真空回流焊接搪錫去金工藝探究

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摘要：在航天產品微組裝工藝中，錫鉛焊料因其具有優異的焊接性能和高可靠性的特點而被廣泛使用。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”現象，造成產品失效，故需在焊接前對焊盤進行搪錫去金處理，提升焊點及產品的可靠性。介紹了某微波組件真空回流焊接中對微帶板表貼焊盤進行搪錫去金處理的工藝方法，經試驗驗證該工藝有效提升了焊點的長期可靠性。

關鍵詞：金脆；搪錫去金；絲網印刷；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℃）實現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，根據航空航天等軍工行業標準，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間，提升焊點的微觀形貌，降低缺陷的產生[1]。其中錫鉛焊料由于其潤濕性好、焊接性能優、回流溫度低、焊點表面光澤、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品焊接用軟釬料。金元素由于具有化學性質不活潑、抗氧化能力強、表面平整、潤濕性能好、耐磨以及導電性能優異等一系列優點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/金結構，釬焊的實質是焊料中的錫與焊盤中的鎳層發生界面反應，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被氧化，又可以降低生產成本；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境。而在軟釬焊過程中，鍍金層會與錫反應生成脆性的金錫化合物。當脆性的金錫金屬間化合物集中在焊接界面時，會顯著降低焊接的界面強度，進而影響焊點的機械性能和長期可靠性[4]。因此，在航空航天產品的微組裝工藝中，為提升產品可靠性，需要對電路板鍍金焊盤（厚金）進行去金處理，以避免發生“金脆”現象。

2搪錫去金

2.1“金脆”機理。在軟釬焊時，由于溫度升高，焊料受熱熔融，在被焊接金屬表面潤濕并向固體金屬擴散。由于錫和金的相容性非常好，并且金在錫中溶解速率很快，當鍍金層直接與錫鉛焊料相接觸時，金原子最先熔解到焊料中并與焊料中的錫相結合，形成金錫合金。而金錫合金AuSn4與錫元素二者晶格相似，比較容易發生從錫向金錫合金相的相變轉化，AuSn4相可以快速形成和生長[1,5]。金錫金屬間化合物AuSn4會使焊點機械性能變脆，力學強度減弱，是產生金脆的主要原因，進而影響電氣連接的可靠性。近年來也有學者研究認為含金錫鉛焊接會在焊點生成連續脆性層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Au原子擴散進入Cu6Sn5層時形成Cu6Sn5、Au6Sn5、Ni6Sn5，阻礙脆性AuSn4、NiSn4層的形成，抑制“金脆”的發生[6]。一般認為，當錫鉛焊點內金的含量達到3%wt時[7]，焊點微觀組織粗化、生成孔洞，宏觀上產生虛焊、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去金工藝標準。為了避免發生“金脆”，在釬焊前應對鍍金焊盤及引線經過搪錫去金處理，去金的次數由焊盤及引線的鍍金層厚度決定。去金的總原則包括[8]：必須用動態波峰焊的雙鍍錫工藝適當去金；對于準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，就不需要進行去金；表貼器件則至少要從95%以上的待釬焊表面上去金。結合行業內的去金工藝標準要求，通常認為當焊盤或引線鍍金層厚度超過1.27μm時，需要至少進行一次搪錫去金處理，如果鍍金層厚度超過2.5μm，則需要進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行去金，先將鍍金引線浸入去金錫鍋中2~3s進行去金，待焊點冷卻后再將引線浸入搪錫錫鍋中進行搪錫處理。回流焊搪錫去金是對鍍金元器件通過返修工作站的回流焊工藝進行搪錫處理，實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，從而實現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。航空航天電子產品常呈現小批量、多品種器件的特點，因此對元器件也應采取有針對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發生“金脆”現象，需對表貼焊盤進行搪錫去金處理。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：先利用絲網印刷網版在相應的表貼焊盤上印刷焊膏，接著使用熱臺加熱多層微帶板，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（需配合使用印刷網版，防止焊錫飛濺到鍵合焊盤），從而達到搪錫去金的目的。由于焊盤鍍金層厚度2~3μm，并且對一次搪錫去金后的去金效果不容易做分析檢測，我們直接重復上述步驟進行二次搪錫處理。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印刷焊膏，并在焊盤貼裝相應的表貼元器件，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。對真空回流焊接后的焊點進行形貌觀察，結果如圖3所示，焊點飽滿、明亮、光滑，潤濕良好。由于冷熱溫差較大和帶有加速度的振動是焊點發生“金脆”失效最大的外部條件，故對溫沖/隨機振動試驗前后的焊點強度進行對比分析。表1、2為溫沖/隨機振動試驗的具體參數，表3為回流焊接后和溫沖/隨機振動試驗后焊點的剪切力對比結果，溫沖/隨機振動試驗后的焊點剪切力與回流焊接后相差不大，并均遠高于標準剪切力要求。焊點經剪切力試驗后的斷裂形貌如圖4所示，部分是在焊點中發生斷裂，其余則是在表貼元器件的端頭發生破裂，并且溫沖/隨機振動試驗前后焊點的剪切力斷裂形貌基本無差異。經過溫沖和隨機振動試驗后的焊點截面掃描電鏡結果如圖5(a)所示，焊接界面致密，界面結合良好。對焊點中金屬間化合物界面層和錫/鉛焊料層進行元素能譜分析，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量分數均在3%以下。

4結論

本文介紹了在對某微波組件真空回流焊接過程中，對微帶板表貼焊盤進行搪錫去金處理的工藝方法。在經過溫沖/隨機振動試驗后，焊點剪切力無明顯差異，通過SEM和能譜圖分析可知，金元素質量分數低于業界要求的3%，焊點中亦無脆性金屬間化合物生長和開裂的現象，搪錫去金處理工藝提升了焊點的長期可靠性。

參考文獻：

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