Sn－58Bi在鍍鎳層表面的焊接工藝

華根瑞，王海濤，袁 晶，王 鵬

(西安電子工程研究所專業(yè)七部，陜西西安 710100)

在某型雷達(dá)系統(tǒng)中，要求接收前端使用的盒體重量輕、電磁屏蔽效果好、成本低、表面需耐磨且具有可焊性。為滿足這些要求，該盒體材料最終選用鋁合金，表面鍍鎳。

在對(duì)盒體中焊接的接收電路板上，預(yù)先使用熔點(diǎn)為183℃的Sn－37Pb焊料焊接了3個(gè)器件，在隨后的焊接工序中，須使用熔點(diǎn)比183℃低的焊料焊接。能滿足這一要求的焊料，基本上是含銦或含鉍的焊料合金。由于銦屬于稀有金屬，所以此類焊料的價(jià)格較高，而目前市場(chǎng)上的含鉍焊料，主要是Sn－58Bi，該焊料熔點(diǎn)低，具有良好的流動(dòng)性和熱疲勞性能［1］，價(jià)格較低廉。文中所用焊料為明輝牌Sn－58Bi(牌號(hào):Bright BR50A)焊膏。

由于存放環(huán)境、鍍前表面處理等原因［2］，鍍鎳層容易被氧化，有些甚至?xí)霈F(xiàn)發(fā)霉等現(xiàn)象。過厚的金屬間化合物層會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂韌性和抗低周疲勞能力下降，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)可靠性的下降。對(duì)于無鉛焊料而言，由于無鉛焊料和傳統(tǒng)的錫鉛焊料成分不同，因此這與焊接基底如銅、鎳等的反應(yīng)速率以及反應(yīng)產(chǎn)物不同，從而需要不同的焊接溫度和時(shí)間［3］。在鍍鎳盒體中，由于存放原因，部分表面已被氧化，如圖1所示的表面氧化層。雖調(diào)整了焊接時(shí)間和溫度，但仍是空洞率較高?？斩吹拇嬖冢环矫鏁?huì)使射頻電路的接地不良。另一方面會(huì)阻礙熱量耗散，導(dǎo)致器件的提前老化。將這些被氧化的盒體返廠處理后，其焊接效果并不理想。同時(shí)，可使用其他焊料在盒體表面焊接，仍出現(xiàn)空洞率高的問題。因此，只能通過對(duì)Sn－58Bi焊膏在鍍鎳層表面作各種試驗(yàn)來解決此問題。

圖1 盒體被氧化的表面

1 焊接過程

1.1 直接加熱焊接

直接加熱所用的加熱臺(tái)是一塊160 mm×160 mm的平板加熱區(qū)域，如圖2所示，在空氣中加熱焊接。其整個(gè)工藝過程為:焊膏涂抹→接收電路板裝配→預(yù)熱→加熱→自然冷卻→清洗→檢驗(yàn)。

圖2 焊接用的加熱臺(tái)

用該方法焊接后，大部分產(chǎn)品均滿足裝配要求，但仍有產(chǎn)品在進(jìn)行X光檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其空洞率較高，部分甚至超過50%。焊接完成后，焊接區(qū)域有空洞盒體的X光圖如圖3所示，圖中電路板下淺灰色區(qū)域?yàn)榭斩创嬖诘膮^(qū)域。

圖3 X光下直接加熱焊接后的空洞

將電路板拆卸后，盒體焊接表面的狀況如圖4所示。由圖4可看出，盒體焊接區(qū)域有較多焊料浸潤(rùn)情況發(fā)生。圖中焊料堆積是因拆卸電路板時(shí)由于電路板的傾斜而引起的，與浸潤(rùn)性無關(guān)，而盒體表面無焊料的地方，基本上均是空洞存在的區(qū)域。因此，在直接加熱焊接的情況下，不能完全保證電路板的良好焊接。

圖4 盒體焊接區(qū)域焊料的浸潤(rùn)情況

1.2 無氧環(huán)境下焊接

為避免直接加熱過程時(shí)空氣中氧氣的干擾，將盒體放入真空爐中焊接，其焊接工藝過程為:焊膏涂抹→接收電路板裝配→放入真空爐→抽真空→充氮?dú)狻A(yù)熱→加熱→溫度保持→降溫→排氣→充氮?dú)饫鋮s→從真空爐取出→清洗→檢驗(yàn)。在這一過程中，抽真空后充氮?dú)?純度99.995%)的目的:改善熔融焊料的潤(rùn)濕性，使焊接區(qū)域更光亮。促進(jìn)潤(rùn)濕且能降低助焊劑使用量，減少電路板焊接表面殘余物。給熱傳導(dǎo)提供了介質(zhì)，減少了升溫時(shí)間。降低錫渣量，節(jié)省焊料成本及處理錫渣帶來的人工費(fèi)用。大量工藝研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)氧含量為0.1%(體積)時(shí)，錫渣量約減少1/2［4］。

在無氧環(huán)境下焊接后，仍有一部分盒體的空洞率較高。而且，原先用直接加熱焊接不良的盒體，再放入真空爐中重新焊接，其空洞率并無明顯的降低，其焊接后的X光圖如圖5所示，電路板拆下后的盒體焊接區(qū)域表面如圖6所示。

通過以上兩種焊接方式可看出，導(dǎo)致空洞率較高的原因，是盒體表面鍍鎳層被氧化引起的。為去除氧化層，文中嘗試另加助焊劑來進(jìn)行焊接。雖Sn－58Bi焊膏中本身含有一定量的助焊劑，但仍不足以去除該氧化層。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

另加助焊劑的直接加熱焊接方式:該焊接過程只是在直接加熱焊接前，在盒體鎳層表面涂抹了少許助焊劑，該助焊劑為自行配制，是某種溶劑、活性劑與松香類物質(zhì)的混合物。

助焊劑在電子組裝焊接過程中主要作用為去除焊接區(qū)域材料的表面氧化物，為液態(tài)焊料在母材上鋪展?jié)櫇駝?chuàng)造必要條件;形成液態(tài)薄層覆蓋母材和焊料表面，隔絕空氣而起保護(hù)作用，防止焊料合金再氧化;起界面活性作用，降低液態(tài)釬料表面張力，改善液態(tài)焊料對(duì)母材的潤(rùn)濕，增強(qiáng)焊點(diǎn)的傳熱能力;輔助熱傳導(dǎo)，將熱量傳遞到焊接區(qū)域［5］。用該方法焊接后，盒體在X光下所得圖像如圖7所示，空洞率較小，在2%以內(nèi)。將板子拆卸后的焊料熔融的形態(tài)如圖8所示，盒體表面焊料的浸潤(rùn)充分。這說明，采用外加助焊劑的方法，可去除鎳層表面的氧化層，大幅提升Sn－58Bi焊膏在鍍鎳表面的浸潤(rùn)性。

同時(shí)，采用這種方法，對(duì)之前空洞率較高的盒體重新焊接后，在X光下檢測(cè)，其空洞率均在5%以內(nèi)，達(dá)到了焊接的工藝要求。

3 結(jié)束語

為降低電子產(chǎn)品的成本，越來越多的設(shè)計(jì)均采用表面鍍鎳工藝，這促使各方更加注焊料在鎳層表面的可焊性。一方面，要加強(qiáng)鍍涂過程中的表面處理。另外一方面，可通過后期使用其他工藝手段來增加焊料在鎳層表面的浸潤(rùn)性。文中使用焊膏在鍍鎳層表面焊接時(shí)，焊膏中所含的助焊劑，并不能有效地去除鍍鎳層表面氧化層，需另加助焊劑來去除，以此來增加焊膏的浸潤(rùn)性。此外，除文中所做的嘗試外，其他試驗(yàn)表明，在焊膏中直接添加6% ～8%的助焊劑，攪拌均勻后，同樣可在焊接時(shí)確保5%以下的空洞率。

［1］李群，黃繼華，張華，等.Al對(duì)Sn－58Bi無鉛釬料組織及性能的影響［J］.電子工藝技術(shù)，2008，29(1):1 －4.

［2］MILAD G，MARTIN J.Electro less nickel/immersion gold，solder ability and solder joint reliability as functions of processcontrol［J］.Circui Tree，2000(10):56 －62.

［3］胡光輝，蒙繼龍，柴志強(qiáng).電鍍鎳金焊接強(qiáng)度不足的原因及對(duì)策［J］.印制電路信息，2005(7):26－27.

［4］史建衛(wèi)，王樂，徐波，等.無鉛制程導(dǎo)入面臨的問題及解決方案(續(xù))［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2006，35(6):36 －46.

［5］史建衛(wèi)，許愿，王建斌，等.電子組裝中助焊劑的選擇(待續(xù))［J］.電子工藝技術(shù)，2009，30(3):181－184.