真空回流焊接搪錫去金工藝探究

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摘要：在航天產(chǎn)品微組裝工藝中，錫鉛焊料因其具有優(yōu)異的焊接性能和高可靠性的特點(diǎn)而被廣泛使用。但在微波組件真空回流焊接中，錫鉛合金與鍍金焊盤生成脆性的金屬間化合物，引起“金脆”現(xiàn)象，造成產(chǎn)品失效，故需在焊接前對(duì)焊盤進(jìn)行搪錫去金處理，提升焊點(diǎn)及產(chǎn)品的可靠性。介紹了某微波組件真空回流焊接中對(duì)微帶板表貼焊盤進(jìn)行搪錫去金處理的工藝方法，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該工藝有效提升了焊點(diǎn)的長(zhǎng)期可靠性。

關(guān)鍵詞：金脆；搪錫去金；絲網(wǎng)印刷；真空回流焊接

1引言

在微組裝工藝中，一般通過軟釬焊工藝（焊料液相線溫度低于450℃）實(shí)現(xiàn)表貼元器件與電路板、電路板與殼體的互連以及連接器與殼體的裝配，根據(jù)航空航天等軍工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，軟釬焊料通常采用錫鉛、錫鉛銀、錫鉛鉍、錫鉛銦等含鉛高可靠性共晶焊料，以減少熔融焊料的冷卻時(shí)間，提升焊點(diǎn)的微觀形貌，降低缺陷的產(chǎn)生[1]。其中錫鉛焊料由于其潤(rùn)濕性好、焊接性能優(yōu)、回流溫度低、焊點(diǎn)表面光澤、孔隙率少和成本低廉、工藝成熟等特性，常作為高可靠航天電子產(chǎn)品焊接用軟釬料。金元素由于具有化學(xué)性質(zhì)不活潑、抗氧化能力強(qiáng)、表面平整、潤(rùn)濕性能好、耐磨以及導(dǎo)電性能優(yōu)異等一系列優(yōu)點(diǎn)而常常被作為電子元器件的電極引線及電路板焊盤的表面鍍層。電子行業(yè)中的鍍金層主要有3種用途[2-3]：一是金屬絲鍵合用鍍金，因金屬絲是通過熱壓或超聲鍵合在電路板的焊盤鍍金層上，故要求采用較厚的鍍金層；二是元器件焊接用鍍金層，電路板的焊盤一般是銅/鎳/金結(jié)構(gòu)，釬焊的實(shí)質(zhì)是焊料中的錫與焊盤中的鎳層發(fā)生界面反應(yīng)，鍍金層的主要功能是防止鎳層表面被氧化，采用較薄的鍍金層既可以確保鎳表面不會(huì)被氧化，又可以降低生產(chǎn)成本；三是鍍硬金,一般要求金層采用較高的鍍層厚度和具有較好的耐磨性能，以適用于多次插拔的工作環(huán)境。而在軟釬焊過程中，鍍金層會(huì)與錫反應(yīng)生成脆性的金錫化合物。當(dāng)脆性的金錫金屬間化合物集中在焊接界面時(shí)，會(huì)顯著降低焊接的界面強(qiáng)度，進(jìn)而影響焊點(diǎn)的機(jī)械性能和長(zhǎng)期可靠性[4]。因此，在航空航天產(chǎn)品的微組裝工藝中，為提升產(chǎn)品可靠性，需要對(duì)電路板鍍金焊盤（厚金）進(jìn)行去金處理，以避免發(fā)生“金脆”現(xiàn)象。

2搪錫去金

2.1“金脆”機(jī)理。在軟釬焊時(shí)，由于溫度升高，焊料受熱熔融，在被焊接金屬表面潤(rùn)濕并向固體金屬擴(kuò)散。由于錫和金的相容性非常好，并且金在錫中溶解速率很快，當(dāng)鍍金層直接與錫鉛焊料相接觸時(shí)，金原子最先熔解到焊料中并與焊料中的錫相結(jié)合，形成金錫合金。而金錫合金AuSn4與錫元素二者晶格相似，比較容易發(fā)生從錫向金錫合金相的相變轉(zhuǎn)化，AuSn4相可以快速形成和生長(zhǎng)[1,5]。金錫金屬間化合物AuSn4會(huì)使焊點(diǎn)機(jī)械性能變脆，力學(xué)強(qiáng)度減弱，是產(chǎn)生金脆的主要原因，進(jìn)而影響電氣連接的可靠性。近年來也有學(xué)者研究認(rèn)為含金錫鉛焊接會(huì)在焊點(diǎn)生成連續(xù)脆性層AuSn4、NiSn4和Ni3Sn4，引起“金脆”。而焊盤銅箔基體的Cu原子可以與Sn形成Cu6Sn5，當(dāng)Au原子擴(kuò)散進(jìn)入Cu6Sn5層時(shí)形成Cu6Sn5、Au6Sn5、Ni6Sn5，阻礙脆性AuSn4、NiSn4層的形成，抑制“金脆”的發(fā)生[6]。一般認(rèn)為，當(dāng)錫鉛焊點(diǎn)內(nèi)金的含量達(dá)到3%wt時(shí)[7]，焊點(diǎn)微觀組織粗化、生成孔洞，宏觀上產(chǎn)生虛焊、失去光澤、呈多顆粒狀、延展性能下降、脆化甚至造成早期開裂。2.2去金工藝標(biāo)準(zhǔn)。為了避免發(fā)生“金脆”，在釬焊前應(yīng)對(duì)鍍金焊盤及引線經(jīng)過搪錫去金處理，去金的次數(shù)由焊盤及引線的鍍金層厚度決定。去金的總原則包括[8]：必須用動(dòng)態(tài)波峰焊的雙鍍錫工藝適當(dāng)去金；對(duì)于準(zhǔn)備使用波峰焊接的通孔插入式元器件，如果引線上的鍍金層厚度在2.5μm以內(nèi)，就不需要進(jìn)行去金；表貼器件則至少要從95%以上的待釬焊表面上去金。結(jié)合行業(yè)內(nèi)的去金工藝標(biāo)準(zhǔn)要求，通常認(rèn)為當(dāng)焊盤或引線鍍金層厚度超過1.27μm時(shí)，需要至少進(jìn)行一次搪錫去金處理，如果鍍金層厚度超過2.5μm，則需要進(jìn)行兩次搪錫去金處理[9]。2.3去金工藝方法。電烙鐵手工搪錫去金、手工雙錫鍋搪錫去金、回流焊搪錫去金是常用的去金處理工藝方法[10]。電烙鐵手工搪錫需先選擇合適形狀的烙鐵頭，再在300℃左右處理2~3s，最后再配合使用吸錫帶吸除焊盤或引線表面的熔融焊料。手工雙錫鍋搪錫去金是指采用焊料熔液進(jìn)行去金，先將鍍金引線浸入去金錫鍋中2~3s進(jìn)行去金，待焊點(diǎn)冷卻后再將引線浸入搪錫錫鍋中進(jìn)行搪錫處理。回流焊搪錫去金是對(duì)鍍金元器件通過返修工作站的回流焊工藝進(jìn)行搪錫處理，實(shí)際上先是在鍍金表面貼裝器件端頭搪錫上錫鉛焊料，然后在高溫條件下用吸錫帶吸除元器件端頭的焊料，從而實(shí)現(xiàn)鍍金元器件去金的目的。

3真空回流焊接去金工藝

3.1表貼焊盤去金。航空航天電子產(chǎn)品常呈現(xiàn)小批量、多品種器件的特點(diǎn)，因此對(duì)元器件也應(yīng)采取有針對(duì)性的搪錫去金工藝方法。在某航天微波組件中，由于微帶板的表貼焊盤和鍵合焊盤鍍金層厚度均為2~3μm，為避免表貼焊盤焊點(diǎn)發(fā)生“金脆”現(xiàn)象，需對(duì)表貼焊盤進(jìn)行搪錫去金處理。考慮到多層微帶板有較多的表貼焊盤，若采用常規(guī)電烙鐵手工搪錫的方法，工作量巨大并且無法保證去金效果的一致性。參考回流焊搪錫去金工藝對(duì)表貼元器件端頭的去金處理方法，采用相似的搪錫去金工藝：先利用絲網(wǎng)印刷網(wǎng)版在相應(yīng)的表貼焊盤上印刷焊膏，接著使用熱臺(tái)加熱多層微帶板，待焊盤表面焊料融化2~3s后取下微帶板，再使用電烙鐵和吸錫帶吸除表貼焊盤的焊料（需配合使用印刷網(wǎng)版，防止焊錫飛濺到鍵合焊盤），從而達(dá)到搪錫去金的目的。由于焊盤鍍金層厚度2~3μm，并且對(duì)一次搪錫去金后的去金效果不容易做分析檢測(cè)，我們直接重復(fù)上述步驟進(jìn)行二次搪錫處理。焊盤的去金工藝流程如圖1所示。3.2真空回流焊接。將表貼焊盤去金后的微帶板再次絲網(wǎng)印刷焊膏，并在焊盤貼裝相應(yīng)的表貼元器件，裁剪焊片并將裝配完成后的組件送入真空回流焊接爐進(jìn)行回流焊接。真空回流焊接流程圖如圖2所示。3.3分析與檢測(cè)。對(duì)真空回流焊接后的焊點(diǎn)進(jìn)行形貌觀察，結(jié)果如圖3所示，焊點(diǎn)飽滿、明亮、光滑，潤(rùn)濕良好。由于冷熱溫差較大和帶有加速度的振動(dòng)是焊點(diǎn)發(fā)生“金脆”失效最大的外部條件，故對(duì)溫沖/隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)前后的焊點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析。表1、2為溫沖/隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的具體參數(shù)，表3為回流焊接后和溫沖/隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)后焊點(diǎn)的剪切力對(duì)比結(jié)果，溫沖/隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)后的焊點(diǎn)剪切力與回流焊接后相差不大，并均遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)剪切力要求。焊點(diǎn)經(jīng)剪切力試驗(yàn)后的斷裂形貌如圖4所示，部分是在焊點(diǎn)中發(fā)生斷裂，其余則是在表貼元器件的端頭發(fā)生破裂，并且溫沖/隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)前后焊點(diǎn)的剪切力斷裂形貌基本無差異。經(jīng)過溫沖和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)后的焊點(diǎn)截面掃描電鏡結(jié)果如圖5(a)所示，焊接界面致密，界面結(jié)合良好。對(duì)焊點(diǎn)中金屬間化合物界面層和錫/鉛焊料層進(jìn)行元素能譜分析，如圖5(b)、(c)所示，界面層主要是由鎳錫化合物和小部分金錫化合物組成，錫/鉛焊料層中含有極少量的金元素，界面層和錫/鉛焊料層中金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在3%以下。

4結(jié)論

本文介紹了在對(duì)某微波組件真空回流焊接過程中，對(duì)微帶板表貼焊盤進(jìn)行搪錫去金處理的工藝方法。在經(jīng)過溫沖/隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)后，焊點(diǎn)剪切力無明顯差異，通過SEM和能譜圖分析可知，金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于業(yè)界要求的3%，焊點(diǎn)中亦無脆性金屬間化合物生長(zhǎng)和開裂的現(xiàn)象，搪錫去金處理工藝提升了焊點(diǎn)的長(zhǎng)期可靠性。

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作者:張建 金家富 張麗 李安成 汪秉慶 單位:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所