高溫焊錫材料技術簡介

刊登日期:2012/7/3
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焊錫技術(Solder)或稱黏晶技術(Dieattach)在電子構裝中應用的歷史極為悠久,然而焊錫材料的選擇與焊接方法則一直到表面黏著技術成為主要的元件接合技術後,才成為研究的重點。焊錫接點主要的功能是電、熱的傳導;在表面黏著技術中,焊錫接點必須能支撐元件的重量,同時也須具有良好的抗疲勞破壞性,以防止系統重複開機與因元件及基板材料熱膨脹係數差異所造成的應力破壞。

微電子工業目前以焊接的方式將電子零件連接到印刷電路板上(Printed Circuit Board; PCB),如圖一所示。隨著製程技術的進步,以及電子產品輕薄、短小、高功能的要求,採用面的方式排列之焊點矩陣來進行連接已成為當今主流,從外層封裝的球矩陣式封裝(Ball Grid Array; BGA),到內層封裝IC 製程中的覆晶(Flip Chip; FC)技術都是這種例子。

高溫無鉛焊料替代品
1. Zn 系合金
Zn-6Al 的共晶熔融溫度(Eutectic Melting Point)為381°C,且從相圖(Phase Diagram)顯示Zn-Al 合金不會形成介金屬。若在此Zn-Al 共晶相中摻雜少量Mg 或Ge 元素成為三元合金,則可降低Tm 至300~340°C ,達到高溫焊料之固化溫度(Solidus)標準。此外, Zn 具備比Pb 價格低之優勢,似乎可應用於高溫焊料。

Zn-Sn 共晶合金Zn-30Sn 也是無鉛焊料的選擇之一,其熔點為199°C ,雖然比共晶鉛錫的熔點高出16°C ,但在一般生產設備能力範圍之內,不須大幅更換設備,加上其取得成本較低,使得Zn-Sn 焊料在無鉛焊料的選擇上具有其優勢。然而Zn-Sn 合金最大的缺點就是Zn 的活性太大,當使用Zn-Sn 焊料進行焊接時,熔融的焊錫很容易氧化,合金的潤濕性質和抗氧化性不佳,使得Zn-Sn 焊料在實際應用時有嚴重的可靠度問題,所以在製程中通常須在保護的氣氛下進行,並使用活性較強的助熔劑。

3. Sb 系合金
Sn-Sb 合金相中,當Sb 含量小於5wt%時,此合金可維持良好的機械特性,而且合金相中不會存在介金屬。然而Sn-5Sb 合金系之液化溫度太低,僅有240°C 左右,不符合高溫焊料之應用。當Sb 的含量增加時,則會因為合金相之微結構開始生成介金屬,導致此合金的性質既硬且脆。文獻指出,於Sn-Sb 系統中添加部分Ag ,可得Sn-25Ag-10Sb 合金,使得液化溫度提高至395°C ,有機會應用為高溫無鉛焊料的替代品。


圖三、Au-Sn 二元相圖

其他替代技術
3. 奈米金屬燒結技術(Sintering of Metal Nanoparticles)
由於奈米尺度之金屬材料具有相當大之表面能(Surface Energy),可以在較低溫度(相對於塊材之熔點)下進行燒結反應,此外,奈米粒子可以於物體界面發生固態擴散(Solid-state Diffusion)現象時,達到接合之效果,而微米尺度之粒子須額外施加壓力才能達到。金屬銀具有優異的導電、導熱特性,而銀奈米粒子(Silver Nanoparticles, AgNPs)則可以有效降低製程及接合溫度,並有效做為黏晶材料(Die-attach Materials)之應用。奈米銀漿料(Nano Ag Paste)的製備如圖六所示,將合成所得之奈米銀粒子依需求選擇溶劑並加入黏結劑(Binder)、分散劑(Dispersant)、增稠劑(Thickner)等有機成分,改善奈米銀漿料之分散穩定性及流變行為,並適用於低溫燒結製程。

然而銀為貴重金屬之一,且高溫下有銀遷移(Ag Migration)之疑慮,基於成本與可靠度之考量,工研院材化所開發的奈米銅粒子合成技術,可控制其粒徑大小約為80 nm ,預計取代奈米銀材料技術。然而奈米銅仍遭遇抗氧化能力不足之困境,現階段以奈米銀/ 奈米銅雙金屬混摻之方式做為低溫黏晶材料,藉由小粒徑之奈米銀包覆於奈米銅表面,減少銅金屬與大氣接觸,達到抗氧化之目的。現階段奈米銀銅材料於250°C 下燒結後,可得電阻率小於10 µΩ-cm 且晶片接著強度大於……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文


圖九、焊錫材料與黏晶材料技術之專利分布

作者:邱俊毅 / 工研院材化所
★ 本文節錄自「工業材料雜誌307期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=10439


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