高偉娜，胡鳳達(dá)，陳雅容

（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190）

Sn-3.0Ag-0.5Cu真空再流焊工藝技術(shù)研究

高偉娜，胡鳳達(dá)，陳雅容

（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190）

為了獲得低熱阻和解決不同焊接材料之間的熱應(yīng)力匹配問題，大功率DC-DC模塊電源產(chǎn)品廣泛采用了載體組件作為功率元器件熱沉的散熱方法。載體組件由金屬基板和陶瓷基板焊接而成，為了得到無空洞的焊接界面，載體組件采用了真空再流焊工藝技術(shù)。文中從焊料形態(tài)、焊接表面處理、真空度等幾個(gè)方面介紹了載體組件的Sn-3.0Ag-0.5Cu真空再流焊工藝過程，載體組件完成真空再流焊接以后，通過焊點(diǎn)X光無損檢測(cè)、焊接界面微觀組織結(jié)構(gòu)分析、焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度測(cè)試及溫循試驗(yàn)對(duì)載體組件真空再流焊工藝的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，載體組件真空再流焊可以保證大功率模塊電源長(zhǎng)期使用的可靠性。

真空再流焊；Sn-3.0Ag-0.5Cu焊片；焊點(diǎn)可靠性

1 引言

隨著電子產(chǎn)品向小型化、高密度化方向的發(fā)展，電子產(chǎn)品單位面積的功率也在不斷增加，為了解決大功率DC-DC模塊電源的熱設(shè)計(jì)、熱應(yīng)力匹配問題，我們采用了載體組件作為功率元器件熱沉的散熱方法。載體組件由載體和陶瓷板焊接而成，功率元器件與載體組件安裝方式如圖1所示。其組裝過程為先采用真空焊接工藝實(shí)現(xiàn)載體和陶瓷板的焊接，然后再采用再流焊和手工焊接將功率元器件焊接在載體組件上。采用真空焊接的載體組件可以大量減少焊點(diǎn)的空洞，滿足功率元器件的散熱要求和提高焊點(diǎn)的焊接強(qiáng)度。

圖1 大功率元器件在載體組件上的安裝示意圖

2 真空焊接工藝

2.1 焊料成份及焊料形態(tài)的選擇

載體組件上功率元器件再流焊接和手工焊接用的焊料為錫鉛共晶焊料，熔點(diǎn)是183℃。為了保證功率元器件再流焊接和手工焊接過程中真空焊接層不發(fā)生二次重熔，真空焊接用焊料的熔點(diǎn)必須與錫鉛共晶焊料的熔點(diǎn)形成一定的溫度梯度，經(jīng)過綜合考慮，最終選用熔點(diǎn)為217℃的Sn-Ag3.0-Cu0.5焊料作為真空焊接的焊料。

真空焊接地焊料形態(tài)可以采用焊膏和焊片，但是為了最大限度地減少焊接界面的空洞，避免對(duì)真空焊接設(shè)備造成污染，載體組件真空焊接的焊料形式選用焊片。焊片不添加對(duì)真空焊接有影響的助焊劑，可以解決助焊劑的殘留問題，從而有效減少大面積焊接接頭處空洞的產(chǎn)生[1]。

2.2 焊接面的表面處理

由于焊接采用焊片，在焊接時(shí)無助焊劑去除被焊件和焊片表面的氧化物，雖然真空環(huán)境中被焊件和焊料表面的氧化物有分解的傾向，但由于真空度和焊接溫度的限制，真空環(huán)境主要是阻止焊接過程中焊接面的進(jìn)一步氧化，對(duì)氧化物分解的作用不明顯[2]。因此，焊接面的潔凈程度對(duì)焊接質(zhì)量至關(guān)重要。

為了保證載體和陶瓷板焊接面的潔凈，在產(chǎn)品焊接前需對(duì)其表面進(jìn)行搪錫處理；對(duì)于焊片來說，最大問題就是易氧化，在正常環(huán)境中不能長(zhǎng)期存放。為得到潔凈的焊接表面，焊片應(yīng)采用真空包裝或在保護(hù)性氣氛中存放，并在焊片使用前采用了等離子清洗技術(shù)，進(jìn)行氫氣、氬氣的沖擊方式，可以很好地解決焊片的表面氧化問題。

2.3 真空度的確定

根據(jù)玻意耳定律：

其中P1為初始?jí)簭?qiáng)；P2為最終壓強(qiáng)；V1為空洞初始體積；V2為空洞最終體積。

真空焊接后焊點(diǎn)空洞的最終體積V2＝V1（P1/P2），也就是說在真空狀態(tài)下，焊接空洞產(chǎn)生于兩個(gè)被焊器件和焊料片之間的空氣，如果在焊料片熔化前將真空室內(nèi)的壓強(qiáng)降低到一定值P1，待焊料片完全熔化后，再往真空室內(nèi)充氣，加大真空室內(nèi)的壓強(qiáng)到P2，則會(huì)把焊點(diǎn)內(nèi)的氣泡壓縮到很小的體積，焊后空洞的體積變化主要取決于P1/P2的比值。要想得到較小的P1/P2比值，獲得較低的空洞率，可以提高焊片熔化前的真空度，但是真空度越高，真空室內(nèi)氣體對(duì)流傳熱減少，傳熱方式主要轉(zhuǎn)化為接觸式傳熱，這就要求被焊臺(tái)面、載體、焊片和陶瓷板之間要良好接觸、有較好的表面平面度。如果與加熱臺(tái)面相接處的載體平面度不滿足要求或預(yù)成型焊片有變形，焊接時(shí)容易出現(xiàn)不熔化或熔化不完全的現(xiàn)象。

考慮傳熱因素，根據(jù)壓強(qiáng)變化和焊點(diǎn)空洞率之間的關(guān)系[3]，如圖2所示。最終確定真空室的壓強(qiáng)為10Pa。

圖2 壓強(qiáng)變化與空洞率關(guān)系圖

2.4 焊接溫度曲線

根據(jù)焊料的熔點(diǎn)和考慮焊接臺(tái)面的均溫性，確定真空再流焊的溫度曲線如圖3所示。由圖3可知，一條焊接曲線從開始到結(jié)束要經(jīng)過真空和大氣兩種壓力狀態(tài)。首先應(yīng)進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空室內(nèi)的壓強(qiáng)達(dá)到規(guī)定的真空度后載體組件再開始加熱，加熱臺(tái)面的溫度從室溫以0.5℃/s～1℃/s的速度升溫至再流焊接峰值溫度250℃。為了保證產(chǎn)品受熱的均勻性，產(chǎn)品在120℃和150℃各保溫10min，待焊料完全熔化后，真空室內(nèi)的壓強(qiáng)由真空狀態(tài)變?yōu)榇髿鉅顟B(tài)，使熔融焊料內(nèi)的空洞壓縮變小，然后再開始降溫。

圖3 Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料真空焊接工藝溫度曲線

2.5 焊接用工裝壓塊

為了保證載體、預(yù)制焊片和陶瓷板之間的良好接觸和傳熱，在載體組件焊接時(shí)應(yīng)施加一定重量的工裝壓塊。這樣不但可以防止載體與陶瓷板之間相互位移，而且可以增加熔融焊料的填縫長(zhǎng)度[4]，保證焊料填縫良好。

3 工藝質(zhì)量評(píng)價(jià)和焊接可靠性驗(yàn)證

3.1 X射線檢測(cè)

為了檢驗(yàn)載體組件真空焊接的焊點(diǎn)空洞率是否滿足要求，對(duì)采用以上真空焊接工藝參數(shù)的試件進(jìn)行X射線照相，結(jié)果表明焊接空洞率在5%以內(nèi)，部分試件的空洞率在2%以下，如圖4所示。

圖4 載體組件真空再流焊后的X射線檢查照片

3.2 焊點(diǎn)微觀組織結(jié)構(gòu)分析

為了驗(yàn)證焊接工藝參數(shù)的合理性，對(duì)焊接界面的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。如圖5所示SEM照片可知，采用Sn-3.0Ag-0.5Cu焊片的載體組件在真空焊接后形成了均勻細(xì)密、無空洞的共晶組織，焊料與鍍層界面處生成連續(xù)的金屬間化合物，形成了可靠的冶金連接。經(jīng)SEM自帶能譜儀分析，焊點(diǎn)在載體側(cè)Ni鍍層與焊料界面處生成均勻的層狀（Cu，Ni）6Sn5，此外在層狀（Cu，Ni）6Sn5附近，形成了大塊Ag3Sn顆粒，如圖5（b）所示。陶瓷板側(cè)Cu鍍層與焊料界面處形成連續(xù)均勻的10μm厚層狀Cu6Sn5金屬間化合物，并且在層狀Cu6Sn5金屬間化合物附近形成了針狀A(yù)g3Sn，如圖5（c）所示。

圖5 Sn-3.0Ag-0.5Cu焊片真空焊點(diǎn)SEM照片

3.3 焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度測(cè)試

利用剪切強(qiáng)度測(cè)試對(duì)載體組件真空焊點(diǎn)的機(jī)械性能進(jìn)行檢驗(yàn)，使用Instron 5569電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，剪切速度為1mm/min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，載體組件采用Sn-3.0Ag-0.5Cu焊片焊接后的平均剪切強(qiáng)度為12.2N/mm2，焊接性能較好。

3.4 焊點(diǎn)溫循試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)載體組件焊接的長(zhǎng)期可靠性，根據(jù)載體組件在功率模塊產(chǎn)品中的使用情況進(jìn)行了相應(yīng)的溫循試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為：溫度-35℃～85℃，循環(huán)次數(shù)為100次，每次循環(huán)在最高溫和最低溫端達(dá)到溫度穩(wěn)定后的浸泡時(shí)間為15min，試驗(yàn)中的溫度平均升（降）速率為5℃/min。通過以上溫循試驗(yàn)后，用三維顯微鏡在50倍下檢驗(yàn)試件表面無裂紋，陶瓷板未從載體上脫落。

表1 剪切力試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

通過對(duì)載體組件X射線照相、界面微觀組織結(jié)構(gòu)分析、焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度測(cè)試及溫循試驗(yàn)，對(duì)載體組件Sn-3.0Ag-0.5Cu焊片真空再流焊工藝參數(shù)及焊點(diǎn)的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，載體組件真空再流焊后組織均勻致密，空洞率低，焊料與鍍層之間界面處生成連續(xù)的金屬間化合物，形成了可靠的冶金連接，接頭強(qiáng)度高，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。目前，該工藝方法廣泛應(yīng)用在大功率DC-DC模塊電源產(chǎn)品上，產(chǎn)品工藝性能穩(wěn)定。

[1] 林偉成.用真空再流焊接實(shí)現(xiàn)BGA的無鉛無空洞焊接[J].電子工藝技術(shù)，2008，29（6）：324-327.

[2] 張建宏，王寧，等. 真空共晶設(shè)備的改進(jìn)對(duì)共晶焊接質(zhì)量的影響[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備，2010， 182：44-47.

[3] Paul W.Barnes. Void Free Die Attachment For Multichip Modules Using Solder Alloys[J].1998 International Conference on Multichip and High Density Packaging,1998∶435-440.

[4] 高能武，季興橋，等. 無空洞真空共晶技術(shù)應(yīng)用[J]. 電子工藝技術(shù)，2009，30（1）：16-21.

Reaseach of Vacuum Reflow Soldering with Sn-3.0Ag-0.5Cu Solder

GAO Wei-na,HU Feng-da,CHEN Ya-rong
（Beijing Spacecrafts,Beijing100190,China）

In order to obtain low thermal resistance and solve the thermal stress question of different materials,high-power DC-DC converter extensively use substrate-heat sink as the means of power devices cooling.The substrate-heat sink is consists of metal substrate and ceramic substrate.In order to get void-free interface, the substrate-heat sink is soldered with vacuum ref l ow soldering technology.This paper introduces the process of vacuum ref l ow soldering technology with Sn-3.0Ag-0.5Cu solder, which is described mainly from solder form, superf i cial treatment of solder surfaces,vacuum level and the otherwise. After ref l owing the Sn-3.0Ag-0.5Cu solder, the substrate-heat sink solder joint is inspected by X-ray, the quality of the solder interface is evaluated by SEM images,soldering strength and a temperature cycling is performed. The results show that the substrate-heat sink attached by vaccum ref l ow soldering can meet the high-power DCDC converter’s long-term reliability.

vaccum ref l ow soldering; Sn-3.0Ag-0.5Cu; solder joint reliabilty

TN305.94

A

1681-1070（2011）08-0015-04

2011-06-20

高偉娜（1976—），女，碩士，河北工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)，現(xiàn)就職于北京衛(wèi)星制造廠，主要從事電子產(chǎn)品工藝研究。