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共晶金錫焊料焊接的處理和可靠性問題

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更新時間：2016-09-20
發布人：KXL724

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共晶金錫焊料焊接的處理和可靠性問題因為傳統鉛錫焊料和無鉛焊料強度不足、砍蠕變能力差以及其他的本身缺陷，共晶金錫焊料已經替代它們廣泛用于高可靠和高功率電路中，包括使用在混合電路、MEM、光電開關、LEDs、激光二極管和無線電裝置。金錫焊料焊接中可以避免使用組焊劑，尤其可以減少污染和焊盤的腐蝕。雖然使用金錫焊料有很多優點，但材料的性能和焊接工藝工程仍需研究。

前言：由于共晶金錫焊料具有優良的機械和熱傳導性能（特別是強度和抗蠕變性）以及不需組焊劑可以很好的再流的特性，共晶AuSn被廣泛應用于高溫和高可靠性的電路中。與之對比其他無鉛和傳統的鉛錫共晶焊料卻有著大量的問題：
焊接時需要的組焊劑造成了焊接焊盤的腐蝕，同時殘雜也會危害EMES、光電電路和密封封裝（組焊劑一般在密封電路中被禁止使用）。
在光學電路中焊料的過度蠕變或應力松弛的積累會導致陣列的退化。
低強度
低熱傳導率（盡管這個問題被夸大了，事實上熱傳導率還需要考慮大焊接焊料的厚度）
共晶金錫焊料已經得到了廣泛應用：如MEMS光開關等微電子和光電子學中使用的倒裝芯片；光纖附件; GaAs和InP激光二極管 ;密封包裝;和射頻器件等。
AuSn的焊接已證明可靠性可以達到30多年，是因為其焊接中再流過程可以產生重復、無空洞以及無缺陷的焊接。本文回答了很多公司關于焊接設計、焊接材料組合以及再流焊技術發展等問題。

相圖
我們可以從金錫焊料的二元相圖去認識很多共晶金錫焊料焊接的關鍵問題，如圖1所示，焊料中富金時，液相線下降非常迅速，在常溫下有大量的“線性”化合物。

當使用金錫焊料焊接鍍金層時，焊接溫度必須超過280攝氏度，因為只有達到這個焊接問題，鍍層里的金元素才可以擴散或融入到焊料中。這樣可以產生兩個優點：在這個溫度下第二次再流不會損壞到焊料；更高的溫度也可以產生更大的抗蠕變性。然而，焊接后中間的焊料很難再次起到焊接作用，因為即使兩個焊接界面可以分開，殘留下焊接時形成的金屬間化合物都會阻止再流。而且，焊接中的“凝固” 現象也會使浸濕不充分導致焊接不完全而使強度下降。

這些缺點可以通過增加焊料中錫成分成為富錫焊料，這樣，共晶成分中金完全平均分散的。但在使用金錫焊膏時候，這種方法也是有一定缺陷的，因為焊膏的成分是可變的，這也是為什么使用蒸發、濺射或電鍍方法來沉積焊膏。

對于共晶焊接，我們應該關注冷卻時如下的過程：L → ξ+ δ → ξ’ + δ，一般來說，焊接后ξ和ξ’構成了焊接的主要組成，其中ξ’是焊接后形成的金屬間化合物。

焊接后，我們期盼構成η, ε,δ和ξ’的連續的界面。一般來說，瞬間液相（TLP）連接使用的更多而不是共晶連接。瞬間液相（TLP）連接的優點的是連接溫度處于Sn液相點和共晶液相間之間。但是，此種焊接時加熱時間和冷卻時間都需要更長，而且如果在這個過程里反應沒有完全，則以后長時間里微結構的演變都會繼續。通過多層薄的焊料可以減少這些缺陷，因為薄層可以減少擴散距離，也減少產生金屬間化合物的時間。

這個相圖有利于我們認識焊料的機械性能。錫富一方形成的金屬間化合物方圖是“線”形化合物，具有極其有限的溶解度。這些化合物一般有著高強度和良好的抗蠕變性，但展延性減少。
但在下文中我們將討論到，具備中等延性和優良的抗蠕變性的金錫焊料形成的金屬間化合物卻遠比CuSn化合物有更好的展延性。...

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