DBC 陶瓷基板表面貼裝工藝技術(shù)研究

王珂，朱景春，周鵬偉，劉濤，劉聰

（上?？臻g電源研究所，上海 200245）

引言

電源控制單機(jī)產(chǎn)品上廣泛使用的印制板材料是FR4環(huán)氧玻璃布層壓板，該基材是以環(huán)氧樹脂為粘合劑，玻璃纖維布為增強(qiáng)材料的層壓板，其機(jī)械性能、抗沖擊性能較好，受環(huán)境影響較小等優(yōu)勢(shì)，但具有導(dǎo)熱系數(shù)低、熱膨脹系數(shù)高等特點(diǎn)，適用于要求不高的低功率產(chǎn)品?？刂茊螜C(jī)功率需求不斷增大，熱控問題是制約控制單機(jī)發(fā)展的難題之一[1]?？刂茊螜C(jī)作為驅(qū)動(dòng)電源，其產(chǎn)品性能和可靠性將直接影響型號(hào)的質(zhì)量。因此，控制單機(jī)的散熱設(shè)計(jì)也尤為重要。

國內(nèi)外各行業(yè)已經(jīng)大量采用覆銅陶瓷基板（DBC）做為印制板的材料，陶瓷基板具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能（Al2O3，27 W/mK）、優(yōu)異的電絕緣性能，并具有很大的載流能力[2]。經(jīng)前期型號(hào)評(píng)估選用氧化鋁DBC 即可滿足散熱需求，因此本文主要以氧化鋁DBC 組件為研究對(duì)象，探討氧化鋁DBC 組件的焊接方法。目前SMT 行業(yè)內(nèi)熱風(fēng)回流焊是主流焊接設(shè)備，但研究表明熱風(fēng)回流焊接設(shè)備由于是常壓焊接，焊接過程中焊膏中的助焊劑等氣體大多無法有效排出，導(dǎo)致焊點(diǎn)空洞率普遍偏高，達(dá)到40 %以上[3]，但依據(jù)航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QJ 2086A 要求，焊點(diǎn)空洞率不能超過25 %。因此需要對(duì)陶瓷基板組件的熱風(fēng)回流焊接方法進(jìn)行研究。

本文采用熱風(fēng)回流焊接方式對(duì)宇航控制單機(jī)用陶瓷基板組件的焊接方法進(jìn)行了研究。首先對(duì)陶瓷基板的焊盤和錫膏印刷鋼網(wǎng)的開口方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化焊接過程的排氣通道；然后對(duì)底板厚度對(duì)焊接后平面的影響進(jìn)行試驗(yàn)探討；最后通過環(huán)境試驗(yàn)對(duì)組件進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，并通過金相剖切的方法對(duì)焊點(diǎn)分析，分析結(jié)果將為宇航單機(jī)用的陶瓷基板組件的焊接方法提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 印制板及鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)

本研究以某型號(hào)設(shè)計(jì)的陶瓷印制板為例，陶瓷基板尺寸為52 mm*58 mm*1.4 mm（陶瓷基體厚1.0 mm，T 面、B 面各覆銅層厚0.2 mm），考慮到焊接過程中，焊膏中助焊劑揮發(fā)需排氣以降低空洞率，B 面焊盤設(shè)置成3 mm*3 mm（小焊盤），排氣通道為0.8 mm。

為了降低陶瓷基板與底板的焊點(diǎn)空洞率，將錫膏印刷鋼網(wǎng)開成“十”字槽網(wǎng)格焊盤，小焊盤分成四個(gè)1.3 mm*1.3 mm的微小焊盤，微小焊盤之間的排氣通道尺寸為0.4 mm，焊膏開孔比焊盤尺寸內(nèi)縮0.2 mm，鋼網(wǎng)厚度為0.15 mm。鋼網(wǎng)開口方式和錫膏印刷后形貌如圖1 所示。

圖1 鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)圖印制板B 面錫膏印刷圖形

1.2 底板選用

由于陶瓷基板機(jī)械性能較金屬板、FR4印制板抗力學(xué)性能低，因此，陶瓷板不能直接用機(jī)械緊固的方式固定到結(jié)構(gòu)框架上，陶瓷基板固定方式為陶瓷基板與底板直接焊接，然后底板與框架機(jī)械安裝。底板與基板的膨脹系數(shù)差異較大，會(huì)隨溫度變化，在兩者間產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，影響模塊的可靠性[4]。因此選擇膨脹系數(shù)差異較小的金屬材料作為底板焊接材料?？煞ゲ牧吓c陶瓷基板熱膨脹系數(shù)接近，如表1 所示，經(jīng)過比較選定可伐材料作為焊接底板，研究不同厚度的可伐底板對(duì)焊接后平面度的影響?？煞セ谋倔w不具有可焊性，需表面做鍍鎳處理，使焊接面具有可焊性。表面鍍鎳層厚度為（10~15）um。

表1 材料物性參數(shù)對(duì)比

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

采用試驗(yàn)儀器設(shè)備如表2 所示。

表2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼網(wǎng)開口方式對(duì)焊接空洞率的影響

分別使用開“十”字槽網(wǎng)格焊盤的錫膏印刷鋼網(wǎng)和未開“十”字槽網(wǎng)格焊盤的錫膏印刷鋼網(wǎng)進(jìn)行錫膏印刷焊接。將回流焊接完成的印制板組件進(jìn)行X 光檢測(cè)，如圖2 所示。通過X 光照片對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，未開“十”字槽網(wǎng)格焊盤的焊接后焊點(diǎn)空洞率明顯超過了50 %，參考GJB 548C 標(biāo)準(zhǔn)要求，焊點(diǎn)的空洞率不應(yīng)超過焊接面積的50 %，而將錫膏鋼網(wǎng)開成“十”字槽網(wǎng)格進(jìn)行焊接后，焊點(diǎn)的空洞率顯著降低，如圖2（b）所示，焊點(diǎn)整體空洞率不超過10 %，這主要?dú)w因于“十”字槽網(wǎng)格增加了錫膏中助焊劑的排放通道，在回流預(yù)熱階段，焊盤中間的氣體更多的通過“十”字槽排到焊盤之間的通道，然后氣體膨脹產(chǎn)生壓差排出。

圖2 不同鋼網(wǎng)開口的X 光圖

2.2 底板厚度對(duì)焊接后平面度的影響

陶瓷組件焊接完成后通過機(jī)械安裝到控制單機(jī)結(jié)構(gòu)框架上，為了盡可能使組件底面與框架貼合，降低熱阻，并且降低由于底板微曲給焊點(diǎn)造成的應(yīng)力損傷風(fēng)險(xiǎn)，需要焊接后底板平面度不大于0.1 mm。因此本小節(jié)分別選用1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm 厚度的可伐底板進(jìn)行焊接，對(duì)焊接后的底板平面度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表3 所示。

表3 不同厚度底板焊接后平面度

由于可伐與陶瓷基板材料熱膨脹系數(shù)存在一定的差異，回流焊接時(shí)的受熱膨脹尺寸略有差異，在回流焊接的冷卻段時(shí)，錫膏冷卻，產(chǎn)生熱失配現(xiàn)象[5]。通過表3數(shù)據(jù)可知，底板厚度越厚，抵抗形變的強(qiáng)度越強(qiáng)，底板發(fā)生翹曲的曲度越小，但由于可伐密度較大，考慮到單機(jī)重量的限制，底板厚度越薄越好。在厚度為1.2 mm 時(shí)，焊接后的底板平面度即滿足不超過0.1 mm 的要求，因此可以認(rèn)為1.2 mm 的底板厚度為較優(yōu)尺寸。

2.3 溫度循環(huán)考核

將焊接完成的陶瓷基板組件放入試驗(yàn)箱進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為：

1）溫度循環(huán)開始前，試驗(yàn)件應(yīng)烘烤去除內(nèi)部濕氣，烘烤溫度在（60 ～80）℃范圍內(nèi)；

2）溫度范圍：（-50 ～85）℃；

3）升降溫速率不超過10 ℃/min；

4）高低溫極限溫度至少保持15 min，每個(gè)循環(huán)1 h，不少于200 個(gè)循環(huán)。

產(chǎn)品的實(shí)際試驗(yàn)曲線如圖3 所示，所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均符合設(shè)定試驗(yàn)條件。

圖3 溫度循環(huán)試驗(yàn)曲線

2.4 力學(xué)試驗(yàn)考核

將完成溫度循環(huán)試驗(yàn)的組件按照航天標(biāo)準(zhǔn)QJ 3086A要求，進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)應(yīng)在三個(gè)方向上分別進(jìn)行，試驗(yàn)條件如表4~6 所示，實(shí)際試驗(yàn)曲線如圖4~6 所示。試驗(yàn)完成后對(duì)組件進(jìn)行外觀檢查，均符合QJ 3086A 要求。

表4 掃頻試驗(yàn)條件

表5 正弦振動(dòng)試驗(yàn)條件

表6 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

圖4 掃頻試驗(yàn)曲線

圖5 正弦振動(dòng)試驗(yàn)曲線

圖6 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)曲線

2.5 金相分析

金相分析是最典型及有效的分析方法，可通過金相切片分析來評(píng)估整個(gè)組裝件（包括PCB、焊點(diǎn)）的情況。在環(huán)境試驗(yàn)后隨機(jī)選取陶瓷板與底板之間的焊點(diǎn)進(jìn)行金相剖切分析，結(jié)果如圖7 所示。金相剖切后，焊點(diǎn)剖面最大放大到5 000 倍，均未觀察到明顯裂紋，并且焊料與焊接面均形成均勻連續(xù)的IMC 層，符合QJ 3086A-2016 焊點(diǎn)表面和內(nèi)部裂紋不應(yīng)超過整個(gè)焊料填充區(qū)域的25 %的要求。表明焊點(diǎn)經(jīng)歷溫度循環(huán)試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)等環(huán)境試驗(yàn)后焊點(diǎn)均具有良好的可靠性。

圖7 金相分析結(jié)果

3 結(jié)論

本文通過熱風(fēng)回流焊接的方式對(duì)宇航控制單機(jī)用陶瓷基板組件的焊接方法進(jìn)行了研究。對(duì)陶瓷基板的焊盤采用了矩陣式網(wǎng)格焊盤，增加焊接過程的排氣通道，并將錫膏印刷鋼網(wǎng)在矩陣式網(wǎng)格基礎(chǔ)上再進(jìn)行十字槽設(shè)計(jì)，X 光結(jié)果表明，焊點(diǎn)空洞率滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（小于25 %）；對(duì)底板厚度對(duì)焊接后平面的影響進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表面1.2 mm 厚度為較優(yōu)尺寸；最后通過金相剖切對(duì)經(jīng)歷環(huán)境試驗(yàn)考核后的組件進(jìn)行分析，結(jié)果表明，通過本文所述方法焊接的組件焊點(diǎn)均具有良好的可靠性。