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2021
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1引言
金元素由于化學穩定性好、不易氧化等特點，被廣泛應用于電子元器件的電極或焊盤的表面鍍層。航天產品印制板組件生產中，電子元器件通常采用錫鉛共晶合金（Sn63Pn37）軟釬焊的方法裝聯到印制板上。在焊接鍍金元器件過程中，焊點中會形成Au-Sn金屬間化合物（IMC,intermetallic compound），其維氏硬度高達750，呈現明顯脆硬性，這種化合物的存在將導致焊點力學性能大幅下降，嚴重影響電氣連接的可靠性。一般焊點中由于存在Au-Sn化合物而發生脆性斷裂失效的現象稱為“金脆”[1]。研究認為，Au-Sn化合物中當金的含量達到3%時，“金脆”現象會十分明顯[2]。
對于航天產品，環境要求苛刻且可靠性要求很高，“金脆”現象嚴重影響產品服役期間的可靠性和使用壽命。目前，國內外軍工標準中，為防止“金脆”現象，都規定了鍍金的元器件必須經過去金搪錫處理后方可焊接[3～8]。對鍍金表面的處理問題已經明確提出，并作為禁（限）用工藝項目重點關注。
QFN（Quad Flat No-lead）封裝芯片是一種典型的無引線表貼元器件，其結構特點有別于FP/QFP芯片等帶有引線的元器件，去金搪錫工作目前存在以下難點：
a.在沒有特殊工具夾持情況下，無法直接使用錫鍋進行去金搪錫；
b.手工搪錫，依賴于操作人員的熟練程度，去金搪錫效果一致性差，生產率低；
c.焊盤密度高、間距小，手工去金搪錫易產生橋連。
因此，選取具有代表性的QFN封裝芯片，對其去金搪錫工藝技術進行研究，設計不依賴操作人員個體技術水平的去金搪錫工藝方法，對提高生產效率及產品可靠性具有重要意義。
2去金搪錫工藝方法研究
在電子裝聯行業中，焊盤（或電極）帶有鍍金層的無引線表貼元器件進行去金搪錫主要有三種方法：電烙鐵手工搪錫、錫鍋搪錫和返修工作站搪錫，三種方法對比如表1所示。
從表1中的對比可以看出，使用手工電烙鐵對鍍金焊盤的去金搪錫缺點很多，但目前仍是無引線表貼元器件去金搪錫的主要方法；而使用返修工作站進行去金搪錫的方法，盡管存在對元器件熱沖擊小等優點，但是對于宇航產品使用的元器件來說，多次經歷再流焊卻將極大程度降低元器件的可靠性。因此，根據元器件尺寸和結構研制合適的工裝夾持并保護元器件，使用錫鍋對鍍金焊盤去金搪錫，是航天產品更為合適的工藝方法。
圖1為典型的QFN封裝芯片，是六面體結構，底面有陣列焊盤。根據器件結構特點研制的搪錫工裝如圖2所示，工裝采用不銹鋼材料制成，主要由導軌、下托機構、立柱、元器件托板和施壓手柄等組成。其中，元器件托板采用上下夾持芯片的結構形式，下托機構可在導軌上移動，立柱使器件能懸于錫鍋上方，向下按施壓手柄可使元器件浸入錫鍋，完成去金搪錫。
使用工裝夾持QFN器件浸入錫鍋進行去金搪錫，搪錫溫度、時間等參數參考元器件手冊設定。搪錫結果如圖3所示，有部分焊盤未能上錫。
分析原因，兩方面因素造成這種結果。首先，由于不銹鋼材料不與熔融鉛錫合金反應，在表面張力作用下，熔融鉛錫合金不能在凸臺附近鋪展；其次，在對施壓手柄施加壓力使器件托板浸入液面過程中，必然導致液面下殘留少量空氣，同時，助焊劑受熱過程中產生少量氣體，影響部分焊盤的去金搪錫。
為解決去金搪錫過程中，氣體因素對焊盤上錫的影響，需要保證焊接過程中及時排出氣體，以免氣體堆積影響焊盤去金搪錫。根據這一要求，采用局部波峰焊機，并設計尺寸合適的噴嘴，使得形成的焊料波峰足以接觸QFN封裝芯片的兩排焊盤。在搪錫過程中，勻速移動元器件，依靠波峰噴涌的力量使去金搪錫過程中產生的氣體及時排出，從而實現所有焊盤的上錫。
搪錫工裝改進后配合局部波峰焊機進行去金搪錫，如圖4所示。搪錫結果如圖5所示，使用局部波峰焊搪錫后，幾乎所有焊盤均上錫，僅有在凸臺位置的幾個焊盤未能上錫。證明這種方法應是可行的，對于未能上錫的少數焊盤，可以在去金搪錫過程中使凸臺附近的焊盤在波峰停留短暫時間，以便于焊盤上錫。
3去金搪錫效果檢測
在元器件去金搪錫試驗后，使用光學顯微鏡僅能從宏觀上檢查是否有未除盡的金元素，無法量化金元素質量分數，需要采用能譜分析的方法，測量金元素質量分數。
3.1光學顯微鏡檢驗
使用局部波峰焊機進行去金搪錫制備的試樣如圖6所示，使用光學顯微鏡檢查結果：a.焊盤完全上錫，無金黃色未去除干凈的部位；b.搪錫焊盤表面潤濕良好，無毛刺、無拉尖現象，錫層厚度均勻，無殘渣和焊劑粘附；c.焊盤間無搪錫橋連；d.搪錫的元器件外觀無損傷、無刻痕，漆層完好，無燒焦、脫落現象，元器件的型號、規格、標志應清晰。
3.2能譜分析檢測金元素質量分數
樣件進行金相剖切后，顯微照片與掃描電鏡照片如圖7所示。
對焊盤合金層檢測如圖8所示，去金后，可能含有Au元素的是Sn/Ni合金層和Sn/Pb層，對焊盤這兩層的能譜分析如圖9所示。
對試驗樣件中任選的不少于10個焊盤進行檢測，結果表明所測焊盤中Au元素重量百分比均在1%以下。
4結束語
本文介紹了QFN封裝芯片無引線表貼元器件去金搪錫的工藝方法，可有效去除焊盤的鍍金層，使金元素質量分數控制在1%以下，達到各軍用標準中的要求，為避免焊接后焊點中出現“金脆”現象提供保證，可極大提高產品在服役期間的可靠性。
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