一種混合厚膜電路引線繞焊技術(shù)

周峻霖，夏俊生，侯育增，肖勇兵

（華東光電集成器件研究所，安徽 蚌埠 233042）

1 引言

厚膜電源電路包括航天、航空領(lǐng)域各類固態(tài)開關(guān)、伺服電機控制電路、雷達(dá)組件所用的各類固態(tài)功率放大器、大功率電源系統(tǒng)以及其他軍用交換機電源系統(tǒng)、DC/DC、DC/AC交換器系統(tǒng)等等，這些電路輸出功率密度很大，在常溫條件下基本都達(dá)到20W/in3，屬于大功率電路。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，厚膜電源電路越來越向小型化、多功能、大功率方向發(fā)展，傳統(tǒng)的厚膜工藝技術(shù)已無法適應(yīng)電源電路的大功率要求，因此我們迫切需要進(jìn)行相關(guān)厚膜工藝技術(shù)攻關(guān)，以滿足越來越迫切的市場需求。

材料的連接在微電子器件的封裝和組裝制造中是關(guān)鍵工藝之一，由于材料尺寸極其微細(xì)，連接的過程時間非常短、要求很高的能量控制和尺寸位置控制精度，在連接過程中體現(xiàn)出許多的特殊性，其研究已經(jīng)成為一門較為獨立的學(xué)科方向——微連接（微電子焊接）。微電子引線焊接既是電子制造中的關(guān)鍵工藝技術(shù)，又是決定電子產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)。而另一方面，引線焊接又是電子生產(chǎn)工藝中研究最為薄弱之處，在電子器件或電子整機的所有故障原因中，約70%以上為焊點失效所導(dǎo)致。隨著電子制造繼續(xù)向高性能、高可靠性、小型化、薄型化、低成本并滿足環(huán)保要求的方向發(fā)展，相關(guān)的引線連接技術(shù)也必須符合這種趨勢。

2 外引線繞焊技術(shù)

2.1 外引線繞焊技術(shù)研究的迫切性與實際需要

由于功率電源類產(chǎn)品工作溫度較高，組件安裝時的加工溫度也很高，往往達(dá)到300℃左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過低溫焊料的加工溫度。為提高整件組裝及產(chǎn)品工作時外引線的可靠性，應(yīng)進(jìn)行低溫焊接工藝優(yōu)化，并有選擇地引入高溫焊接材料，進(jìn)行外引線焊接技術(shù)研究，保證外引線可耐高溫。

當(dāng)前功率電路基板與功率外殼互連多采用常規(guī)鍍銀銅線焊接，由于焊接熔點低，在用戶使用過程中存在可靠性隱患。因此，一方面要對外引線繞焊進(jìn)行工藝研究，同時要對鍍銀銅線的高溫焊接進(jìn)行研究，通過工藝試驗形成焊接工藝實施方法和要求，以保證功率電路外引線可靠焊接。

2.2 外引線繞焊技術(shù)原理

2.2.1 厚膜電路外引線焊接技術(shù)

厚膜電路加工關(guān)鍵之一在于外引線焊接加工過程。一般來說，文件對“手工焊接”如此規(guī)定：外引線焊接時，應(yīng)先將待焊接的引線按住固定在焊區(qū)上，用少許焊錫鍍銀銅線截取適當(dāng)長度，然后進(jìn)行引線柱的焊接。一般采用高溫焊料（如焊接溫度約295℃的銀錫焊料）的烙鐵將引線焊接固定錫焊在焊區(qū)內(nèi)，焊接一端引線后再直接使用焊絲焊接另一端引線，完全熔化后持續(xù)時間不超過3秒。焊接后焊錫要求完全包裹住引線，要求兩端焊錫點飽滿、光亮，無明顯突起、毛刺和凹坑；銅線及其兩端，以及基板、外殼其他區(qū)域均干凈無沾污?？紤]到大功率電路散熱需要，焊接時要求鍍錫銅線有一定的弧度，且焊點應(yīng)圓滑，不應(yīng)有明顯的突起。

2.2.2 外引線繞焊技術(shù)原理

考慮到功率厚膜電路在用戶處組裝使用時，也是采用外部錫焊，所以熱量通過管殼外部引線柱傳至內(nèi)引線，有可能導(dǎo)致管殼外引線柱處焊錫熔融，造成管殼內(nèi)外引線移位；而他們現(xiàn)在采取在引線柱附近將鍍銀銅線按一定的方向繞幾圈（ 2～3周），然后將之與外引線殼內(nèi)部分使用焊料完成焊接。在功率厚膜產(chǎn)品加工過程中，由于電路工作溫度較高，可能外引線焊接使用的低溫焊料狀態(tài)會變得不穩(wěn)定，但如采用繞焊方式，會在一定程度上彌補低溫焊料用于功率電路的固有缺陷。即使用戶組裝時外部熱傳導(dǎo)進(jìn)入腔內(nèi)，造成部分焊料熔融，引線柱處繞了幾圈的鍍銀銅線仍然會停留在原位置，保證不移位。

3 外引線繞焊研究及工藝試驗

3.1 研究背景

厚膜功率電路在用戶處焊接時也采用錫焊工藝，外引線焊接處的溫度超過300℃，由于組裝采用的低溫焊料熔點為180℃/焊接溫度為210℃，造成引線處焊錫熔融、脫焊、引線脫開等問題，存在可靠性隱患。因此我們進(jìn)行此項工藝試驗，可優(yōu)選出我所SMT電源電路外引線焊接工藝參數(shù)，以保證電路使用可靠。

通過試驗找出S n 5 A g 2.5 P b 92.5、Sn96.5Ag3.0Cu0.5和Sn62Pb36Ag2三種焊絲的焊接條件和清洗方法，評價電路篩選后的焊接可靠性，優(yōu)選出最適合我們焊接使用的焊絲。焊接外引線選用Ф 0.3mm的鍍銀銅絲，銅絲在引線柱端在引線中點各左、右方向繞制一圈，在出口處扭成一股，保證繞線較緊且有一定環(huán)狀，以便拉力測試。焊絲型號為Sn5Ag2.5Pb92.5、Sn96.5Ag3.0Cu0.5和Sn62Pb36Ag2，焊接速度分別按1秒、2秒和3秒進(jìn)行焊接。

3.2 試驗設(shè)置及內(nèi)容

3.2.1 試驗材料及樣品選用

試驗中，我們用到的三種型號焊絲熔點如下：Sn5Ag2.5Pb92.5熔點285℃、Sn96.5Ag3.0Cu0.5熔點217℃，Sn62Pb36Ag2熔點183℃。

選用某功率產(chǎn)品為試驗樣品，管殼內(nèi)采用雙面均印有鈀銀焊盤的基片加工。使用Sn5Ag2.5Pb92.5、Sn96.5Ag3.0Cu0.5和Sn62Pb36Ag2三種焊絲各組裝50只試驗樣品電路。按照該電路提供焊接曲線完成外引線焊接，清洗合格進(jìn)行篩選。

3.2.2 外引線繞焊加工過程

用剪刀截取一段長度適量（略長于外引線端面至基板焊區(qū)距離）的鍍銀銅線（φ=0.3mm的鍍銀銅絲），應(yīng)用繞焊方法：用鑷子使用較細(xì)線徑（0.3mm）稍長些的鍍銀銅線（2～3倍于普通引線柱與基板焊區(qū)間搭接長度），先把銅線的中間位置靠近引線柱端面焊區(qū)處向左逆時針繞線一圈、向右順時針繞線一圈，然后將兩股銅線出頭糾集為一股、在此處用焊料快速焊接，此后再與基板焊區(qū)完成焊接。要求焊接的外引線中間位置彎成一定弧度，便于拉力測試。從理論上講，在引線柱端進(jìn)行繞制兩圈，提高了鍍銀銅線焊接附著效果，而且解決了引線柱一端易造成鍍銀銅線端頭脫開、搭上外殼短路的隱患。

圖1 外引線繞焊示意圖

首先，我們對引線柱及基板焊接區(qū)處理、除去氧化層，以促進(jìn)焊接效果； 其次，外引線柱焊腳處、基片焊區(qū)用智能鉻鐵熔化少許焊絲，預(yù)上錫；然后使用熱盤/溫控加熱臺加熱（設(shè)定150℃～190℃，到溫后穩(wěn)定15min）；最后使用高溫智能鉻鐵焊接。

3.2.3 焊接后清洗

去除引線管腳之間的焊料及助焊劑的殘留物以及其他污染物，避免污染物對電路板造成腐蝕，同時提高涂料與電路板的結(jié)合強度。1～2組先用酒精棉球擦拭或撥針清除多余的焊料，然后用三氯乙烷（或FC113氟油＋無水乙醇混合清洗液）和無水乙醇分別浸泡3min～5min，再將電路倒扣在盛有無水乙醇的容器內(nèi)，超聲清洗10s～30s。將清洗后的電路放在干凈的金屬托盤內(nèi)，連同托盤一起在150℃±10℃的烘箱內(nèi)烘10min～15min，取出后放在超凈工作臺內(nèi)冷卻至室溫，最后用高純氮氣吹去多余的塵屑和多余物。第三組僅用酒精棉球擦拭去除多余物。第四組不做清洗處理。

3.2.4 檢測試驗

對已焊銅線進(jìn)行100%目檢，要求兩端焊錫點飽滿、光亮，無明顯突起、毛刺和凹坑；鍍銀銅線及其兩端、基板、外殼其他區(qū)域均干凈無沾污。

我們對完成焊接的電路，按照正品電路要求進(jìn)行后續(xù)的封前潔凈、平行縫焊、篩選試驗，并在篩選合格后進(jìn)行開蓋。

表1 試驗樣品清洗方法和步驟、結(jié)果

篩選試驗及結(jié)果（參照功率電源產(chǎn)品篩選試驗條件）如下。

高溫貯存：GJB150.3，125℃，48h；結(jié)果：合格。

溫度循環(huán)：GJB548B方法1010.1，-55℃～125℃，10次；結(jié)果：合格。

恒定加速度：GJB548B方法2001.1，Y1方向，98000m/s2，1min；結(jié)果：合格。

PIND：GJB548B方法2020.1，條件A；結(jié)果：合格。

外部目檢：GJB548B方法2009.1；結(jié)果：合格。

破壞性拉力強度試驗參照GJB548B方法2011.1。鍵合強度：破壞性鍵合拉力試驗，按方法2011試驗條件D進(jìn)行鍵合強度試驗。至少對兩個器件的全部引線進(jìn)行，記錄引線斷裂或鍵合脫落時力的大小和斷裂位置。對外引線進(jìn)行100%拉力測試，以驗證焊接后附著力，評估選出較好的焊接材料及優(yōu)化焊接參數(shù)。

在完成篩選試驗之后，我們對所有樣品外引線進(jìn)行破壞性拉力試驗，經(jīng)過使用2kg、30s和4kg、30s兩種試驗參數(shù)，獲得如表2所示的試驗結(jié)果。

表2 錫焊可靠性工藝試驗記錄表

下面給出003號、004號片在拉力試驗之后的照片（如圖2），均使用SnAg3.0Cu0.5焊絲（焊點227℃）完成焊接，其中003號所有引線經(jīng)過4kg、30s拉力試驗后無損，而004號一根引線由于達(dá)到材料拉伸極限，經(jīng)過4kg、30s拉力試驗后從中間斷開。

圖2 可靠性拉力試驗后外引線狀況比較

3.3 試驗結(jié)論

通過以上幾個方面的對比試驗和篩選結(jié)果，我們獲得了適于鍍銀銅線外引線繞焊工藝的焊料/焊絲及相應(yīng)的加工工藝參數(shù)。

焊接設(shè)備：使用PS-900型90W鉻鐵/SFV-CN05A焊頭或MX-5010型130W鉻鐵/LOT 0144 STTC 122型鉻鐵頭；預(yù)熱條件：熱盤預(yù)熱150℃；焊絲型號及規(guī)格：SnAg3.0Cu0.5焊絲/Φ0.8，焊劑Li；焊接后清洗：使用三氯乙烷浸泡5min、超聲30s，無水乙醇漂洗后氮氣槍吹干；要求潔凈無多余物。其他在具體電源電路應(yīng)用時可靈活調(diào)整使用。

關(guān)于繞焊電路基板上焊盤設(shè)計建議：SnAg3.0Cu0.5焊絲/Φ0.8，焊劑Li，熔點為227℃。

通過組織大量工藝試驗，反復(fù)摸索外引線繞焊工藝的方法并優(yōu)化工藝參數(shù)，并對試驗樣品按照國軍標(biāo)GJB548B-2005規(guī)定的試驗方法，參照進(jìn)行引線拉力強度的相關(guān)測試，證明外引線繞焊的加工效果完全滿足航天及高端軍品引線焊接強度要求，提高了功率及航天電路外引線焊接可靠性。

[1] 楊邦朝，張經(jīng)國主編. 多芯片組件（MCM）技術(shù)及其應(yīng)用（第1版）[M]. 成都：電子科技大學(xué)出版社，2001.

[2] 混合微電路技術(shù)手冊——材料、工藝、設(shè)計、試驗和生產(chǎn)（第2版）[Hybrid Microcircuit Technology Handbook – Materials，Processes，Design，Testing and Production (2nd Edition)]. 第1版[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[3] GJB548B-2005 微電子器件試驗方法和程序 [Z].

[4] GJB2438A-95 混合集成電路總規(guī)范[Z].