金锡预成型焊片在陶瓷封装外壳中的应用
文章出处：行业动态 责任编辑：陶瓷pcb电路板|深圳市金瑞欣特种电路技术有限公司 阅读量：- 发表时间：2023-10-18
金锡成型
预成型焊片是一种表面平整的焊料薄片，有Au80Sn20、Au88Ge12、Au96.85Si3.15等，常用于陶瓷、可伐合金、芯片、IC封装、金属管壳等之间的焊接，广泛应用于包括可靠封装连接、金属外壳或陶瓷外壳气密封装工艺的焊接等领域。合金焊料熔封工艺中使用最广泛的是Au80Sn20合金，能适应高真空、高强度、耐腐蚀高要求。
一、什么是金锡合金焊片？有何优势？
金锡共晶（Au80wt%Sn20wt%）由金锡中间相δ（AuSn ）和密排六方相ζ （Au5Sn）组成，是金锡合金中熔点最低的，具有优良的焊接工艺性能和焊接接头强度。金锡合金熔点280℃，钎焊温度仅比它的熔点高出20～30℃（即约300～310℃）。在钎焊过程中，基于合金的共晶成分，很小的过热度就可以使合金熔化并浸润；另外，合金的凝固过程进行得也很快。因此，金锡合金的使用能够大大缩短整个钎焊过程周期。作为共晶合金，金锡合金具有细小均匀的晶格，从而有着很高的强度。同时金锡合金焊料的高温焊接强度也比较高，因而能够耐受热冲击、热疲劳，能够在高温环境或者温度变化幅度大的环境下使用。金锡合金焊料在280℃熔点附近很小的一个范围内完全熔化成流动性很好的液态，因而具有很小的粘滞性，能够很迅速的铺展开来，保证焊接的密封性。由于金锡合金焊料是共晶成分，组织细小，焊料强度较高，在接近熔点的时候依然保持有一定的强度，同时抗裂纹扩展能力也很强，所以金锡共晶合金的抗蠕变性能和抗疲劳性能也很优良。金锡合金焊料的热导率为57W/m·k，在软钎料中属于较高水平，当同样的厚度焊料情况下，热阻就小，因此焊接的器件具有良好的导热性能。由于合金成份中金占了很大的比重（80%），材料表面的氧化程度较低。如果在钎焊过程中采用真空，或还原性气体如氮气和氢气的混合气，就不必使用化学助焊剂。具有良好的浸润性，而对镀金层又无铅锡焊料的那种浸蚀现象。金锡合金与镀金层的成分接近，因而通过扩散对很薄镀层的浸溶程度很低；同时也没有像银那样的迁徒现象。Au80Sn20 焊料的不足之处是价格较贵，性能较脆，延伸率很小，不易加工。用于微电子封装的钎焊料有很多形式，常见的焊丝、焊膏以及预成型焊片等。由于金锡合金的脆性，很难制成连续、性能均匀并且能够缠绕的焊丝。预成型片通常首先将焊料制成焊料片，然后通过机械冲裁、剪切制成所需的焊片形状，能够确保钎焊料的精确用量和准确位置，以达到在最低成本情况下获得最佳的质量。预成型焊片最早在上世纪60年代应用于一些元器件如金属封装的钽电容，现在主要用于一些无源器件、光电器件的生产及封装。
1）采用预制成型焊片工艺，能够精确控制钎焊料用量、成分和表面状态。通过合理设计预制成型焊片的厚度和形状，精确控制焊料的使用量，用最少的焊料量，满足最好的焊接要求，在保证焊接质量的情况下将焊接成本大幅降低。2）通常采用预制成型焊片工艺是在保护气氛中进行，在这种条件下，可以免除使用易污染和难以控制的助焊剂，免除焊接后成本很高的清洗过程，节约成本，减少环境污染。3）通过合理设计的预成型焊片通常能以最小的成本形成很好的焊接效果，使焊接接头获得很高的电学性能和焊接成品率，所以预成型焊片焊接工艺是高可靠、高导热封装的理想焊接工艺。4）对于需要连接的基板材料的变化和特殊性能或环境保护的要求，对金锡焊料预成型片几乎不受任何限制。
二、金锡焊片在陶瓷封装管壳的应用
Au80Sn20等合金焊料密封不仅能用于各类高可靠IC，也能用于MEMS中惯性陀螺等并满足高真空、低漏率；也能用在PHEMT结构GaAs器件的密封腔内，满足氢含量低的要求。在综合考虑外壳和盖板成本、适应多种类型器件、密封工艺设备投入、成品率、可靠性等因素，合金焊料熔封工艺是首选。气密电子封装产品的一部分需要焊接到一些陶瓷部件上。主要是考虑陶瓷具有一些金属件无法达到的物理性能如低热膨胀系数、电绝缘、高强度等。金锡预成型焊片在陶瓷封装的应用有：1）当有源器件芯片和基板两者都需要具有低热膨胀系数时把有源器件芯片粘接到一个外壳内。
2）封盖，即把一个金属或玻璃的盖板密封到陶瓷外壳上。采用一定厚度，形状为不封闭框架的金锡预成型片。对于封盖，一般会采用平行缝焊机对连接处局部加热，在平行缝焊过程中金锡焊片受热熔化与陶瓷表面金属紧密结合。这样对封装内用金锡合金钎焊的有源器件芯片将不会受到影响。3）引线绝缘子的焊接。采用高强度的陶瓷做绝缘体，要求钎焊材料具有良好的润湿性、抗腐蚀性和高的杨氏模量等。采用金锡合金焊接的器件能够经受得起长时间的热应力循环。
在光电器件如发射器、接收器及放大器等封装中的穿通粘接中，垫圈型金锡预成型片也是一种最好的选择。在连接过程中，熔化的金锡垫圈在毛细作用下会填充在绝缘子外导体和封装基体（两者皆由可伐合金制造并镀以镍和金）之间的间隙，由于绝缘子和基体之间的空隙很小，过多的钎焊料会造成短路。作为预成型片的优点之一，精确数量的金锡钎焊料可做成垫圈型预成型片以防止短路。利用金锡合金预成型焊片制作预置金锡盖板/壳体，即将金锡预成型焊片精确定位并点焊后，固定在合金或陶瓷壳体上，解决了传统工艺存在的定位问题，并且缩短了封装工艺流程，广泛应用在混合集成电路、半导体集成电路、微波器件、传感器、光电器件的陶瓷外壳气密封装等领域。
