齊 林 楊京偉 杜 爽 李佳賓

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QFN元器件去金搪錫工藝技術(shù)研究

齊 林 楊京偉 杜 爽 李佳賓

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

針對(duì)QFN器件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究了其去金搪錫工藝技術(shù)，研制了一種專(zhuān)用搪錫工裝，使用局部波峰焊機(jī)去金搪錫后，器件焊盤(pán)中金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%，可保證QFN器件焊接后無(wú)金脆隱患，極大提高產(chǎn)品可靠性。

QFN；去金；搪錫

1 引言

金元素由于化學(xué)穩(wěn)定性好、不易氧化等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電子元器件的電極或焊盤(pán)的表面鍍層。航天產(chǎn)品印制板組件生產(chǎn)中，電子元器件通常采用錫鉛共晶合金（Sn63Pn37）軟釬焊的方法裝聯(lián)到印制板上。在焊接鍍金元器件過(guò)程中，焊點(diǎn)中會(huì)形成Au-Sn金屬間化合物（IMC, intermetallic compound），其維氏硬度高達(dá)750，呈現(xiàn)明顯脆硬性，這種化合物的存在將導(dǎo)致焊點(diǎn)力學(xué)性能大幅下降，嚴(yán)重影響電氣連接的可靠性。一般焊點(diǎn)中由于存在Au-Sn化合物而發(fā)生脆性斷裂失效的現(xiàn)象稱(chēng)為“金脆”[1]。研究認(rèn)為，Au-Sn化合物中當(dāng)金的含量達(dá)到3%時(shí)，“金脆”現(xiàn)象會(huì)十分明顯[2]。

對(duì)于航天產(chǎn)品，環(huán)境要求苛刻且可靠性要求很高，“金脆”現(xiàn)象嚴(yán)重影響產(chǎn)品服役期間的可靠性和使用壽命。目前，國(guó)內(nèi)外軍工標(biāo)準(zhǔn)中，為防止“金脆”現(xiàn)象，都規(guī)定了鍍金的元器件必須經(jīng)過(guò)去金搪錫處理后方可焊接[3～8]。對(duì)鍍金表面的處理問(wèn)題已經(jīng)明確提出，并作為禁（限）用工藝項(xiàng)目重點(diǎn)關(guān)注。

QFN（Quad Flat No-lead）封裝芯片是一種典型的無(wú)引線(xiàn)表貼元器件，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有別于FP/QFP芯片等帶有引線(xiàn)的元器件，去金搪錫工作目前存在以下難點(diǎn)：

a.在沒(méi)有特殊工具夾持情況下，無(wú)法直接使用錫鍋進(jìn)行去金搪錫；

b. 手工搪錫，依賴(lài)于操作人員的熟練程度，去金搪錫效果一致性差，生產(chǎn)率低；

c. 焊盤(pán)密度高、間距小，手工去金搪錫易產(chǎn)生橋連。

因此，選取具有代表性的QFN封裝芯片，對(duì)其去金搪錫工藝技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)不依賴(lài)操作人員個(gè)體技術(shù)水平的去金搪錫工藝方法，對(duì)提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品可靠性具有重要意義。

2 去金搪錫工藝方法研究

在電子裝聯(lián)行業(yè)中，焊盤(pán)（或電極）帶有鍍金層的無(wú)引線(xiàn)表貼元器件進(jìn)行去金搪錫主要有三種方法：電烙鐵手工搪錫、錫鍋搪錫和返修工作站搪錫，三種方法對(duì)比如表1所示。

表1 去金搪錫方法對(duì)比[9]

從表1中的對(duì)比可以看出，使用手工電烙鐵對(duì)鍍金焊盤(pán)的去金搪錫缺點(diǎn)很多，但目前仍是無(wú)引線(xiàn)表貼元器件去金搪錫的主要方法；而使用返修工作站進(jìn)行去金搪錫的方法，盡管存在對(duì)元器件熱沖擊小等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于宇航產(chǎn)品使用的元器件來(lái)說(shuō)，多次經(jīng)歷再流焊卻將極大程度降低元器件的可靠性。因此，根據(jù)元器件尺寸和結(jié)構(gòu)研制合適的工裝夾持并保護(hù)元器件，使用錫鍋對(duì)鍍金焊盤(pán)去金搪錫，是航天產(chǎn)品更為合適的工藝方法。

圖1 QFN封裝芯片

圖1為典型的QFN封裝芯片，是六面體結(jié)構(gòu)，底面有陣列焊盤(pán)。根據(jù)器件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)研制的搪錫工裝如圖2所示，工裝采用不銹鋼材料制成，主要由導(dǎo)軌、下托機(jī)構(gòu)、立柱、元器件托板和施壓手柄等組成。其中，元器件托板采用上下夾持芯片的結(jié)構(gòu)形式，下托機(jī)構(gòu)可在導(dǎo)軌上移動(dòng)，立柱使器件能懸于錫鍋上方，向下按施壓手柄可使元器件浸入錫鍋，完成去金搪錫。

圖2 搪錫工裝

使用工裝夾持QFN器件浸入錫鍋進(jìn)行去金搪錫，搪錫溫度、時(shí)間等參數(shù)參考元器件手冊(cè)設(shè)定。搪錫結(jié)果如圖3所示，有部分焊盤(pán)未能上錫。

圖3 浸入錫鍋搪錫結(jié)果

分析原因，兩方面因素造成這種結(jié)果。首先，由于不銹鋼材料不與熔融鉛錫合金反應(yīng)，在表面張力作用下，熔融鉛錫合金不能在凸臺(tái)附近鋪展；其次，在對(duì)施壓手柄施加壓力使器件托板浸入液面過(guò)程中，必然導(dǎo)致液面下殘留少量空氣，同時(shí)，助焊劑受熱過(guò)程中產(chǎn)生少量氣體，影響部分焊盤(pán)的去金搪錫。

為解決去金搪錫過(guò)程中，氣體因素對(duì)焊盤(pán)上錫的影響，需要保證焊接過(guò)程中及時(shí)排出氣體，以免氣體堆積影響焊盤(pán)去金搪錫。根據(jù)這一要求，采用局部波峰焊機(jī)，并設(shè)計(jì)尺寸合適的噴嘴，使得形成的焊料波峰足以接觸QFN封裝芯片的兩排焊盤(pán)。在搪錫過(guò)程中，勻速移動(dòng)元器件，依靠波峰噴涌的力量使去金搪錫過(guò)程中產(chǎn)生的氣體及時(shí)排出，從而實(shí)現(xiàn)所有焊盤(pán)的上錫。

搪錫工裝改進(jìn)后配合局部波峰焊機(jī)進(jìn)行去金搪錫，如圖4所示。搪錫結(jié)果如圖5所示，使用局部波峰焊搪錫后，幾乎所有焊盤(pán)均上錫，僅有在凸臺(tái)位置的幾個(gè)焊盤(pán)未能上錫。證明這種方法應(yīng)是可行的，對(duì)于未能上錫的少數(shù)焊盤(pán)，可以在去金搪錫過(guò)程中使凸臺(tái)附近的焊盤(pán)在波峰停留短暫時(shí)間，以便于焊盤(pán)上錫。

圖4 使用局部波峰焊機(jī)進(jìn)行去金搪錫

圖5 使用局部波峰焊機(jī)搪錫結(jié)果

3 去金搪錫效果檢測(cè)

在元器件去金搪錫試驗(yàn)后，使用光學(xué)顯微鏡僅能從宏觀上檢查是否有未除盡的金元素，無(wú)法量化金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，需要采用能譜分析的方法，測(cè)量金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3.1 光學(xué)顯微鏡檢驗(yàn)

圖6 使用局部波峰焊機(jī)搪錫試樣

使用局部波峰焊機(jī)進(jìn)行去金搪錫制備的試樣如圖6所示，使用光學(xué)顯微鏡檢查結(jié)果：

a. 焊盤(pán)完全上錫，無(wú)金黃色未去除干凈的部位；

b. 搪錫焊盤(pán)表面潤(rùn)濕良好，無(wú)毛刺、無(wú)拉尖現(xiàn)象，錫層厚度均勻，無(wú)殘?jiān)秃竸┱掣剑?/p>

c. 焊盤(pán)間無(wú)搪錫橋連；

d. 搪錫的元器件外觀無(wú)損傷、無(wú)刻痕，漆層完好，無(wú)燒焦、脫落現(xiàn)象，元器件的型號(hào)、規(guī)格、標(biāo)志應(yīng)清晰。

3.2 能譜分析檢測(cè)金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

樣件進(jìn)行金相剖切后，顯微照片與掃描電鏡照片如圖7所示。

圖7 芯片剖切照片

對(duì)焊盤(pán)合金層檢測(cè)如圖8所示，去金后，可能含有Au元素的是Sn/Ni合金層和Sn/Pb層，對(duì)焊盤(pán)這兩層的能譜分析如圖9所示。

圖8 焊盤(pán)合金層金相組織

圖9 芯片焊盤(pán)Sn/Ni/Co合金層和Sn/Pb層能譜分析

對(duì)試驗(yàn)樣件中任選的不少于10個(gè)焊盤(pán)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明所測(cè)焊盤(pán)中Au元素重量百分比均在1%以下。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了QFN封裝芯片無(wú)引線(xiàn)表貼元器件去金搪錫的工藝方法，可有效去除焊盤(pán)的鍍金層，使金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1%以下，達(dá)到各軍用標(biāo)準(zhǔn)中的要求，為避免焊接后焊點(diǎn)中出現(xiàn)“金脆”現(xiàn)象提供保證，可極大提高產(chǎn)品在服役期間的可靠性。

1 王曉明，范燕平. 錫-鉛共晶焊料與鍍金層焊點(diǎn)的失效機(jī)理研究[J]. 航天器工程，2013，22(2)：108

2 IPC-D-279, Design guidelines for reliable surface mount technology printed board assemblies [S].

3 QJ3012—98 航天電子電子產(chǎn)品元器件通孔安裝技術(shù)要求[S].

4 QJ3011—98 航天電子電子產(chǎn)品焊接通用技術(shù)要求[S].

5 QJ3117A—2011 航天電子電子產(chǎn)品手工焊接工藝技術(shù)要求[S].

6 QJ3267—2006 電子元器件搪錫工藝技術(shù)要求[S].

7 IPC-J-STD-001E-2010, Requirements for soldered electrical and electronic assemblies [S].

8 ECSS-Q-ST-70-08C, Manual soldering of high-reliability electrical connections [S].

9 王繼林，白磊，李珍珍，等. 無(wú)引線(xiàn)鍍金表面貼裝器件搪錫技術(shù)[J]. 航天制造技術(shù)，2011(5)：33～34

Research on Process Method of Degolding and Tin-coating for QFN Components

Qi Lin Yang Jingwei Du Shuang Li Jiabin

(Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity, Beijing 100094)

The process method of degolding and tin-coating for QFN components was studied according to its structural feature. A special fixture was designed to clamp QFN components when they were tinning using a local wave soldering machine. The mass fraction of gold in the pad of QFN components could be reduced to less than 1%. As a result, gold-embrittlement could be avoided so that the reliability of products could be improved.

QFN；degolding；tin-coating

齊林（1987），工程師，材料加工工程專(zhuān)業(yè)；研究方向：航天產(chǎn)品電子裝聯(lián)工藝研究。

2017-12-12