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共晶金锡焊料焊接的处理和可靠性问题
摘要：
因为传统铅锡焊料和无铅焊料强度不足、砍蠕变能力差以及其他的本身缺陷，共晶金锡焊料已经替代它们广泛用于高可靠和高功率电路中，包括使用在混合电路、MEM、光电开关、LEDs、激光二极管和无线电装置。金锡焊料焊接中可以避免使用组焊剂，尤其可以减少污染和焊盘的腐蚀。虽然使用金锡焊料有很多优点，但材料的性能和焊接工艺工程仍需研究。

前言：由于共晶金锡焊料具有优良的机械和热传导性能 （特别是强度和抗蠕变性）以及不需组焊剂可以很好的再流的特性，共晶AuSn被广泛应用于高温和高可靠性的电路中。与之对比其他无铅和传统的铅锡共晶焊料却有着大量的问题：
焊接时需要的组焊剂造成了焊接焊盘的腐蚀，同时残杂也会危害EMES、光电电路和密封封装（组焊剂一般在密封电路中被禁止使用）。
在光学电路中焊料的过度蠕变或应力松弛的积累会导致阵列的退化。
低强度
低热传导率（尽管这个问题被夸大了，事实上热传导率还需要考虑大焊接焊料的厚度）
共晶金锡焊料已经得到了广泛应用：如MEMS光开关等微电子和光电子学中使用的倒装芯片；光纤附件; GaAs和InP激光二极管 ;密封包装;和射频器件等。
AuSn的焊接已证明可靠性可以达到30多年，是因为其焊接中再流过程可以产生重复、无空洞以及无缺陷的焊接。本文回答了很多公司关于焊接设计、焊接材料组合以及再流焊技术发展等问题。

相图
我们可以从金锡焊料的二元相图去认识很多共晶金锡焊料焊接的关键问题，如图1所示，焊料中富金时，液相线下降非常迅速，在常温下有大量的“线性”化合物。

当使用金锡焊料焊接镀金层时，焊接温度必须超过280摄氏度，因为只有达到这个焊接问题，镀层里的金元素才可以扩散或融入到焊料中。这样可以产生两个优点：在这个温度下第二次再流不会损坏到焊料；更高的温度也可以产生更大的抗蠕变性。然而，焊接后中间的焊料很难再次起到焊接作用，因为即使两个焊接界面可以分开，残留下焊接时形成的金属间化合物都会阻止再流。而且，焊接中的“凝固” 现象也会使浸湿不充分导致焊接不完全而使强度下降。

这些缺点可以通过增加焊料中锡成分成为富锡焊料，这样，共晶成分中金完全平均分散的。但在使用金锡焊膏时候，这种方法也是有一定缺陷的，因为焊膏的成分是可变的，这也是为什么使用蒸发、溅射或电镀方法来沉积焊膏。

对于共晶焊接，我们应该关注冷却时如下的过程：L → ξ+ δ → ξ’ + δ，一般来说，焊接后ξ和ξ’构成了焊接的主要组成，其中ξ’是焊接后形成的金属间化合物。

焊接后，我们期盼构成η, ε,δ和ξ’的连续的界面。一般来说，瞬间液相（TLP）连接使用的更多而不是共晶连接。瞬间液相（TLP）连接的优点的是连接温度处于Sn液相点和共晶液相间之间。但是，此种焊接时加热时间和冷却时间都需要更长，而且如果在这个过程里反应没有完全，则以后长时间里微结构的演变都会继续。通过多层薄的焊料可以减少这些缺陷，因为薄层可以减少扩散距离，也减少产生金属间化合物的时间。

这个相图有利于我们认识焊料的机械性能。锡富一方形成的金属间化合物方图是“线”形化合物，具有极其有限的溶解度。这些化合物一般有着高强度和良好的抗蠕变性，但展延性减少。
但在下文中我们将讨论到，具备中等延性和优良的抗蠕变性的金锡焊料形成的金属间化合物却远比CuSn化合物有更好的展延性。

金属化层

选择合适的金属化层是共晶焊接的关键之一。一般的要符合如下的要求：
合适的焊接界面
扩散阻挡层
保护层
合适的焊接界面是使电子元器件焊接到陶瓷基板上的必备界面，因为大部分的金属材料不可以直接互联到共价材料上；而对于金属基板是不需要焊接界面。扩散阻挡层必须既要和焊接层互联良好，而且和锡（内在）不反应或足够的厚以阻止再流和后面焊接形成的金属化合物的扩散。保护层是兼容纯金材料和金锡焊料的必备材料，可以保护表面在再流焊接前的氧化。

很多领域使用到金锡焊料。表一列出了典型的基板和金属化的厚度。一般的，TIW/Au和Ti/Pt/Au(互联层/阻挡层/保护层)用于半导体器件和陶瓷基板的焊接，Ni/Au用在金属的连接。Ni一般用电解电镀或化学电镀，但后者成本更低更多的使用。扩散阻挡层一般选用Ni、Pt和Pd，或在TIW层上沉积NiSn和AuSn的金属间化合物。

和Sn发生反应的阻挡层，扩散的速率和以下的因素有关系：
焊料互联的厚度
焊料液相点的峰值温度
焊接的时间
形成物的形貌和阻挡层上的残余应力

如图2所示，Song等人已使用一个特殊的例子详细阐述了阻隔层的损耗问题。这两篇文章对比了金锡焊料焊接时，纯铜焊盘以及其上有Ni隔离层的差别。金属间化合物Au-Ni-Sn和CuSn的生长速度成平方根的比例，这是个一个典型的扩散速度，尽管Ni的耗散速度因为焊接峰值温度的影响变得更低。

而扩散阻隔层W材料和Sn不发生反应 ，尤其再覆镀上NiSn或AuSn的金属间化合物，更可以有效地减少阻隔层的金属损耗。

即使是生成物、再流焊温度以及时间等相似时，扩散速度也会不同。因为阻隔物材料颗粒的减少会增加本身材料的扩散速度，就会导致阻隔层材料损速度的增加。焊接各个阶段产生残余应力不仅增加扩散率，而且会产生新的增加甚至开裂。

焊料的种类和种类

本文研究的焊料种类包括焊片、焊膏和沉积膜。沉积膜的技术包括溅射成膜、蒸发成膜以及电镀成膜，膜可以是单层或多层的。它们的缺点和优点如下介绍：
焊片：
优点：单独使用；不依靠焊料的流淌来达到覆盖总个焊盘
缺点：组成的一致性；氧化性；定位问题；低容量
焊膏：
优点：大批量使用，包括使用光刻胶做网印刷
缺点：需要阻焊剂（微机电系统，倒装芯片和光电子学除发光二极管外）;组分控制; 焊接气氛导致的孔洞率
溅射膜：
优点：成分控制
缺点：残留Ar杂质和空洞；中等和小批量的使用，成本和过程控制；沉积速度慢
蒸发膜“
优点：成分控制
缺点：不均匀以及污染，中等和小批量的使用，成本和过程控制；沉积速度慢
电镀膜：
优点：成分控制，大批量使用，沉积速度快，
缺点：过程的敏感度

一般而言，单层共晶成分电镀层或多层次Au5Sn （ ξ ' ）和AuSn （ δ ）电镀膜被认为适合于批量生产。但对于小批量的是使用，焊片、溅射或蒸发都可以使用。

焊接过程

一般很难对于焊接过程提供指导意见，因为它涉及到很多因素：形状，重量，焊接面，组分和基板的热膨胀系数，再流时的气氛，回流设备（烘箱、芯片贴片机、红外或激光回流、热板等），相关的热模块以及加热/冷却时间和其他的因素等等。。。但下面是焊接一些一般性要求：
很多不同组分的焊料都很好的用去焊接，提供好的润湿，底空洞率，均匀微结构，和可以适合批量使用

基板材料和元器件间的热膨胀系数要匹配，以减少两者之间应力甚至开裂，虽然铜和可法材料热膨胀系数不匹配也焊接性能良好。

减少气氛的影响虽然不是必须的，但在大批量使用可以使焊接保持一致性

表面氧化层的影响，焊接气氛的保护是不够的，最好可以使用机械去除或清洗去除氧化层。

焊接的升温速度不要太快

冷却速度一般需要较快，但热膨胀系数不匹配或冷却过快会造成开裂。

表二总结了一些不同焊料和使用不同设备焊接的详尽参数。

材料特性：机械性能

焊料和金属间化合物的力学性能分析，特别在有限元分析（FEA），通常使分析测量得到的大量样本数据。然而对比典型焊接、焊接几何形貌以及生成的化合物，焊接形貌、残余应力和机械约束的不同，导致直接从测试数值得到的评价是不准确的。

表三总结了实际焊料焊接和膜焊接中金属、焊料以及产生的金属间化合物的特性。其中金属间化合物的特性借用了Chromik的研究成果，他们使用纳米压痕的技术来分析金属间化合物，文中还阐述了纳米压痕技术相比于体效应技术的优缺点。表三中压痕蠕变的数值同样使用这个办法得到得，这些数据证实了AuSn & Au5Sn相间以及合金本身也会产生高抗蠕变性。

材料特性：扩散

前文中我们已经讨论了Sn的扩散以及对阻隔层的损耗。而且，金和锡之间的互扩散也可以帮助我们更好理解由Au和Sn构成的单层或多层焊料膜的使用，如TLP焊接。令人惊讶的是，虽然Sn熔点更低，但一开始Au扩散速度更快，因为此时是间歇扩散为主，金的粒子直径更小。但随着金层上金颗粒越来越小，Sn的扩散会越来越快达到平衡虽然比Au更快，因为此时Sn沿着Au界面缺陷的界面扩散。正是扩散速度的不同，导致了柯肯达尔空洞的产生，【30】文中的图2更是用一个例子很好的解释了这种现象。

Yamada等人提出了一个很好的方法来测量和分析在不同退火温度下金属间化合物的形成速度。互扩散模型理解为两层Sn层间有一层Au层。在所有情况下，三个中间Au-Sn层间形成的金属间化合物和退火时间成幂律关系，而且在不变的温度时每个界面形成的金属间化合物和所有形成的金属间化合物的比是一个常数。虽然温度减小，这个常数变大因为更多的AuSn4的产生，反之变少因为更多的AuSn和AuSn2的产生。

我们设行成的金属间化合物为，时间为t，它们之间有如下的关系

其中n和比K取决于温度；t0和K0是常数，Q是激活能，R是气体常数（8.3144焦耳/摩尔），T是温度。

表4a给出了不同焊接温度和时间下形成的金属间化合物的厚度，表4b给出了不同退火温度和时间产生的金属间化合物的厚度。。。。。

因为没有考虑到沿界面缺陷的界面的扩散行为，计算的结果不是准确。但这些研究提供了一个去评价和分析的框架。

长期的可靠性

因为金锡焊料焊接的高强度，抗蠕变性，已经被广泛用于严酷环境下。如在-55 to 125ºC 的温循，从75 to 150ºC的储藏, 121ºC高温高压高湿环, 250ºC老化后的芯片剪切等,激光二极管长期的工作环境等。

主要的可靠性问题的产生都来至焊接过程中（空洞，不合适相得产生等），最后会导致开裂。前文已经证明，共晶的金属间化合物有很好的韧性，但开裂大部分是脆性开裂，线弹性断裂力学是最好估计共晶焊接寿命的方法。最差情况下的缺陷的尺寸都应该限制在不会破裂的估计和过程控制下。

结论

本文详细介绍了共晶AuSn焊料以及其焊接过程的主要问题，如多层间的扩散问题和机械性能问题。合适的设计以及工艺的进步，拥有优良性能的AuSn焊接能工作在很多要求严格的环境下。