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SMD真空无钎剂激光软钎焊试验研究与机理分析
  2008年04月25日

摘 要 无钎剂软钎焊技术可以从根本上解决因钎剂的副作用而带来的一系列问题。本文就真空无钎剂激光软钎焊可行性进行试验研究及真空的无钎剂作用机理分析,并将该技术成功地应用于片式电阻元件的表面组装中。
关键词  SMD 真空 无钎剂软钎焊

Test Research and Mechanism Analysis of Vacuum
Fluxless Laser Soldering for SMD

Feng Wufeng Wang Chunqing Li Mingyu Xie Xiaoqiu
(Harbin Institute of Technology)
Han Pengfei
(Daqing Wool Spinning Corporation)

Abstract Fluxless soldering can solve a series of problems caused by the side effect of flux essentially.The feasibility research on vacuum fluxless laser soldering and mechanism analysis on fluxless action of vacuum were carried out.What's more,this fluxless technology was applied in surface mounting of chip resistance successfully.
Keywords
  SMD Vacuum Fluxless soldering

  钎剂可以有效地促进钎料的铺展润湿,但其残渣对电子产品长期稳定性和使用寿命构成极大威胁,所以焊后需严格清洗。而有效清洗剂氟利昂及一些碳氟化合物等产品严重破坏人类的生存环境。再说许多方面,如电子产品的微型化、薄型化、多功能化及接头尺寸微细化的发展,使得钎焊及焊后清洗技术面临更多的挑战。无钎剂钎焊技术符合电子产品生产需求,将从根本上解决这些相应的问题而成为电子产品生产技术的主流。有关无钎剂技术的研究在国外已经十分受重视。美国的Sandia国家实验室用激光加热真空中的器件,成功地在涂覆贵金属金的表面上实现了无钎剂钎焊。IBM公司在劈刀上加载超声震荡、用激光加热也实现了无钎剂钎焊,但做超声震荡的劈刀易对元器件造成损害。
  本文利用研制的无钎剂软钎焊系统,选择真空环境采用YAG激光加热,进行试验研究。研究发现,在较低的真空度下(如5.0×10-2Pa)就可以实现在普通金属铜表面的无钎剂软钎焊。而且真空环境对无钎剂钎料在裸铜焊盘表面铺展润湿行为有特殊的影响。另外,还对此时真空环境的无钎剂作用机理加以分析,最后将该方法成功地应用于片式电阻元件的表面组装中。

1 无钎剂软钎焊系统

  整套系统由微电子组装真空室、真空获得单元、激光传输光路单元、激光加热单元及工作台组成,如图1所示。真空室门集光学观察窗、激光透射窗及工作出入口于一体,以光学石英玻璃为激光透射材料。由直联泵、立式分子泵组成的二级真空获得单元满足工作区域无尘、无油污染、无震动、快速达到合适的真空度等要求,工作效率高。由计算机控制激光加热功率(通过改变计算机控制D/A电流值)和激光加热时间,根据实际需要选用合适的参数。

图1 无钎剂软钎焊系统

2 真空激光加热无钎剂软钎焊可行性试验

2.1 试验模型
  以相同质量无钎剂钎料的铺展面积作为钎料铺展润湿性能评定的标准,每次试验所用的钎焊量均为16.36mg(用电光分析天平精确测得)。钎料质量比为Sn/Pb(Sn31.85%,Pb68.15%)。PCB板(Printed Circuit Board)及钎料置于真空室内。焊盘材料为纯铜,焊盘表面既没有预镀锡,也没有涂敷贵金属。如图2所示。

图2 试验模型

2.2 材料表面预制备
  材料在焊前加工和存放过程中,表面不可避免地要受到污染,因此需要焊前进行表面预制备。其流程如下:
  1)砂纸打磨试件表面。去掉氧化膜并粗化表面,利于钎料的铺展和润湿。
  2)丙酮液中超声振荡清洗。用来去除表面所粘附的汗渍、油污。
  3)无水乙醇液中超声振荡清洗。溶解表面有机物,去除试验材料上的水分。
  4)吹风机吹干试验材料。
  5)真空净化。在真空室中净化掉所吸附的气体及微细杂质。
2.3 试验结果及无钎剂可行性分析
  激光加热功率用激光器D/A电流值I表征,激光加热时间用t表示。取I=2.7A,t=1870ms。真空度变化对钎料铺展面积的影响如图3所示。在10-1Pa数量级真空度下,钎料熔化后并不铺展。在10-2Pa数量级真空度下,随着真空度的提高,液态钎料的铺展效果越来越好,铺展面积开始随真空度的加大(压强的减小)而不断加大。但当超过4.2×10-2Pa后,却发现铺展面积不再增加,反而开始下降。在2.5×10-2Pa时,铺展面积又已经很不理想。可以肯定真空环境能促进钎料在母材上的铺展润湿。但是,根据一般理论,真空度越高表面氧化膜越不稳定而易于分解、去除。而且通常需要很高的真空度才有金属材料表面氧化物明显分解的现象发生。而本文试验结果却表明,在较低真空下就可以实现无钎钎钎料的良好铺展,钎料的铺展面积也并非随真空度的提高而增大,而是呈先升后降的趋势。另外,在真空度上升到4.2×10-2Pa以前,真空度越高,形成良好焊点所需要的激光功率或加热时间越小,但真空度继续上升反而需要输入较大的激光能量。

图3 不同真空度下的铺展润湿面积

图4 真空无钎剂钎焊结果

  将真空下无钎剂钎料在裸铜焊盘表面铺展的试验结果分别与用无钎剂钎料在大气中钎焊及用含有钎剂焊锡丝钎焊的结果进行比较,如图4所示。可以看出,在5.0×10-2Pa真空下试验所获得的数据中,尤其是在电流值为2.9A、3.0A两种情况下,测得无钎剂钎料铺展面积均大于用同质量含钎剂钎料(不包括所含钎剂质量)时的铺展面积值。而在大气中加热,无钎剂钎料基本上不铺展。当电流值为2.7A时,在激光加热时间较短情况下,无钎剂钎料铺展效果不如含有钎剂的钎料的铺度效果好。但当激光加热时间增大到一定值时(如1950ms),无钎剂钎料铺展效果就优于含有钎料的铺展效果。
  试验过程中还发现,在较低真空度下,若加大激光功率或延长激光加热时间,虽能得到较好的钎料铺展结果,但钎料表面氧化严重,钎料铺展结果随机性大。而在较高真空下,加大激光功率或延长加热时间,钎料也可以获得很好的铺展润湿。但是,却降低了能源的有效利用率,并使焊盘烧损的几率增大,易损坏被焊元器件,污染真空室。

3 真空环境的无钎剂作用机理分析

3.1 促进钎料铺展润湿的关键
  影响钎料铺展润湿的因素很多,如试样清洗条件、有无表面活性物质存在以及材料表面粗糙度等。但是,总的说来,一方面,材料表面氧化膜的性质以及钎焊过程中氧化膜的去除程度决定了钎料在母材表面能否润湿。而另一方面,钎料铺展润湿的程度则要取决于三相界面上的热力学作用。这两方面成为钎料铺展润湿的关键。
  室温下大多数金属及合金的表面都被覆一层氧化物,直接妨碍液态钎料与基金属的相互作用,严重阻碍钎料在基金属表面的润湿铺展。因此,只有清除或破碎金属表面氧化膜,才能提供有利于钎料润湿铺展的纯金属界面。为观察表面氧化程度对钎焊过程的影响,进行了如下试验。取三块试验印制板,采用同样的工艺流程进行材料表面氧化膜的去除及试样清洗。然后分别以相同条件下不同的氧化时间来获得不同厚度的表面氧化膜。在5.0×10-2Pa真空环境下对A板立即进行钎料润湿性能试验。而B板、C板则分别在空气中放置氧化72h和192h,再用相同的焊接规范进行钎料润湿性能试验。各个焊点上钎料铺展面积如下表所示。发现氧化时间越长钎料铺展面积越小。Cu表面存在少量氧化膜时,焊接过程中氧化膜在真空环境及激光加热作用下可以自动去除,对钎料铺展面积的影响并不大。但钎料铺展面积随着氧化膜厚度的再增加以很快的速度下降。

表 不同氧化程度下的钎料铺展面积

序号 氧化时间
t/h
激光加热
电流值I/A
激光加热
时间t/ms
铺展面积
S/mm2
1 0 2.7 1870 8.724
2 72 2.7 1870 7.453
3 192 2.7 1870 3.183

  而且,钎料的润湿铺展过程不是一个简单的附着过程,而是一个有化学反应发生的复杂过程,是一个界面自由能降低的过程。钎料铺展润湿的程度主要取决于液、固、气三相界面的热力学作用,因为钎料润湿三相接触线的移动由三相系统的表面张力决定。以往钎焊时钎剂的作用也是去除金属表面氧化膜,改变三相接触线表面张力状态促进钎料的润湿。
3.2 真空环境下材料的表面氧化膜行为
  由文献[3]、[8]及[9]得出的真空条件具有如下的保护材料表面及去除氧化膜作用:
  ①保护作用。真空下元器件不会出现增碳及污染变质等问题而阻碍钎料铺展。
  ②除气、改善作用。基金属和钎料周围存在低压,能够排除金属在钎焊温度下挥发出来的挥发性气体或杂质,可以使基金属的性能得到改善,利于钎料铺展。
  ③真空状态降低了真空室内的氧分压,导致氧化物的不稳定。按照理论计算,氧化物分解所需的真空度是极高的。试验中实际采用的真空度要低得多,不能期望氧化物自行分解。但是,真空环境使氧化膜处于不稳定、易于去除的状态。
  ④净化作用。真空环境下还原、挥发或溶解等多重作用,有助于去除元器件表面氧化物,可以使金属表面活性增强,利于钎料的润湿。
  ⑤蒸发作用。真空环境不单单是造成氧化物的不稳定,还有利于某些易挥发物质的蒸发。这种蒸发能净化金属表面、破坏金属表面氧化膜,使之变成混合物或低价氧化物而被抽走。
  ⑥真空下液态钎料的吸附作用使氧化膜强度下降,并由于热物理性能不同而破碎,弥散溶入钎料中。
  由于真空能促成一些中性气体中所没有的去膜过程的进行,所以能得到更好的去膜效果。此外,真空还能够消除气体介质钎焊时在焊缝中形成气孔的可能性。
3.3 真空对钎料铺展固液界面行为的影响
  真空下液态Sn-Pb钎料在Cu表面的铺展,构成了一个由固、液、气相(真空)组成的三相界面体系。从热力学的观点来看,钎料的铺展行为要取决于润湿三相系统吉布斯自由能的降低。当系统中存在两种介质的界面(表面)时,热力学基本公式为:

dG=-SdT+VdP+γdA+μdN  (1)

式中:G——吉布期自由能;
T——绝对温度;
S——熵值;
N——组份质量;
μ——组份化学势;
dA——表面面积增量;
γ——表面张力。
  所以说钎料铺展润湿的程度如何要取决于三相接触线表面张力(或界面张力)对液态熔融钎料的综合作用。各主要工艺参数对界面张力的影响最终决定了钎料的铺展程度。图5为钎料铺展润湿热力学模型。

图5 三相接触线界面张力作用

  (2)

式中:γSG——固气界面张力;
γLG——液气界面张力;
γSL——固液界面张力;
θ——接触角。
  这是T.Young在1805年提出的著名的杨氏方程。可以看出,三相线的移动、钎料对母材的润湿取决于具体条件下的三相相互作用。γSG增大、γLG及γSL减小,都能使cosθ增大,使铺展面积增大,改善润湿性。从物理意义上说,γLG减小意味着液体内部原子对表面原子的吸引力减弱,液体原子容易克服自身引力趋向表面,使表面积扩大、钎料容易铺展。γSL减小,表明固体对液体原子的吸引力增大,使液体内部的原子容易被拉向固-液界面,即容易铺展。
  真空下Cu金属表面张力(固-气界面张力)γSG增大。表面原子外侧缺少原子或分子之间的相互作用,表面附近分子的平衡位置受到表面的影响,会产生移动。当表面以外是更稀松的介质如气体时,来自内部的吸引力大于来自外部的,平衡位置将向内移动如图6所示。图中:(a)表示和真空相接的固体Cu表面,表面层a及第二层b之间的距离比内部的层间距d-e小得多;(b)表面和气体相接的固体表面,层间距A和B大于a-b;(c)表示和Sn-Pb钎料液气系统相接的固体表面,液体下的层间距D-E大于气体下的A-B。三相接触线区(t)中,固体表面层在A和D之间。真空下来自Cu表层内部的引力远大于来自外部的,即真空下γSG增大。

图6 铜表面附近各分子层示意图

  另外,尽管真空对Cu和液态Sn-Pb钎料的界面张力γSL影响很小,但是都对液气界面张力γLG影响很大。真空状态下,γLG表现为液态钎料对真空环境的界面张力。实质上,在真空状态下,尤其是在真空度较高时,液态钎料蒸发。这时的γLG应具体体现为液态Sn-Pb钎料与其蒸气之间的界面张力。随温度和真空度的升高,蒸气密度加大,从而增加了表面分子的引力,气液两相密度差值变小。而气液界面形成单位面积体系能量增值US为:

  (3)

式中:NL——液体单位体积中的分子数;
NG——蒸气相单位体积中的分子数;
rL——液体中分子间的平衡距离;
A——Van Der Walls引力常数。
  即使在分子引力常数A与温度无关的情况下,温度上升、真空度加大总使(NL-NG)变小和rL变大,两者均以平方形式出现,故US必变小,液气界面张力γLG值变小。
  由TYoung方程,γLG变小和γSG增大都使接触角变小、铺展面积变大,于是真空下无钎剂钎料在基金属铜表面得到良好的润湿。
3.4 利于钎料铺展的真空度最佳值
  真空条件有利于无钎剂钎料的铺展。但是钎料的铺展面积并不是随真空度的增高而一直增大,到了一定真空度以后(如上文试验中的4.2×10-2Pa)铺展面积值开始下降。试验结果表明存在着真空度的最佳值。这一真空度最佳值远远高于氧化物的分解压。分析这一最佳值产生的原因,在于真空的去膜作用与真空下钎料蒸发作用的共同作用结果。这一最终结果决定了钎料的铺展行为。在低真空时,真空去膜作用小同时钎料蒸发也小。钎料铺展面积主要随着真空度的增加而增加。在较高真空时,去膜作用已经达到了一定水平,不再有明显的增强。而液态钎料的蒸发却因真空度的增高而加剧。钎料显著蒸发的结果是消耗了部分加热能量,此时输入的能量不足以使钎料充分润湿,所以钎料的铺展面积反而减小。
  在高真空下如果加大激光功率或延长加热时间,也就是增大激光输入总能量以弥补因钎料元素显著蒸发而产生的能量损耗,钎料也可以获得良好的铺展。例如,真空度为2.2×10-2Pa时采用I=2.8A、t=1950ms规范进行钎焊试验,结果钎料的铺展面积为13.770mm2。在2.4×10-2Pa时采用I=2.9A、t=1640ms规范进行钎焊试验,结果钎料的铺展面积为12.694mm2。钎料的铺展情况都很不错。但在激光加热过程中观察发现,复合真空计指针明显发生大幅度的摆动。这表明钎料元素蒸发严重。同时,加大激光输入能量容易损坏被焊元器件。一般认为,这种强规范不可取。

4 在表面组装中的应用

  被焊元器件分别为片式贴装电阻473和823(电阻值分别为47kΩ和82kΩ)。钎料仍为上文所述的无钎剂Sn-Pb钎料。图7为片式电阻的结构及所设计的裸铜焊盘几何形状。接头形式如图8。

a)片式电阻     b)焊盘
图7 贴装电阻的结构及焊盘形状

图8 表面组装电阻及其钎焊接头形式示意图

  片式电阻无钎剂表面组装工艺流程为:
  1)焊盘和贴装电阻材料表面预制备。去除表面氧化膜及杂质及表面污染附着物。
  2)贴装电阻定位,放置无钎剂钎料。
  3)加热钎焊。真空度5.0×10-2Pa,激光加热时间1020ms,电流值2.8A。
  4)取出元件,观察、检测接头质量。
  入射激光与Cu焊盘成40°至60°角。此时,激光加热使钎料熔化,同时在焊盘和元件金属化端都形成合适的温度场,钎料才能很好地润湿焊盘和元件金属化端,形成优质接头,而且有效地利用了激光能量。
  显微镜下观察所得钎焊接头,发现钎料在焊盘金属Cu和片式电阻金属化端的润湿性均良好,接头成型好,表面光亮、无氧化现象发生。从接头形状上看,接头呈较理想的凹形,这种接头的内应力较小,焊点热疲劳寿命长,保证了元件的长期使用寿命及可靠性。因为所用的钎料是无钎剂钎料,钎焊过程中没有引入具有腐蚀性的介质,所以保证了钎焊接头的使用寿命和工作可靠性。

5 结论

  5.1 试验结果表明,真空下无钎剂Sn-Pb钎料可以在裸铜焊盘表面很好地润湿,该工艺条件下,可以实现无钎剂钎焊。钎料铺展面积随着真空度的增高先增大而后逐渐减小。合适的无钎剂钎焊真空度并不高,在10-2Pa。
  5.2 从材料表面的氧化膜行为及三相界面热力学作用这两个决定钎料铺展行为的关键出发,分析了真空下激光加热的无钎剂钎焊机理。
  5.3 对片式表面贴装电阻成功地进行无钎剂钎焊。此项技术彻底避免了应用钎剂的不利影响,实现了在普通常用金属Cu表面的无钎剂钎焊,具有很强的实际应用价值。

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