王寶成 張文晗 李雁華（中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第九研究院第七七一研究所，陜西 西安 710600）

金表面污染對(duì)熱壓焊接影響分析研究

王寶成 張文晗 李雁華
（中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第九研究院第七七一研究所，陜西 西安 710600）

熱壓焊接是連接印制電路板的一種新興微組裝技術(shù)，在采用熱壓焊接方式進(jìn)行的微組裝過程中，金表層與金線的可靠鍵合是關(guān)鍵的質(zhì)量控制點(diǎn)。本文解析了表貼連接盤金表面清潔度要求，提出了表面污染分析方法，引入了等離子和超聲波方法對(duì)金表面進(jìn)行清洗。并通過熱壓焊后金線拉脫試，驗(yàn)證了等離子清洗和超聲波清洗方法的有效性。

電鍍金；熱壓焊；表面污染；污染分析；表面清洗

熱壓焊接是利用超聲波、熱量和壓力使相接觸的金屬間發(fā)生原子擴(kuò)散形成金屬間化合物，達(dá)到可靠的連接，是印制板裝配的一種常見工藝方法。在采用熱壓焊接方式進(jìn)行的電子元器件微組裝過程中，金鍍層與金線的可靠鍵合是最關(guān)鍵的質(zhì)量控制點(diǎn)。在印制板電鍍金工藝過程中，影響金線鍵合力主要因素如下：（1）金鍍層表面粗糙度，主要影響鍵合的過程中金線和金鍍層的接觸面積，表面粗糙度越大，鍵合結(jié)合力越強(qiáng)，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道金面粗糙度應(yīng)大于0.3 μm［1］；（2）電鍍金純度，純度低于99.9%時(shí)，金線鍵合的可靠性下降［2］；（3）鍍層結(jié)構(gòu)和厚度，鎳金結(jié)構(gòu)優(yōu)于純金結(jié)構(gòu)，一般規(guī)定鎳厚不小于2.5 μm，金鍍層不小于1.3 μm，若采用純金結(jié)構(gòu)，金厚不小于2.5 μm。（4）電鍍金表面清潔程度，因電鍍金后處理或存放不當(dāng)導(dǎo)致金面污染使得金線鍵合的可靠性降低，污染嚴(yán)重時(shí)無法進(jìn)行鍵合。

在影響熱壓焊接的因素中，金鍍層表面粗糙度、純度和鍍層厚度已有文獻(xiàn)報(bào)道，但對(duì)于金表面污染對(duì)熱壓焊接的影響目前尚無詳細(xì)報(bào)道。本文通過相關(guān)方法驗(yàn)證和應(yīng)用，對(duì)金表面污染檢測(cè)方法和污染清洗方法進(jìn)行探討，以期提高金鍍層的表面質(zhì)量，提高熱壓焊接的可靠性。

1 表貼連接盤清潔度要求

印制板的表貼（表面貼裝）連接盤可分為矩形連接盤和圓形連接盤，對(duì)表貼連接盤表面清潔的要求如表1所示［3］。

2 表貼連接盤污染分析方法

SEM（掃描電鏡）和EDS（能量散射光譜）是常用的表面分析手段，其中，SEM是用于直接觀察固體表面但的可有形貌，EDS可對(duì)各種物質(zhì)進(jìn)行定性定量分析，元陷素等缺組陷成；及分布分析，通過分析確認(rèn)污染污染物的表視觀的形電貌測(cè)試和元素組成，從而確定污染物的來源。表2所示為一組金面污染物的SEM和EDS示例分析。

從表2的檢測(cè)結(jié)果可以看到，測(cè)試出的元素有：C、O、A l、Ni、Cu、Au等，對(duì)比正常的分析結(jié)果，測(cè)試結(jié)果中的C、O、A l三元素屬于異常元素。一般情況下C元素含量在20%以內(nèi)為外界環(huán)境污染所致（在取樣或者檢測(cè)過程中），而超過20%則為有機(jī)污染所致；O元素說明存在污染或者氧化，少量的A l元素說明金面在清洗或者保存過程中存在污染；

表1 表貼連接盤表面清潔要求

表2 SEM和EDS分析

從上述掃描結(jié)果可以看出，1號(hào)樣板金面主要為Au、C元素，且C元素含量在20%以內(nèi)，說明1號(hào)樣板金面為非污染金面。2號(hào)樣板金面除Au、Ni、Cu元素外，還含有C、O、A l等元素，并且C、O元素含量超過20%，說明存在有機(jī)污染，A l元素的存在是金面拋光過程中使用的拋光液中含有磨料A l2O3的緣故。

根據(jù)印制板生產(chǎn)種主要涉及的污染源進(jìn)行元素分析，如表3所示，可以對(duì)照元素分布情況，初步判定金面污染對(duì)應(yīng)的污染物。

表3 常見污染源元素分析

FTIR（全反射紅外光譜）是對(duì)金面污染物進(jìn)行分析的一種有效手段，可以用來測(cè)定物質(zhì)表面有機(jī)污染物的結(jié)構(gòu)信息。FTIR測(cè)定樣品具有非破壞性，無需預(yù)處理等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于傳統(tǒng)透射光譜法難以處理的樣品如金屬表面、纖維表面等都可獲得較好的紅外光譜圖［4］。

表4 金面污染物的FTIR圖譜

從上述全反射紅外光譜可以看出，1號(hào)樣板金表面未檢測(cè)到紅外吸收峰，說明該金面未被污染，與EDS元素分析的結(jié)果吻合。2號(hào)樣板金面在3100 cm-1和1300 cm-1處出現(xiàn)特征吸收峰，分別歸屬于C-H的伸縮振動(dòng)和C-C共軛雙鍵的伸縮振動(dòng)，據(jù)此判斷污染物中含有苯類化合物，據(jù)此可以判定污染物可能來自于高溫膠帶中的有機(jī)粘附層。

表5為常見的污染物的吸收特征峰，可以據(jù)此對(duì)污染物的化學(xué)官能團(tuán)進(jìn)行初步指認(rèn)。

表5 FTIR圖譜中化學(xué)官能團(tuán)對(duì)應(yīng)波數(shù)圖

一般來說，對(duì)金面造成污染物質(zhì)多為有機(jī)物，可以通過FTIR識(shí)別出污染物對(duì)應(yīng)的有機(jī)物中的官能團(tuán)（有機(jī)特征結(jié)構(gòu)），從而判定污染物的來源。表4為一組金面污染物的FTIR示例分析。

3 表貼連接盤鍍金后清洗方法

熱壓焊接是兩種金屬原始交界面幾乎接近原子力的范圍（晶格常數(shù)），通過共用電子形成了原子間的電子橋，原子之間相互擴(kuò)散，產(chǎn)生鍵合，形成牢固的焊接。如果壓焊界面有污染，就會(huì)阻礙金屬原子的接近范圍，無法產(chǎn)生鍵合。這類污染可通過采取機(jī)械處理、等離子清洗、超聲波清洗等有效方式去除。所以，針對(duì)金面污染物的清洗方法也是控制金面熱壓焊接質(zhì)量的有效手段。

等離子清洗方法是去除弱鍵（以含-CH為典型基團(tuán)）有機(jī)粘污，主要特點(diǎn)是只對(duì)表面起作用而無侵蝕內(nèi)部作用，得到高清潔的表面。等離子清洗工藝參數(shù)見表6。

表6 等離子清洗工藝參數(shù)

超聲波清洗可以使金表面有機(jī)物與清潔溶液充分接觸，促使粘污快速溶解，達(dá)到表面清潔的目的。超聲波清洗工藝參數(shù)見表7。

表7 超聲波清洗的工藝參數(shù)

對(duì)經(jīng)等離子清洗和超聲波清洗的金面進(jìn)行熱壓焊接，觀察焊接點(diǎn)在推力作用下斷裂的失效模式，依次判據(jù)熱壓焊接質(zhì)量是否滿足鍵合要求。通過圖1可以看出，焊接點(diǎn)的斷裂部位在金絲上，說明金絲與金鍍層間鍵合力良好。

圖1 金面熱壓焊接拉脫點(diǎn)（金帶斷裂）

對(duì)經(jīng)清洗后的金面進(jìn)行超聲熱壓焊接金絲，工藝參數(shù)見表8。

表8 熱壓焊接工藝參數(shù)表

熱壓焊接后測(cè)試金絲與金鍍層的拉脫力，判斷清洗的效果，測(cè)試結(jié)果參見表9。

從上表可以看出，通過清洗后的拉脫力均滿足指標(biāo)要求，清洗效果排序?yàn)椋旱入x子和超聲清洗組合＞等離子清洗＞超聲波清洗。

表9 污染金面清洗后金帶壓焊試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

本文分析了金面污染導(dǎo)致熱壓焊接不良的原理，針對(duì)污染提供兩種有效的實(shí)驗(yàn)分析方法，并逐一示例，制作了常見污染源的化學(xué)元素一覽表供分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考，具有一定的指導(dǎo)意義。經(jīng)驗(yàn)證，采用等離子清洗和超聲波清洗相結(jié)合的方法，可以

［1］田生友. 電鍍Au/Ni表面形貌改善的研究［G］. 2013秋季國(guó)際PCB技術(shù)/信息論壇，2013（z1）:231-237.

［2］陳飛珺. 電鍍鎳金板無法鍵合金線的失效分析［J］.復(fù)旦學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（2）:154-157.

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［4］黃紅英. 傅里葉變換衰減全反射紅外光譜法（ATR-FTIR）的原理與應(yīng)用進(jìn)展［J］. 中山大學(xué)研究生學(xué)刊（自然科學(xué)），2011（1）:20-28.

王寶成，工程師，主要負(fù)責(zé)電金技術(shù)的研究工作。

Pollution effect on the gold surface welding hot analysis research

WANG Bao-cheng ZHANG Wen-han LI Yan-hua

Welding is connected w ith PCB new m icro assembly technology. M icro assembly process is carried out in the use of hot welding methods. Reliable key gold surface and gold alloy are the key points of quality control. This paper analyzes the surface degree requires for the connection of gold plate surface cleaning and the method for surface contamination， introduced the plasma and ultrasonic method for cleaning on the gold surface. Through the gold pulling test， it verifies the effectiveness of plasma cleaning and ultrasonic cleaning method.

Gold Plated； Hot Pressure Welding； Surface Contam ination； Pollution Analysis； Surface Cleaning

TN41

A

1009-0096（2015）12-0057-05