SMD真空无钎剂激光软钎焊试验研究与机理分析

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钎剂可以有效地促进钎......



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。
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。
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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。
　　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。
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　　 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。