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电工材料2010No.3
孙晓亮等:AuSn20焊料制备技术及发展趋势
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AuSn20焊料制备技术及发展趋势
孙晓亮,马
光,李银娥,刘啸锋
(西北有色金属研究院,西安710016)
摘要:随着电子产品小型化、无铅化的发展,对焊接材料提出了更高的要求。无铅焊料AuSn20由于具有优良的性能,在高可靠性气密封装和芯片焊接中被广泛应用。本文介绍了AuSn20焊料的性能和制备方法,指出了传统的铸造拉拔轧制法、叠层冷轧复合法及电镀沉积法的不足,提出了研究及制备AuSn20合金焊料的技术改进方案。
关键词:无铅化;AuSn20焊料;制备;技术改进中图法分类号:TN705
文献标志码:A
文章编号:1671-8887(2010)03-0009-03
ApplicationandDevelopmentTrendofAuSn20Solder
SUNXiao_liang,MAGuang,LIYin_e,LIUXiao_feng
(NorthwestInstituteforNonferrousMetalResearch,Xi.an710016,China)
Abstract:Withthedevelopmentofminiaturizationandlead_freeofelectronicproducts,highdemandisputforwardaboutsolder.LeadfreesolderAuSn20iswidelyappliedinhighreliablehermeticpackageanddieweldingduepaperdescribedthepropertiesandpreparationofvantagesoftheconventionaldrawingandrollingcompositeprocessofcoldrolling,putoutimproveforAuSn20solder.
Keywords:leadfree;AuSn20solder;preparation;technologyimprovement
toexcellentmechanicalproperty.ThisAuSn20solder,pointedoutthedisad-process,castingprocessandlaminoseprogramesofresearchandpreparation
1引言
Sn_Pb合金,特别是Sn63Pb37共晶合金和Sn60Pb40近共晶合金一直以来被广泛用于电子整机装联、微电子元器件的封装和印刷电路板级组装。近年来,随着技术进步,电子产品不断向轻、薄、小的方向发展,应用领域不断扩大,对焊料等互连材料提出了新的要求。如:对于汽车和航空用电子器件,在一些场合要求电子器件在大于100e的环境下长期工作,而电子器件小型化的要求,使得互连焊点的尺寸不断减小,这就要求焊点应具有更高的强度和更稳定的组织性能。传统的共晶Sn_Pb焊料熔点偏低,在高温下的组织粗化易造成其机械性能恶化,不能满足汽车、航空用电子器件等领域的要求[2],而且,由于含铅,也不符合环保要求,为
作者简介:孙晓亮(1981-),男,陕西宝鸡人,硕士,工程师,研究方向:贵金属功能材料。收稿日期:2010-04-23
[1]
此,人们逐渐用无铅焊料取代传统Sn_Pb焊料。目前国内外已开发出的无铅合金焊料种类繁多,其中AuSn20焊料以其独有的高熔点、高可靠性受到广泛关注
[3,4]
。AuSn20焊料是熔点在280~360e内唯
一可以替代高熔点铅基合金的焊料。2
AuSn20焊料性能
图1是AuSn相图。从图1可以看出,AuSn20合金处于Au_Sn二元共晶部位,共晶点为280e,其结构是由六方晶格F相和Au_Sn金属间化合物组成,F相是具有hcp结构的固溶体,在190e以上
具有一定的成分区间,190e发生包析反应形成正交结构的F.-Au5Sn金属间化合物;D相是六方结构NiAs型的AuSn金属间化合物,其成分可为50%~50.5%Sn(原子分数),熔点约419.3e。
2.1相图
Au_Sn金属间化合物是一种硬脆相,其硬度和脆性
10
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[5]
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都远高于金属Au或Sn。焊料在我国的发展。3
制备方法
3.1铸造拉拨轧制法
该方法中较具代表性的是文献[7]提到的日本专利的方法,即在AuSn20共晶合金中添加50@10-6~300@10-6的Pd和/或Pt,形成低熔点Au_Sn焊料,可用于半导体组装中的引线及引线的钎焊,对电镀金属及引线形状无特殊要求,可抑制引线框架上钎料的过分扩散以及引线上钎料无规则漫流现象。另有日本专利报道了一种Au_Sn合金焊料丝
图1AuSn相图
[8]
的制备方法:先制备<2.0mm的合金坯料,然后在90~270e范围内依次将坯料进行热挤压、热拉丝、切割,制成<0.1mm的合金丝。文献[9]提到的日本专利介绍了通过控制温度范围,采用温挤压和温拉丝,制得连续的丝状Au_Sn焊料的方法,而且可根据需要,采用温度控制进行温切断制得Au_Sn焊料。此外,根据焊料使用目的,还可通过改变Au中
2.2力学物理性能
AuSn20焊料20e时的力学物理性能见表1。
表1AuSn20焊料20e时的力学物理性能
[6]
Sn的添加量(12%~37%质量分数)调整熔点(一般为278~600e),制备新的Au_Sn合金。文献[10]报道了低熔点金合金焊料的模压板片,制造程序包括:预热低熔点金合金焊料板,将预热过的焊料板装入带有加热器的金属压模中,在50~320e下压制模压板片。美国专利US4418857
[11]
通过加入IB族
金属改善Au_Sn合金焊接性能,制造了用于薄片框架的高熔点AuSn20合金焊料。3.2叠层冷轧复合法
采用叠层冷轧复合法制造共晶AuSn20合金焊
AuSn20焊料具有下列优点:1钎焊温度适中,仅比其熔点高出20~30e(即约300~310e);AuSn20合金的屈服强度很高,即使在250~260e的温度下,其强度也能够胜任气密性的要求。由于合金成分中Au占了很大的质量密度(80%),材料表面的氧化程度较低,故无需助焊剂,可以避免光学界面污染;o具有良好的浸润性,且对镀金层无铅锡焊料的浸蚀程度高,同时也没有像Ag那样的迁移现象,粘滞性低,液态的AuSn20合金具有很低的粘滞性,可填充一些很大的空隙;?耐腐蚀性、抗蠕变性能好,并具有良好的导热导电性。AuSn20焊料的不足之处是脆性大,延伸率小,用常规制造方法难以制出符合微电子器件使用要求的箔带材及其深加工产品,从而严重制约了该
料箔带。该方法中较具代表性的是日本专利JP58100992A[12]、JP58100993A[13]、美国专利US4518112
[14]
、中国专利CN1026394C
[15]
等。其中
专利CN1026394C采用多层复合技术,将分别预处
理过并轧至一定厚度的金带和锡带按照Au/Sn/Au,/Sn/Au的方式彼此相间层叠在一起,预压成复合坯料,再冷轧成所需规格的箔材。钎焊过程中,复合钎料在钎焊加热温度下,复合组元间通过互扩散形成AuSn20合金,然后润湿母材实现焊接。该方法能可靠地保证焊料在钎焊温度下发生共晶反应,得到成分均匀、致密的钎接头。所制焊料箔能用普通模具冲制成各种形状规格的焊片。
3.3电镀沉积法
电镀沉积法中较具代表性的是日本专利
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JP200026989[16]。该专利报道了采用电镀方法制备AuSn20合金箔材的工艺,其流程大致为:制成有面罩的电镀板模型;用金锡合金镀覆于其暴露的部分;从电镀板上剥离出金锡合金箔材。4研究和制备技术的改进及发展趋势
上述提及的AuSn20共晶型焊料的生产方法虽然各有特点,但仍然存在不足,如铸造拉拔轧制法由于添加了第三组元,不可避免地将杂质带进焊料中,影响了焊料的性能;叠层冷轧复合法由于难以精确控制Au与Sn的反应量,难免会留下未合金化的Au和Sn,引起焊料过分扩散以及造成焊料无规则漫流,致使钎焊性能降低;电镀沉积法沉积的厚度不易控制。因此,发展新的AuSn20共晶型焊料制备加工方法是改善钎焊质量、降低封装成本急需解决的关键问题。
迄今,国际上在该领域的研究工作主要是针对钎焊过程中焊料的行为、钎焊性能,特别是焊料与基体材料的反应等涉及材料的问题而进行,而对AuSn20共晶型焊料的制备工艺技术报道较少,特别是技术以及与技术实施紧密相关的问题主要是一些商业公司在研究,而他们的研究结果对外保密。我国目前主要是采用多层叠轧+扩散合金化技术生产AuSn20共晶焊料,但由于对技术及其所涉及的问题缺乏深入研究,在产品质量、钎焊效果以及生产效率方面远达不到国际上掌握先进工艺技术公司的水平,目前国内对这类焊料的需求90%以上依靠进口。
针对目前AuSn20共晶型焊料制备技术的难题,笔者认为应在以下几方面加强研究:采用熔炼铸造组织控制、精密挤压预成形、热机械处理等技术路线,探讨铸造组织细化的基本原理和实现方法;研究热机械加工、薄材精密成形的变形机制,轧制和热处理过程中的组织转变规律以及对轧制成型和对材料性能的影响;根据AuSn20共晶材料成分及组织结构特点,探索有效的热机械处理工艺,研究工艺方法及参数对材料变形过程的影响,研究热塑性加工过程组织转变机制以及对加工成形性及材料性能影响机制等。通过上述研究方法及制备技术的改进,探索开发出AuSn20低温脆性共晶焊料薄材塑性加工成形的新技术,将可为实现该类材料的规模化生产奠定坚实的基础。
5结束语
电子产品的小型化、无铅化对焊料提出了更高
的要求,AuSn20无铅焊料由于具有独特的机械特性,在电子封装技术飞速发展的今天,其应用领域将会越来越广。随着AuSn20焊料制备技术的突破及焊点可靠性研究的不断深入,AuSn20焊料作为信息产业领域多种高新技术产品开发和生产的基础材料,将会获得更加广泛的应用。参考文献:
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