A solda eutética de ouro e estanho (AuSn20, ou 80 % de ouro e 20 % de estanho em peso) é utilizada numa variedade de aplicações que exigem uma junta de solda de elevada fiabilidade e ponto de fusão elevado. Isto inclui a fixação de chips e até mesmo a fixação de tampas em embalagens cerâmicas hermeticamente seladas. Quando utilizada como liga de solda para a fixação de chips em dispositivos LED ou GaN de RF, a formação de cavidades torna-se uma questão crítica. Nestas aplicações, os chips têm de ser capazes de conduzir correntes muito elevadas (a densidades de corrente muito elevadas, devido à pequena área do chip); no entanto, para garantir a máxima vida útil do dispositivo e a máxima eficiência, devem ser mantidos a uma temperatura tão baixa quanto possível. Isto só é viável se a energia térmica na superfície do chip puder ser removida de forma eficiente (minimizando a Tj), o que significa que a transferência de calor entre o chip e a estrutura de ligação (ou submontagem) deve ser maximizada. Existem três formas bem conhecidas de o conseguir:
- Aumentar a condutividade térmica ( K) do material de fixação do chip
- Reduzir a espessura da linha de ligação (BLT) entre o chip e a estrutura de ligação
- Minimizar a micção
Note-se que existe frequentemente um compromisso entre os pontos 2 e 3, na medida em que minimizar o BLT pode aumentar a formação de vazios; por isso, de forma pragmática, utiliza-se mais frequentemente um valor mínimo de cerca de 10 micrómetros (0,4 mil). Um BLT mais pequeno também tem o efeito, muitas vezes negligenciado, de tornar não trivial a contribuição das superfícies de soldadura metalizadas a ouro, tanto no chip como na submontagem, desviando assim a liga do eutético ideal. Os detalhes do diagrama de fases ouro-estanho (conforme mostrado abaixo) ilustram os principais efeitos no liquidus (e possivelmente até no solidus) da liga à medida que o teor de ouro varia. À medida que o liquidus aumenta, aumenta também a tendência da liga para «congelar» vazios; ou seja, em vez de os vazios poderem encolher à medida que a sua pressão interna diminui e atingirem o seu tamanho mínimo natural à medida que a solda se solidifica no ponto eutético, ficam retidos dentro da liga em solidificação com um tamanho maior.
A forma mais óbvia de manter a relação ponderal entre o estanho (Sn) e o ouro (Au) em 1:4 consiste em minimizar a quantidade de ouro nas metalizações ou em ajustar o teor de estanho da solda utilizada, de modo a que se alcance a eutecticidade na junta de solda final.
Uma forma de analisar isto é a relação entre a quantidade total de ouro nas metalizações e a espessura da solda. Se a solda for uma pré-forma com uma relação de área de 1:1 em relação às superfícies a unir, então corresponde à espessura da pré-forma (ver abaixo). Esta é a «Relação da Camada de Ouro».
Com esta abordagem, o Rácio da Camada de Ouro pode ser utilizado para o orientar na escolha da melhor liga de ouro-estanho «não eutética», de modo a minimizar a formação de vazios nas juntas de solda eutéticas de ouro-estanho, utilizando as densidades da liga e do metal como base para a construção de um modelo simples para a formação das juntas de solda, conforme ilustrado abaixo.
Por exemplo, se tiver uma camada de ouro com 0,2 mícrons (200 nm) de espessura sobre níquel/tungsténio como metalização do die, e uma camada de ouro com 0,4 mm (400 nm) sobre níquel como metalização do substrato, com uma pré-forma de ouro/estanho com 15 mícrons de espessura, a proporção de ouro é de 0,04. Isto sugere que uma pré-forma fabricada com a composição Au79Sn21, fora da eutecticidade, seria a melhor escolha para minimizar a formação de vazios.
Estas ligas, normalmente com incrementos de 1,0% (AuSn21, AuSn22), estão disponíveis sob a forma de pré-formas, fio, esferas e pasta de solda e têm, naturalmente, um custo ligeiramente inferior ao das ligas AuSn20 padrão, devido ao menor teor de ouro.
Por favor, diga-nos como podemos ajudá-lo a satisfazer as suas necessidades em matéria de soldadura!
Saúde!
Andy
