鍍金引線器件自動(dòng)除金搪錫工藝技術(shù)研究

李華，黃淑云，弋潔，劉鵬

湖北三江航天紅峰控制有限公司，湖北孝感，432100

0 引言

鍍金引線元器件直接焊接時(shí)，焊點(diǎn)中會(huì)形成Au-Sn金屬間化合物（IMC），呈現(xiàn)明顯脆硬性，一般把用錫為主要成分的焊料與金層焊接后生成金一錫金屬化合物發(fā)生的脆性斷裂失效現(xiàn)象稱為“金脆”[1]。2013年王曉明[2]等人對(duì)錫-鉛共晶焊料與鍍金層焊點(diǎn)的失效機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，焊接完成一定的時(shí)間后，脆性化合物在界面富集形成脆性層，脆性層的形成導(dǎo)致焊點(diǎn)與焊盤的結(jié)合力急劇下降，才導(dǎo)致金脆故障。

《航天電子電氣產(chǎn)品安裝通用技術(shù)要求》（QJ 165A—1995）中明確鍍金引線或焊端均應(yīng)進(jìn)行除金處理，不允許在鍍金引線或焊端上不除金焊接，采用錫鍋除金時(shí)，鍍金引線除金應(yīng)進(jìn)行兩次搪錫處理，兩次搪錫應(yīng)分別在兩個(gè)錫鍋中操作。鍍金引線的除金應(yīng)100%覆蓋焊接部位[3]。通過除金和搪錫工作去除焊料中金元素是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

航天電子產(chǎn)品元器件的除金搪錫工作基本采用手工方式。即使用錫鍋手工沾取方式或采用電烙鐵加錫后撤錫的方式。無論何種手工方式均存在搪錫的一致性差及控制不嚴(yán)造成的器件引腳橋連及元器件熱損傷等問題，全自動(dòng)除金搪錫勢(shì)在必行。

1 自動(dòng)化搪錫方法及驗(yàn)證

1.1 自動(dòng)搪錫流程

根據(jù)鍍金引線元器件的除金搪錫要求，全自動(dòng)搪錫設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)具有機(jī)械識(shí)別識(shí)取物料擺放位置以及測(cè)算元器件距各液面高度，以及元器件的視覺識(shí)別技術(shù)。過程中，以機(jī)械臂模擬人工操作方式，元器件從物料擺放區(qū)，自動(dòng)完成器件引腳檢查、涂助焊劑、預(yù)熱、除金、涂助焊劑、預(yù)熱、搪錫、引腳檢查等整個(gè)除金搪錫流程的工作，因此，全自動(dòng)搪錫設(shè)備主要配備有元器件物料擺放區(qū)、兩個(gè)錫鍋（一個(gè)用于除金、一個(gè)用于搪錫）、助焊劑蘸涂區(qū)、預(yù)熱區(qū)、元器件檢測(cè)區(qū)，從而滿足元器件自動(dòng)除金搪錫的工作要求。

1.2 除金搪錫參數(shù)

從自動(dòng)化除金搪錫流程中分析，元器件在除金搪錫過程中涉及的參數(shù)主要包括溫度、時(shí)間、預(yù)熱溫度、預(yù)熱時(shí)間、浸錫深度、浸錫角度等。其中，主要影響鍍金引線元器件除金搪錫質(zhì)量的參數(shù)包括溫度、時(shí)間、預(yù)熱溫度、預(yù)熱時(shí)間。

航天工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電子元器件搪錫工藝技術(shù)要求》（QJ 3267—2006）中給定了相關(guān)元器件的除金搪錫溫度要求，錫鍋溫度為250℃～280℃[4]，無時(shí)間及預(yù)熱相關(guān)要求。依據(jù)《航天電子電氣產(chǎn)品焊接通用技術(shù)要求》（QJ 3011A—2016），表面安裝元器件的焊接要求時(shí)間為1s～2s[5]。參考選定除金搪錫溫度250℃～280℃、時(shí)間1s～3s、預(yù)熱溫度100℃、預(yù)熱時(shí)間10s，開展QFP、SOP、QFN、DIP封裝元器件除金搪錫驗(yàn)證。

在保障除金搪錫溫度和時(shí)間的同時(shí)，元器件的參數(shù)設(shè)置及浸錫的角度仍是保證除金搪錫后元器件引線外觀良好的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)元器件封裝及尺寸調(diào)試浸錫深度，DIP類器件僅需考慮器件的浸錫深度即能保證良好的外觀質(zhì)量。QFN器件除金搪錫時(shí)采用焊錫的“波峰”或“瀑布流淌”方式，焊錫與焊端接觸即能保證良好的外觀。QFP、SOP類封裝采用相同的搪錫模式，考慮浸錫深度的同時(shí)仍需考慮器件的浸錫角度問題，該類型封裝為自動(dòng)除金搪錫的難點(diǎn)類型。尤其是窄間距器件，易出現(xiàn)橋連、堆錫等問題。

以CQFP封裝元器件為研究對(duì)象，開展如表1所示的自動(dòng)除金搪錫工藝參數(shù)正交表設(shè)計(jì)。

表1 元器件自動(dòng)除金搪錫工藝參數(shù)設(shè)計(jì)表

通過多次的驗(yàn)證，針對(duì)QFP、SOP封裝元器件模擬手工作業(yè)方式，傾斜45°浸入液面，能夠有效地保障器件出錫的一致性，減少窄間距器件出現(xiàn)橋連的現(xiàn)象。同時(shí)，在搪錫過程中使元器件處于相對(duì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)能夠更好地保證搪錫的外觀質(zhì)量。如器件引線進(jìn)入錫鍋后，過程中器件采用左右擺動(dòng)方式、離開錫面時(shí)采用旋出方式效果更佳。

1.3 除金搪錫質(zhì)量驗(yàn)證

在表1的基礎(chǔ)上，增加元器件的浸入錫鍋后的擺動(dòng)要求，器件擺動(dòng)一次則元器件浸入的時(shí)間約3s。采用上述除金搪錫工藝參數(shù)各搪錫一排QFP芯片鍍金引腳，將器件進(jìn)行編號(hào)并送檢進(jìn)行分析，每種除金搪錫參數(shù)分析三處。檢測(cè)試驗(yàn)包括金相切片及SEM&EDS，主要檢測(cè)內(nèi)容包括金屬間化合物、金元素含量等。送檢樣品及外貌見圖1所示，合金層檢測(cè)結(jié)果見表2所示。除金搪錫后的元素含量及合金層厚度以芯片編號(hào)3367為例，見圖2所示。

圖1 送檢樣品及外貌

圖2 編號(hào)3367 芯片合金層厚度及元素含量

表2 合金層檢測(cè)結(jié)果

通過搪錫的實(shí)際情況及分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除個(gè)別參數(shù)除金搪錫后器件引腳存在橋連，在各項(xiàng)搪錫參數(shù)下能譜分析均未發(fā)現(xiàn)金元素，說明通過除金和搪錫兩次操作能夠有效地去除鍍金引線的金元素。同時(shí)，除金搪錫時(shí)增加器件擺動(dòng)方式后具有了明顯的防橋連效果。

1.4 焊接質(zhì)量驗(yàn)證

通過實(shí)物分析在250℃～270℃溫度下均能實(shí)現(xiàn)良好的除金搪錫效果，因此，基于溫度越低對(duì)芯片的溫沖越小的情況，從250℃、260℃除金搪錫效果較好的分析中選取2組參數(shù)。在除金搪錫過程中均進(jìn)行了器件的預(yù)熱與助焊劑的沾取，為提高生產(chǎn)效率，在除金及搪錫過程中減少一次預(yù)熱與助焊劑的沾取。按此生成的4組參數(shù)重新除金搪錫1片QFP器件，處理完成后采用Sn63Pb37焊膏回流焊接方式對(duì)器件進(jìn)行焊接，焊接后對(duì)器件的焊接質(zhì)量進(jìn)行分析。分析方法與除金搪錫分析方法一致。合金層檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 合金層檢測(cè)結(jié)果

從芯片的元素含量分析結(jié)果中可以看出，4組搪錫參數(shù)中均能較好地去除鍍金元器件表面的金元素，在元素分析中未發(fā)現(xiàn)金元素的存在，因此，除金工作是徹底的。

行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為IMC合金層厚度在0.5μm～4μm之間為較好的合金層厚度。通過對(duì)元器件回流焊接的焊接質(zhì)量進(jìn)行分析可以看出，各引腳合金層的厚度在一個(gè)較好的范圍內(nèi)。從而驗(yàn)證了設(shè)定的自動(dòng)除金搪錫流程能夠較好地實(shí)現(xiàn)鍍金元器件除金搪錫工作。

2 結(jié)語

本文利用自動(dòng)化搪錫設(shè)備實(shí)現(xiàn)了鍍金引線元器件除金搪錫的自動(dòng)化，通過參數(shù)設(shè)置，元器件在除金搪錫前進(jìn)行預(yù)熱(90℃～110℃)，也可減少一次搪錫前的預(yù)熱，溫度設(shè)置在250℃～260℃，浸入時(shí)間3s，QFP、SOP類封裝器件增加器件擺動(dòng)的方式，器件除金搪錫效果較佳。通過實(shí)物進(jìn)行分析，對(duì)除金搪錫參數(shù)進(jìn)一步驗(yàn)證，最終得出自動(dòng)化除金搪錫的可行性和可靠性，滿足航天產(chǎn)品裝配工藝要求。