添加合金元素改善Au-Ge钎料组织及性能的研究进展

现如今电子行业纷纷开展了无铅钎料的研究工作,但是对用于高温环境下的无铅钎料的研究十分有限。对于熔化温度在280~400℃范围内的无铅钎料,Au-Sn、Au-Ge、Au-Si等金基钎料已逐步代替传统的高铅钎料,被广泛应用于微电子的耐高温封装领域。其中,Au-Ge合金具有良好的导电性、导热性、耐腐蚀性和高抗拉强度等优点,其耐高温性能明显优于Au-Sn、Au-Si钎料,尤其适用于高温环境。然而,Au-Ge钎料固有的缺点严重影响了其生产应用:一方面,由于Ge元素的存在,Au-Ge合金脆性较大,导致其难以加工成型,产品性能差、成品率低,严重影响了该钎料的推广使用。另一方面,Au-Ge钎料中Au含量较高,使得其成本高昂。因此,除了寻找最佳的Au-Ge钎料的加工方法外,研究者们也纷纷向Au-Ge钎料中加入适当的合金元素进行改性,开发出多种金锗基多元合金体系。对于Au-Ge合金很脆,难以加工成型的问题,研究人员发现水平连铸的方法可以省去加工过程,直接连铸出所需的直径,降低损耗,保证钎料质量。研究者们除了研究Au-Ge二元合金外,还纷纷开展了Au-Ge-X三元合金体系的研究。研究表明,一些低熔点的元素,如Sn、Sb、In等,可以有效降低钎料的熔点。与Au-12Ge合金相比,Sn、Sb元素的加入不仅可以降低钎料合金熔化温度,保持良好的润湿性能,还可抑制界面层的过度生长,从而避免对电性能和力学性能带来的不利影响。其中,添加适量的Sn元素还可以抑制Ge相的长大粗化,提高其高温性能。添加适量的Sb元素能改善Au-Ge钎料的延展性能。Au-Ge-Ni合金可以和GaAs材料形成欧姆连接,提高钎料的电阻率,在钎缝和母材之间形成“等电阻率”过渡,提高钎焊接头强度。但是,在Au-12Ge合金中加入过量的Ni元素会形成粗大的GeNi化合物,该化合物集聚后颗粒变大且分布不均匀,严重降低钎焊接头的强度。在Au-Ge钎料中加入In、Sb元素还可起到细化晶粒的作用。目前,对Au-Ge系三元合金的研究十分有限,在润湿性能、力学性能、焊点可靠性等方面需做进一步的研究。本文介绍了Au-Ge基钎料的研究现状,重点分析了Sn、Ni、In、Sb元素对Au-Ge钎料组织及性能的影响。此外,本文分析总结了Au-Ge基钎料在生产使用中存在的问题以及主要的解决方法,展望了该钎料的未来研究方向,以期为Au-Ge基钎料在高温封装领域的应用提供理论指导。