機(jī)械金屬層結(jié)構(gòu)對焊接點(diǎn)強(qiáng)度的影響分析

王槐俊

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006）

焊接就是通過加熱、高溫或高壓的方式來接合金屬或塑料等熱塑性材料的工藝[1]。根據(jù)焊接的目的可分為三大類：熔焊、壓焊和釬焊。焊接技術(shù)是隨著人類社會對合金的應(yīng)用而衍生出來的。

在古老的商朝就出現(xiàn)了通過鐵和銅的融合來鑄焊件的工藝。隨著現(xiàn)代工業(yè)化社會對合金的需要量大幅度的提升，焊接技術(shù)也正在迅猛的發(fā)展和傳播。但在焊接過程中由于焊接點(diǎn)失效而導(dǎo)致焊接失敗的情況時常出現(xiàn)，大大增加了焊接工程中人力，物力的損失。焊接點(diǎn)失效的根本原因就是焊接點(diǎn)的強(qiáng)度不夠[2]。本文運(yùn)用目前應(yīng)用最廣泛的球柵陣列封裝（BGA）焊接技術(shù)通過試驗(yàn)，檢驗(yàn)了不同厚度等級的機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)中焊接點(diǎn)的強(qiáng)度，以此來分析其主要機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)對焊接點(diǎn)強(qiáng)度的影響，進(jìn)而從根本上提高焊接工藝的質(zhì)量，以及工作效率。

1 機(jī)械金屬層結(jié)構(gòu)對焊接點(diǎn)強(qiáng)度的影響研究

由于BGA焊接技術(shù)具有高密度，低成本，易操作的優(yōu)點(diǎn)所以被焊接領(lǐng)域廣泛的采用。應(yīng)用BGA焊接技術(shù)來探究機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)對焊接點(diǎn)強(qiáng)度的影響問題中，選擇最常用的Cu-Ni-Au的機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)作為樣品進(jìn)行分析[3]。

因?yàn)楹附咏缑嬷谢灞砻娴腃u和Ni在回流焊過程中會有不同程度擴(kuò)散，所以焊接點(diǎn)的連接結(jié)合界面有5種主要的類型：①為PCB銅焊盤與金屬間化合物；②為金屬間化合物與焊接點(diǎn)；③為焊接點(diǎn)與金屬間化合物(BGA器件基板側(cè))；④為金屬間化合物與Ni層；⑤為Ni層與基板的銅焊盤；為了避免焊接點(diǎn)失效，通常通過增強(qiáng)所接界面的結(jié)合力來提高器件的剪切強(qiáng)度。本實(shí)驗(yàn)中利用4種不同厚度的Cu-Ni-Au機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)焊球來探究其接觸點(diǎn)強(qiáng)度的影響。

1.1 研究材料與設(shè)備

BGA元器件：采用FBGA60的封裝形式由電木，IC，基板（焊盤節(jié)距為600um），焊球（Φ為400um）和粘合劑組成[4]。

其中基板中焊盤的金屬層結(jié)構(gòu)為Cu-Ni-Au，Cu層厚度分別采用15μm和25μm；Ni層的厚度分別為5μm和7μm；Au層為厚度為1μm。這樣就構(gòu)成了四種厚度不同的金屬化結(jié)構(gòu)用于焊接點(diǎn)。焊膏采用Sn-Ag-Cu無鉛焊膏，其中Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，剩下全部為Sn，熔點(diǎn)為225℃～227℃。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用：Shibuya SBM 350粘球機(jī)、Dage4000HS剪切測試機(jī)、ZEISS AXIOSKOP 40FL光學(xué)顯微鏡和REHM V8回流焊機(jī)[5]。

1.2 對比測試過程

首先把4種金屬層結(jié)構(gòu)不同的Cu-Ni-Au焊盤均設(shè)計做成基板；其次按現(xiàn)有的封裝工藝將芯片封裝，在REHM V8回流焊機(jī)上將SAC105焊球焊接于基板上，再切割成器件顆粒來作為實(shí)驗(yàn)樣品（剪切過程控制在室溫25℃左右）；然后采用現(xiàn)有的SMT工藝將剪切的部分器件顆粒用回流焊機(jī)焊接到通過OSP處理的PCB板上，焊膏為Sn-Ag-Cu無鉛焊膏(Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、其余為Sn)；最后切割成單條模塊以備器件剪切測試，器件剪切速率設(shè)定為10 mm/s（實(shí)驗(yàn)過程控制在室溫25℃左右）。

表1 焊球快速剪切測試結(jié)果

1.3 結(jié)果分析與結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)快速剪切測試更容易檢測出脆性斷裂模式。本文的研究就采用快速焊球剪切法，共選用5種焊接點(diǎn)連接結(jié)合界面來作為測試對象（用1～5表示），每個器件測4個焊球（Ⅰ～Ⅳ表示），結(jié)果如表1所示。

研究結(jié)果表明：金屬層結(jié)構(gòu)越厚的基板其接觸點(diǎn)的剪切力就越大，可經(jīng)受住外界的應(yīng)力也越大，更不易變形，所以判定其強(qiáng)度大。得到機(jī)械金屬層結(jié)構(gòu)越厚的則強(qiáng)度越大的結(jié)論。

工業(yè)焊接時，可以通過增加焊盤的銅層或鎳層的厚度，來提供其剪切力，進(jìn)而提高焊接點(diǎn)強(qiáng)度，避免了因?yàn)楹附狱c(diǎn)失效而導(dǎo)致的焊接失敗的問題。從根本上提高了焊接工作的工作效率。

2 結(jié)語

本文應(yīng)用BGA技術(shù)，通過4種機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)不同的焊盤利用快速剪切的方法，測定出不同焊盤的剪切力大小，并以此來判定其焊接點(diǎn)的強(qiáng)度問題，得到了機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)越厚，接觸點(diǎn)的強(qiáng)度就越大的結(jié)論。隨著現(xiàn)代工業(yè)化的發(fā)展焊接技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，但焊接過程中由于焊接點(diǎn)強(qiáng)度不足，而導(dǎo)致焊接失敗的情況時常出現(xiàn)。本文為提高焊接技術(shù)的工作效率提供了有效的解決方法，為了能讓焊接產(chǎn)品滿足現(xiàn)在生活的龐大需要量，需要現(xiàn)在的科研和工作人員不斷的學(xué)習(xí)和探索。