釬劑可以有效地促進(jìn)釬......



釬劑可以有效地促進(jìn)釬料的鋪展?jié)櫇瘢錃堅(jiān)鼘?duì)電子產(chǎn)品長期穩(wěn)定性和使用壽命構(gòu)成極大威脅，所以焊后需嚴(yán)格清洗。而有效清洗劑氟利昂及一些碳氟化合物等產(chǎn)品嚴(yán)重破壞人類的生存環(huán)境。再說許多方面，如電子產(chǎn)品的微型化、薄型化、多功能化及接頭尺寸微細(xì)化的發(fā)展，使得釬焊及焊后清洗技術(shù)面臨更多的挑戰(zhàn)。無釬劑釬焊技術(shù)符合電子產(chǎn)品生產(chǎn)需求，將從根本上解決這些相應(yīng)的問題而成為電子產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)的主流。有關(guān)無釬劑技術(shù)的研究在國外已經(jīng)十分受重視。美國的Sandia國家實(shí)驗(yàn)室用激光加熱真空中的器件，成功地在涂覆貴金屬金的表面上實(shí)現(xiàn)了無釬劑釬焊。IBM公司在劈刀上加載超聲震蕩、用激光加熱也實(shí)現(xiàn)了無釬劑釬焊，但做超聲震蕩的劈刀易對(duì)元器件造成損害。
　　 本文利用研制的無釬劑軟釬焊系統(tǒng)，選擇真空環(huán)境采用YAG激光加熱，進(jìn)行試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)，在較低的真空度下(如5.0×10－2Pa)就可以實(shí)現(xiàn)在普通金屬銅表面的無釬劑軟釬焊。而且真空環(huán)境對(duì)無釬劑釬料在裸銅焊盤表面鋪展?jié)櫇裥袨橛刑厥獾挠绊?。另外，還對(duì)此時(shí)真空環(huán)境的無釬劑作用機(jī)理加以分析，最后將該方法成功地應(yīng)用于片式電阻元件的表面組裝中。
1　無釬劑軟釬焊系統(tǒng)
　　整套系統(tǒng)由微電子組裝真空室、真空獲得單元、激光傳輸光路單元、激光加熱單元及工作臺(tái)組成，如圖1所示。真空室門集光學(xué)觀察窗、激光透射窗及工作出入口于一體，以光學(xué)石英玻璃為激光透射材料。由直聯(lián)泵、立式分子泵組成的二級(jí)真空獲得單元滿足工作區(qū)域無塵、無油污染、無震動(dòng)、快速達(dá)到合適的真空度等要求，工作效率高。由計(jì)算機(jī)控制激光加熱功率(通過改變計(jì)算機(jī)控制D/A電流值)和激光加熱時(shí)間，根據(jù)實(shí)際需要選用合適的參數(shù)。
2　真空激光加熱無釬劑軟釬焊可行性試驗(yàn)
2.1　試驗(yàn)?zāi)Ｐ?br>　　 以相同質(zhì)量無釬劑釬料的鋪展面積作為釬料鋪展?jié)櫇裥阅茉u(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)，每次試驗(yàn)所用的釬焊量均為16.36mg(用電光分析天平精確測(cè)得)。釬料質(zhì)量比為Sn/Pb(Sn31.85%，Pb68.15%)。PCB板(Printed Circuit Board)及釬料置于真空室內(nèi)。焊盤材料為純銅，焊盤表面既沒有預(yù)鍍錫，也沒有涂敷貴金屬。如圖2所示。
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2.2　材料表面預(yù)制備
　　 材料在焊前加工和存放過程中，表面不可避免地要受到污染，因此需要焊前進(jìn)行表面預(yù)制備。其流程如下：
　　 1)砂紙打磨試件表面。去掉氧化膜并粗化表面，利于釬料的鋪展和潤濕。
　　 2)丙酮液中超聲振蕩清洗。用來去除表面所粘附的汗?jié)n、油污。
　　 3)無水乙醇液中超聲振蕩清洗。溶解表面有機(jī)物，去除試驗(yàn)材料上的水分。
　　 4)吹風(fēng)機(jī)吹干試驗(yàn)材料。
　　 5)真空凈化。在真空室中凈化掉所吸附的氣體及微細(xì)雜質(zhì)。
2.3　試驗(yàn)結(jié)果及無釬劑可行性分析
　　 激光加熱功率用激光器D/A電流值I表征，激光加熱時(shí)間用t表示。取I＝2.7A，t=1870ms。真空度變化對(duì)釬料鋪展面積的影響如圖3所示。在10－1Pa數(shù)量級(jí)真空度下，釬料熔化后并不鋪展。在10－2Pa數(shù)量級(jí)真空度下，隨著真空度的提高，液態(tài)釬料的鋪展效果越來越好，鋪展面積開始隨真空度的加大(壓強(qiáng)的減小)而不斷加大。但當(dāng)超過4.2×10－2Pa后，卻發(fā)現(xiàn)鋪展面積不再增加，反而開始下降。在2.5×10－2Pa時(shí)，鋪展面積又已經(jīng)很不理想。可以肯定真空環(huán)境能促進(jìn)釬料在母材上的鋪展?jié)櫇?。但是，根?jù)一般理論，真空度越高表面氧化膜越不穩(wěn)定而易于分解、去除。而且通常需要很高的真空度才有金屬材料表面氧化物明顯分解的現(xiàn)象發(fā)生。而本文試驗(yàn)結(jié)果卻表明，在較低真空下就可以實(shí)現(xiàn)無釬釬釬料的良好鋪展，釬料的鋪展面積也并非隨真空度的提高而增大，而是呈先升后降的趨勢(shì)。另外，在真空度上升到4.2×10－2Pa以前，真空度越高，形成良好焊點(diǎn)所需要的激光功率或加熱時(shí)間越小，但真空度繼續(xù)上升反而需要輸入較大的激光能量。
　　將真空下無釬劑釬料在裸銅焊盤表面鋪展的試驗(yàn)結(jié)果分別與用無釬劑釬料在大氣中釬焊及用含有釬劑焊錫絲釬焊的結(jié)果進(jìn)行比較，如圖4所示。可以看出，在5.0×10－2Pa真空下試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)中，尤其是在電流值為2.9A、3.0A兩種情況下，測(cè)得無釬劑釬料鋪展面積均大于用同質(zhì)量含釬劑釬料(不包括所含釬劑質(zhì)量)時(shí)的鋪展面積值。而在大氣中加熱，無釬劑釬料基本上不鋪展。當(dāng)電流值為2.7A時(shí)，在激光加熱時(shí)間較短情況下，無釬劑釬料鋪展效果不如含有釬劑的釬料的鋪度效果好。但當(dāng)激光加熱時(shí)間增大到一定值時(shí)(如1950ms)，無釬劑釬料鋪展效果就優(yōu)于含有釬料的鋪展效果。
　　 試驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，在較低真空度下，若加大激光功率或延長激光加熱時(shí)間，雖能得到較好的釬料鋪展結(jié)果，但釬料表面氧化嚴(yán)重，釬料鋪展結(jié)果隨機(jī)性大。而在較高真空下，加大激光功率或延長加熱時(shí)間，釬料也可以獲得很好的鋪展?jié)櫇瘛５?，卻降低了能源的有效利用率，并使焊盤燒損的幾率增大，易損壞被焊元器件，污染真空室。
3　真空環(huán)境的無釬劑作用機(jī)理分析
3.1　促進(jìn)釬料鋪展?jié)櫇竦年P(guān)鍵
　　 影響釬料鋪展?jié)櫇竦囊蛩睾芏?，如試樣清洗條件、有無表面活性物質(zhì)存在以及材料表面粗糙度等。但是，總的說來，一方面，材料表面氧化膜的性質(zhì)以及釬焊過程中氧化膜的去除程度決定了釬料在母材表面能否潤濕。而另一方面，釬料鋪展?jié)櫇竦某潭葎t要取決于三相界面上的熱力學(xué)作用。這兩方面成為釬料鋪展?jié)櫇竦年P(guān)鍵。
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　　 室溫下大多數(shù)金屬及合金的表面都被覆一層氧化物，直接妨礙液態(tài)釬料與基金屬的相互作用，嚴(yán)重阻礙釬料在基金屬表面的潤濕鋪展。因此，只有清除或破碎金屬表面氧化膜，才能提供有利于釬料潤濕鋪展的純金屬界面。為觀察表面氧化程度對(duì)釬焊過程的影響，進(jìn)行了如下試驗(yàn)。取三塊試驗(yàn)印制板，采用同樣的工藝流程進(jìn)行材料表面氧化膜的去除及試樣清洗。然后分別以相同條件下不同的氧化時(shí)間來獲得不同厚度的表面氧化膜。在5.0×10－2Pa真空環(huán)境下對(duì)A板立即進(jìn)行釬料潤濕性能試驗(yàn)。而B板、C板則分別在空氣中放置氧化72h和192h，再用相同的焊接規(guī)范進(jìn)行釬料潤濕性能試驗(yàn)。各個(gè)焊點(diǎn)上釬料鋪展面積如下表所示。發(fā)現(xiàn)氧化時(shí)間越長釬料鋪展面積越小。Cu表面存在少量氧化膜時(shí)，焊接過程中氧化膜在真空環(huán)境及激光加熱作用下可以自動(dòng)去除，對(duì)釬料鋪展面積的影響并不大。但釬料鋪展面積隨著氧化膜厚度的再增加以很快的速度下降。