真空封装工艺研究

介绍了半导体金锡(AuSn)焊料焊接封装的影响因素:焊接气氛、镀金层、焊料,在低温真空焊接封装的基础上,重点探讨了AuSn焊料真空钎焊封装的影响因素、AuSn焊料本身的组分比及其浸润性等对焊接封装的影响、AuSn焊料真空焊接封装炉温曲线设置及焊接温度和时间的正交实验、AuSn焊料真空焊接封装中真空度的影响因素、真空度对焊接质量的影响、AuSn焊料真空焊接封装中还原气体的作用及有无通入还原气体的焊接封装对比实验等,并通过真空、炉温和还原气体等方面所作的相应工艺实验,对相关工艺技术问题进行了深入研究。基于大量的AuSn焊料真空焊接封装实验及理论分析,给出了最优化工艺条件解决方案。

退火工艺对Au-20Sn钎料组织的影响

采用叠轧-合金化法制备Au-20Sn钎料,研究合金化退火工艺对Au-20Sn钎料显微组织的影响。结果表明:Au/Sn界面在叠轧过程中形成AuSn4,AuSn2和AuSn三个金属间化合物(IMC)层。在200℃退火时,IMC层的厚度随退火时间的延长而逐渐增大。当退火时间延长至48 h时,IMC层发生转变,Au-20Sn钎料最终形成由ζ相(含Sn 10%～18.5%,原子分数)和δ(AuSn)相组成的均质合金。在250℃退火时,Au/Sn界面扩散速度增大,退火6 h后Au-20Sn钎料组织完全转变成ζ相+δ(AuSn)相。在270℃退火时,IMC层熔化,反应界面转变成为固-液界面,Au-20Sn钎料组织转变为脆性的(ζ'+δ)共晶组织。综合Au-20Sn钎料的性能和生产要求,得到优先退火工艺为250℃退火6 h。

金锡合金自动共晶焊接工艺参数优化研究

为了更好地控制共晶焊接空洞率和剪切力,提出了一种采用正交试验法优化自动共晶焊接参数的方法。对焊接温度、焊接时间、焊接压力三个关键参数采用正交法进行三因子两水平极差分析,得到了影响芯片金锡共晶焊接质量的主次因子及共晶焊接参数的最优组合。试验结果证明,使用优化的工艺参数,芯片焊接质量得到明显提升,共晶焊接区空洞率均值及芯片剪切力Cpk值均完全满足GJB548B的要求。

机械合金化法制备金锡合金

采用高能球磨机械合金化法制备了Au-20%Sn合金,分析了合金物相、组织和硬度随球磨时间的变化规律,探讨了合金塑性与合金组织及制备工艺的关系。结果表明:采用高能球磨机械合金化法可以制备Au-20%Sn合金;随球磨时间的增加,Au-20%Sn的合金化程度增加,组织中的金属间化合物逐渐增多,最终基本上为δ相和ζ′相;合金的硬度随球磨时间的延长逐渐升高,并在球磨60min后获得最高硬度104.2HV,然后开始下降;球磨后的合金粉末在190℃×2h的烧结过程中发生了不同程度的再结晶和晶粒长大,再结晶程度随球磨时间的延长而增加,导致烧结后合金硬度在球磨时间超过60min后反而下降。

采用金锡合金的气密性封装工艺研究

根据功率器件的气密性封装要求,设计了完整的金锡封焊工艺方法和流程,研究了工艺中的技术难点,提出了确保封装工艺稳定性和可靠性的技术要点。实验选用Au80Sn20预成型焊环作为封接材料对器件进行气密性封装。通过大量试验得出了最佳工艺曲线(包括温度、时间、气氛和压力等)。密封后的产品在经受各项环境试验和机械试验后,其结构完整性、电学特性、机械牢固性和封装气密性均能很好地满足要求,证明了采用倒置型装配的金锡封焊工艺的可行性及优越性。

Au-Sn焊点异质界面的耦合反应及其对力学性能的影响

为了探讨Au-Sn异质焊点耦合界面反应对界面IMC层生长行为及焊点力学性能的影响,采用回流焊技术制备Ni/AuSn/Ni和Cu/AuSn/Ni三明治结构焊点,通过扫描电子显微镜(SEM)与能谱分析(EDS)研究焊点在钎焊与老化退火中的组织演变。研究结果表明:在钎焊中Ni-Ni焊点的Au Sn/Ni界面形成(Ni,Au)_3Sn_2金属间化合物(IMC)层,而Cu-Ni焊点的AuSn/Ni界面形成(Ni,Au,Cu)_3Sn_2四元IMC层,表明钎焊过程中上界面的Cu原子穿过Au Sn焊料到达Ni界面参与耦合反应。在老化退火中,界面IMC层的厚度l随退火时间t延长而逐渐增大,其生长规律符合扩散控制机制的关系式:l=k(t/t_0)~n。在160℃和200℃退火时,(Ni,Au)_3Sn_2层的生长以晶界扩散和体积扩散为主。由于Cu原子的耦合作用,(Ni,Au,Cu)_3Sn_2层的生长以反应扩散为主。Cu-Ni异质界面焊点中,Cu的耦合作用抑制了Au Sn/Ni界面(Ni,Au,Cu)_3Sn_2IMC层的生长,减缓了焊点剪切强度的下降速度,有利于提高焊点的可靠性。

光纤定位激光钎焊键合过程中钎料与镀层的界面反应

光电子封装中,光导纤维的定位键合是一项关键技术,并且焊点界面处的显微组织对于焊点的可靠性有重要影响.本文选用80Au20Sn和52In48Sn钎料实现了激光钎焊条件下的光纤键合,采用扫描电子显微镜及能谱分析的方法对于两种钎料分别与硅片上的Au/Ti镀层和光纤上的Au/Ni镀层反应形成的界面微观组织形态及形成规律进行了分析.结果表明:对于80Au20Sn钎料,除了共晶组织ζ相+δ相,在AuSn/Au/Ti镀层界面形成了大量枝状的先共晶ζ相,在AuSn/Au/Ni镀层界面形成了针状的(Au,Ni)3Sn2;对于52In48Sn钎料,在InSn/Au/Ti镀层界面形成了连续层状的Au(In,Sn)2,随着输入能量的增加,其逐渐转变为不连续的块状化合物AuIn2,在熔融钎料流的作用下部分AuIn2脱离界面进入钎料中,在InSn/Au/Ni镀层界面形成了一层极薄的Au(In,Sn)2.

功率器件镀金管壳发黑现象分析

针对一种高功率器件在使用过程中镀金管壳底部发黑的问题,采用光学检查、扫描电镜、能谱分析以及XRD分析等手段对底部发黑区域的形貌、组成以及物质等进行分析和讨论。试验结果表明,功率器件装焊过程中流入的助焊剂导致底部发黑,黑色区域主要包括AuSn、Au、Sn以及CHO类物质,在温度和助焊剂的作用下,Sn通过晶界扩散的方式向管壳底部的Au中快速扩散,形成了AuSn金属间化合物。增加功率器件搪锡后及安装前清洗工序以及优化焊接后的清洗要求,可有效避免发黑现象的出现。

双辊甩带制备Au-20%Sn焊料及其均匀化退火工艺

采用双辊甩带技术制备Au-20%Sn焊料薄带材,观察和分析快速凝固Au-20%Sn焊料薄带的显微组织以及熔融特性,并研究合金的均匀化退火工艺。研究结果表明:双辊甩带合金由ζ′(An5Sn)和δ(Au Sn)两相组成,显微组织细小。合金的熔化温度接近共晶点,满足焊料的熔点要求。均匀化退火过程中,δ(Au Sn)相逐渐长大,合金的硬度降低。根据薄带的组织和硬度,确定均匀化退火工艺为260℃下退火4 h。

管式炉中半导体激光器巴条Au80Sn20焊料封装研究

为了提高半导体激光器的封装质量和效率,引入管式炉利用夹具进行批量封装。由于封装质量的好坏直接影响半导体激光器的输出特性和使用寿命,利用MOCVD生长808 nm芯片,重点分析了管式炉温度和封装时间对半导体激光器巴条双面金锡封装质量的影响。利用X射线检测、结电压、光电特性参数和smile效应测试手段,确定了管式炉封装半导体激光器巴条的最优封装条件,为以后的产业化提供了指导意义。

红外探测器高精度低温钎焊引线环设计

针对制冷型红外探测器引线环高精度定位的需求,本文设计了一种低温钎焊引线环,研究了引线环的制备工艺。选取具有高强度、低熔点的金锡钎料,在350℃以下焊接引线环的金属件与陶瓷件。通过研究钎焊温度和保温时间对焊缝质量与漏率的影响,成功制备了具有高气密性的高精度引线环。

真空炉金锡封焊

文章在介绍半导体金锡焊料封装工艺的基础上,重点对金锡焊料、炉温曲线设置等工艺技术问题进行了深入研究。基于大量的金锡焊料真空焊接封装实验及理论分析,研究了器件气密封装技术。讨论了封焊夹具、管帽镀层、合金状态、封接面表面、压块、焊料厚度以及加热程序对焊接质量的影响。密封后的产品在经过环境试验和机械试验考核后,封装气密性能很好地满足要求。并且结合应用背景证明了所采用的合金及封装工艺的可行性。

金锡焊料及其在电子器件封装领域中的应用

本文介绍了Au80%Sn20%焊料的基本物理性能。同时介绍了这种焊料在微电子、光电子封装中的应用。

小尺寸器件气密性封装工艺的水汽控制

随着对产品可靠性要求和检测技术的提高,对小尺寸器件的水汽控制提出了明确要求。本文分析了水汽偏高的原因,提出了小尺寸器件水汽控制的技术要点,设计了金锡合金封装工艺方法。选用金锡合金预成型焊环作为封装材料,通过大量试验摸索出一种较佳的封装工艺控制程序,有效解决了小尺寸器件的水汽控制问题,保证了产品的电性能和可靠性。

AuSn钎料及AuSn/Ni焊点的组织性能研究

分别采用叠轧-合金化法和回流焊技术制备AuSn箔材钎料和AuSn/Ni焊点,用扫描电子显微镜及电子万能试验机研究钎焊时间对AuSn/Ni界面组织及焊点剪切性能的影响。结果表明:采用叠轧-合金化法制备的AuSn钎料的熔点和化学成分都接近Au-20Sn共晶钎料。Ni/AuSn/Ni焊点在330℃钎焊30s时形成良好的层状ζ-(Au,Ni)5Sn+δ-(Au,Ni)Sn共晶组织;钎焊60s时,AuSn/Ni界面产生薄而平直的(Ni,Au)3Sn2金属间化合物(IMC)层和针状(Ni,Au)3Sn2化合物;随着钎焊时间继续延长,(Ni,Au)3Sn2IMC层厚度明显增加,针状(Ni,Au)3Sn2化合物异常长大。同时,随着钎焊时间延长Ni/AuSn/Ni钎焊接头的剪切强度先增加后减小,钎焊90s时的剪切强度达到最高12.49MPa。