金锡焊料形态介绍

金锡焊料形态介绍

金锡焊料的应用有多种形态，其性能上各有优缺点。主要的形态有以下几种：

1.电子束蒸镀，即在基板上分别蒸镀上金层与锡层。是目前最主要的应用形态。

2.金锡分层电镀，也是采用湿法电镀的方式，在基板上分别电镀金层与锡层。

3.合金电镀，采用湿法电镀，直接在基板上电镀金锡共晶合金。

4.金锡焊膏，

5.预成型焊片。

在焊料形态的选择上，需要考虑以下几个参数。

1.焊料施加的工艺，主要是从效率和成本的方面来考虑。

2.焊料的有效的使用，避免浪费。也就是说只将焊料施加在需要的地方，而且焊接厚度尽可能薄，这主要也是从成本上考虑，在预制焊片上应用时焊片太薄冲压的成本会急剧上升。

3.此外还需要考虑杂质的含量范围，厚度的一致性，及产品的具体需求。

电子束蒸镀（ Electron beam Evaporation of AuSn）

在电子束蒸镀工艺中，需要有一个真空的腔体。腔体底部放置坩埚，用于盛放蒸镀的靶材，靶材在电子束的冲击下汽化。基板悬置于坩埚上方，汽化的金属沉积在基板上。蒸镀时汽化金属不能实现方向上的精确控制，所以腔体上也会出现沉积。将不同的坩埚旋至电子束的下方，就可以在同一次沉积的过程中实现不同金属层的沉积。

蒸镀一个关键的优势在于沉积的速率。金典型的沉积速率为10 μm/sec。这使得蒸镀适合于大尺寸基板的整面金属化处理。在沉积的过程中通常基板会旋转，以保证沉积层厚度的一致性，通常可以使公差控制在1%。

对于金锡焊料的蒸镀而言，通常采用的方法是交替蒸镀金层与锡层，使得整体的组分接近Au80Sn20。在完成沉积后，将金属层加热至200°到250°C以实现金锡的相互扩散。扩散过程会使焊料微观上变得一致且致密，有利于共晶焊工艺过程中焊料熔融的一致性。

金锡分层电镀（Plating Au/Sn multilayer structures）

这是蒸镀的一种替代方式，与蒸镀相同的是此工艺也是分别在基板上沉积金层与锡层，不过使用的方式却是湿法电镀。为了完成焊料的沉积，基板需要在金槽与锡槽间不断的转换。在电镀过程完成后也需要在共晶温度以下 (200-250°C) 进行退火处理。

电镀沉积的一个优点是它可以使焊料仅沉积在导电的材料上，也可以通过光阻剂实现局部电镀，这使得昂贵的金锡焊料的使用率更高。

电镀工艺一个典型的缺点在焊料的厚度控制方面。对于使用挂架电镀（rack plating），厚度的一致性可控制在±10%的范围内，对于(fountain plating)，厚度范围可控制在±5%。要达到精确的镀层厚度非常困难，这会造成整个镀层的合金组分的变化，从而影响后续Die bond工艺。为了减少这个问题带来的影响，通常有意增加锡的含量，因为合金中锡的含量变化带来的熔点变化远小于金的影响。

电镀工艺另一个难点就是在不断的换槽的过程中，可能出现的锡层的氧化。

在电镀液的选择上，应优选有机物含量低的电镀液。在镀锡的电镀液中广泛使用一些有机物添加剂作为晶

粒细化剂及光亮剂（grain refiners and brighteners）。这些有机物混入锡层中会影响后续的Die Bond 工艺。

金锡合金电镀（Plating Au80Sn20 from a single alloy plating bath ）

这种工艺在单槽中即可完成金锡合金的电镀，且不需后续的退火处理。目前只有为数不多的厂商可以提供这种电镀液。合金电镀的优势之一是不用费力的去控制金层和锡层的相对厚度，来达到控制合金组分的目的。此工艺的一个难点在于需要严格控制槽液的参数来保证镀层的合金组分。研究成果显示，电镀过程中温度相差一度就会合金组分相差1-2 wt%，电流密度波动1mA/cm2 会使合金组分波动 4 wt%。另外金的浓度仅允许±0.15 g/L的波动。

焊膏（Solder paste）

在金锡焊料的一些应用中，焊膏也是一种成本经济的方法。在金锡焊膏中包括精细合金粉末，粘结剂，及用于减少锡粉表面氧化的焊剂。如果没有有效的焊剂，氧化层会焊接过程的金粉与锡粉间的合金扩散（uniform reaction）.

金锡焊料的一个主要的缺点是杂质的存在。在焊接完成后，在金锡焊接面及其周围会存在残留的焊剂和粘结剂分解后的产物。焊接过程中挥发的焊剂也会污染周围其它器件。