賴志偉，許慶仁，舒勝輝，曾 志，范 濤，魏晶慧

（1.清華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100084；2.永泰電子（東莞）有限公司，廣東東莞 523583；3.電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，四川 成都 611731；4.北京新瑪博創(chuàng)超聲波科技有限公司，北京 100085）

USB3.1 TypeC超聲輔助釬焊焊接性研究

賴志偉1，2，許慶仁2，舒勝輝2，曾 志3，范 濤3，魏晶慧4

（1.清華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100084；2.永泰電子（東莞）有限公司，廣東東莞 523583；3.電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，四川 成都 611731；4.北京新瑪博創(chuàng)超聲波科技有限公司，北京 100085）

采用自制的SnXX無(wú)鉛釬料代替生產(chǎn)中常用的SnBi釬料，并分別采用超聲波輔助釬焊技術(shù)和常規(guī)釬焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)USB3.1 Type C中的銅導(dǎo)線和銅端子的可靠焊接互連，以闡明新型超聲輔助釬焊技術(shù)在數(shù)據(jù)線連接領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)越性。焊后PIN位焊點(diǎn)錫點(diǎn)飽滿，PIN位的前端未見(jiàn)未融的錫膏，焊杯界面無(wú)過(guò)多的錫珠。焊點(diǎn)橫截面宏觀形貌呈圓滑過(guò)渡，界面結(jié)合良好并形成Cu6Sn5化合物，無(wú)宏觀缺陷，良品率較高。

USB3.1 Type C；SnXX釬料；超聲輔助釬焊；組織形貌

0 前言

USB[1]（通用串行總線）因其即插即用的便攜性，成為廣泛使用于個(gè)人計(jì)算機(jī)及個(gè)人消費(fèi)電子行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)智能型串行接口。USB 3.1 Type C連接器可逆、耐用、占用空間小，大幅縮小了實(shí)體外型，更適合用在短小輕薄的手持式裝置上。Type C將取代Micro-AB型連接器（支援USB裝置直接對(duì)傳，不需要有主控系統(tǒng)介入），也將取代一般Micro-USB連接器。隨著USB Type C技術(shù)的成熟，未來(lái)的各種筆記本、平板電腦甚至是智能手機(jī)都將普及USB Type C接口[2]。

USB Type C連接器中裸線銅導(dǎo)體與銅端子的連接方法有很多種，而釬焊是最可靠的方法。根據(jù)歐盟2003年發(fā)布的指令，自2006年7月1日起進(jìn)入市場(chǎng)的電力電子產(chǎn)品不能含有鉛、汞、鎘、六價(jià)鉻、PBB和PBDE六種有害物質(zhì)[3]。無(wú)鉛釬料的開(kāi)發(fā)和推廣是市場(chǎng)發(fā)展的必然結(jié)果。常規(guī)軟釬焊時(shí)不可避免的要使用釬劑，釬焊后殘留的釬劑難于清理，造成連接器絕緣阻抗失效[4-5]以及對(duì)環(huán)境的污染。因此，無(wú)鉛釬料、新型助焊劑、相關(guān)釬焊設(shè)備和釬焊工藝必須做出改進(jìn)。

本研究采用自制的SnXX無(wú)鉛合金作為釬料，應(yīng)用超聲輔助釬焊技術(shù)連接USB 3.1 Type C中的銅導(dǎo)體和銅端子。釬焊過(guò)程中施加的超聲波振動(dòng)會(huì)在熔融釬料內(nèi)產(chǎn)生空化效應(yīng)，有效去除釬料及母材表面的氧化膜，以期改善無(wú)鉛釬料的釬焊工藝性及焊接接頭的可靠性[6-8]。

1 USB3.1 Type C接頭

USB3.1 Type C釬焊部位如圖1所示，銅導(dǎo)體與接頭銅端子的釬焊質(zhì)量直接影響USB連接線的信號(hào)傳輸質(zhì)量。在生產(chǎn)過(guò)程中，由于釬焊工藝、溫度及時(shí)間的影響，會(huì)造成釬焊接頭銅導(dǎo)體與銅端子釬焊界面出現(xiàn)假焊缺陷。釬焊界面缺陷與釬料、釬焊工藝、母材等相關(guān)，因此可通過(guò)對(duì)釬料、釬焊工藝、釬焊界面缺陷的研究，分析缺陷的產(chǎn)生原因。

2 釬料及釬焊工藝

2.1 釬料

使用自制的SnXX釬料，顯微組織形貌如圖2所示；通過(guò)能量色散譜儀（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）檢測(cè)接頭成分，如圖3所示。SnXX釬料中w（Ag）約為10%，Sn含量比生產(chǎn)中所用的Sn58Bi增加較多；熔點(diǎn)約為250℃，較Sn58Bi（140℃）有較大提高，其相應(yīng)的釬焊溫度也將提高。因此，也將使Cu基體在熔融釬料中的溶解速度和擴(kuò)散速度提高?，F(xiàn)采用在Cu基體上鍍一層Ni來(lái)防止基體在釬料中的過(guò)快溶解[9]。

圖1 USB 3.1 Type C連接器預(yù)釬焊部位

圖2 SnXX釬料形貌

圖3 SnXX釬料成分分析

2.2 超聲輔助釬焊工藝

超聲釬焊設(shè)備示意如圖4a所示，這也是國(guó)內(nèi)首次將超聲波引入適用于連接線釬焊的設(shè)備。采用感應(yīng)預(yù)熱超聲工具頭，再傳導(dǎo)至釬焊位置的方式加熱，施加超聲振動(dòng)，焊后空冷至室溫，其釬焊示意如圖4b所示。釬焊過(guò)程中，超聲波頻率20 kHz，超聲功率20 W，壓接時(shí)間5 s，超聲作用時(shí)間0.6～3 s。釬焊溫度300℃。

圖4 超聲輔助釬焊示意

焊后焊點(diǎn)冷鑲，經(jīng)水砂200#、500#和1 000#粗磨，金相砂紙500#和800#精磨后，使用1 μm金剛石拋光劑拋光，以備顯微鏡觀察。通過(guò)掃描電子顯微鏡SEM（ZEISS EVO 18 Special Edition）及其能譜設(shè)備EDS觀察其接頭組織形貌，定量分析其化學(xué)成分。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 超聲輔助釬焊工藝與常規(guī)釬焊焊點(diǎn)的對(duì)比

圖5為采用SnXX超聲輔助釬焊和常規(guī)釬焊銅導(dǎo)體和銅端子的宏觀形貌。釬焊后PIN位錫點(diǎn)飽滿，PIN位的前端沒(méi)有未熔的錫膏，焊杯界面沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)多的錫珠，如圖5a所示。傳統(tǒng)釬焊條件下，焊點(diǎn)周圍存在飛濺導(dǎo)致的錫珠[10-11]，如圖5b所示。

圖6為采用SnXX超聲輔助釬焊和常規(guī)釬焊銅導(dǎo)體和銅端子的橫截面宏觀形貌。常規(guī)釬焊容易出現(xiàn)氧化膜未清除干凈導(dǎo)致的未焊合（見(jiàn)圖6a），釬料填充不足導(dǎo)致的縮孔，未排除氣孔以及反應(yīng)生成化合物層間的裂紋（見(jiàn)圖6b）。相對(duì)應(yīng)的，超聲輔助釬焊的焊點(diǎn)呈圓形圓滑過(guò)渡，界面結(jié)合良好，未觀察到未焊合、縮孔、氣孔和裂紋等缺陷（見(jiàn)圖6c）。這是因?yàn)殁F焊過(guò)程中加入了超聲波振動(dòng)，一方面其在液態(tài)釬料中的空化作用可以完全去除釬料及母材的氧化膜，實(shí)現(xiàn)釬料與母材的冶金結(jié)合；另一方面，可以增強(qiáng)釬料的毛細(xì)作用，填料更均勻，還能加速氣體的排除[8]。通過(guò)控制超聲作用時(shí)間可以有效控制界面反應(yīng)速率和化合物的厚度。

圖5 不同釬焊方法焊點(diǎn)的宏觀形貌

3.2 超聲輔助釬焊焊點(diǎn)顯微組織分析

超聲波輔助釬焊后的接頭界面顯微組織形貌如圖7所示。由圖7a可知，釬料與PCB板和銅導(dǎo)線均發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，形成冶金結(jié)合。結(jié)合EDS分析結(jié)果（見(jiàn)表1），圖7a中銅導(dǎo)線界面上形成約2 μm厚的化合物Cu6Sn5相，而PCB板的界面上化合物分布比較疏松，沒(méi)有觀察到連續(xù)的化合物層，為（Cu，Ni）6Sn5相，固溶了少量的Ni[9]。這是因?yàn)殄僋i層的存在減緩了Cu層與釬料的反應(yīng)速率。觀察遠(yuǎn)離PCB板界面的銅導(dǎo)線界面，如圖7b所示，每根銅導(dǎo)線與釬料均形成了冶金結(jié)合，其界面上也形成了數(shù)量不同、大小不一的塊狀Cu6Sn5相。圖7c為SnXX釬料在紫銅板上的鋪展?jié)櫇竦慕缑嫘蚊?，超聲作用時(shí)間為3 s。相比PCB/釬料界面，一方面沒(méi)有Ni層阻擋，另一方面超聲作用時(shí)間延長(zhǎng)，因此紫銅/釬料界面上形成了3.5 μm的化合物反應(yīng)層，可以分為靠近紫銅板的致密層和靠近釬料側(cè)的疏松層，均為Cu6Sn5相。相比銅導(dǎo)線/釬料界面，延長(zhǎng)超聲作用時(shí)間，可以加速化學(xué)元素間的化學(xué)反應(yīng)，增加化合物層的厚度。

圖6 不同釬焊方法焊點(diǎn)的橫截面宏觀形貌

當(dāng)超聲振動(dòng)去除氧化膜后，Cu與Sn會(huì)反應(yīng)生成Cu6Sn5，接著通過(guò)原子的擴(kuò)散作用一部分快速的向釬料側(cè)生長(zhǎng)，一部分緩慢的向母材側(cè)生長(zhǎng)[12]。PCB/釬料界面線掃描的分析結(jié)果如圖8所示。

從圖中可明顯觀察到Cu元素?cái)U(kuò)散層的存在。界面化合物的存在阻礙了Cu原子進(jìn)一步擴(kuò)散，擴(kuò)散的Cu原子與Cu6Sn5再次發(fā)生反應(yīng)生成Cu3Sn，Cu3Sn在靠近Cu基板一側(cè)而Cu6Sn5存在于IMC層的上方。由于Cu3Sn層的厚度非常薄，小于1 μm[13]，因此，在圖7和圖8上未明顯觀察到。

結(jié)合焊點(diǎn)的橫截面宏觀形貌和界面顯微組織形貌可以看出，超聲輔助釬焊技術(shù)能夠極大提高焊點(diǎn)連接的可靠性。超聲輔助釬焊技術(shù)無(wú)需助焊劑，綠色環(huán)保，產(chǎn)品合格率大大提升，可與計(jì)算機(jī)連接實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。

4 結(jié)論

（1）采用SnXX釬料超聲輔助釬焊技術(shù)很好地實(shí)現(xiàn)了連接銅導(dǎo)線和銅端子的連接，其焊點(diǎn)形貌呈圓滑過(guò)渡，界面結(jié)合良好，無(wú)明顯缺陷。

圖7 接頭界面的顯微組織形貌

表1 圖7中各點(diǎn)的能譜分析結(jié)果

圖8 Cu的擴(kuò)散

（2）SnXX釬料與銅導(dǎo)線和PCB板的界面均形成冶金結(jié)合，其反應(yīng)生成的化合物均為Cu6Sn5。延長(zhǎng)超聲作用時(shí)間，可以增加化合物層的厚度，合理厚度的化合層可增加焊點(diǎn)的可靠性。

[1]索曉杰，翟正軍，姜紅梅.USB3.0協(xié)議分析與框架設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20（8）：2233-2235.

[2]黃騰.USB Type-C及PD設(shè)計(jì)驗(yàn)證面面觀[J].中國(guó)集成電路，2016（9）：20-25.

[3]錢乙余.電子組裝中的無(wú)鉛軟釬焊技術(shù)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006：1-10.

[4]范彩云.基于連接器失效機(jī)理的例行試驗(yàn)合理性及有效性分析[D].北京：北京郵電大學(xué)，2015：20-80.

[5]周建新.淺談電連接器的失效分析及預(yù)防[J].機(jī)電元件，2014，34（3）：32-35.

[6]Cilalone J H.Ultrasonic soldering and brazing[J].EWI Insight，2007（20）：4-5.

[7]閆久春，楊春利，劉會(huì)杰，等.超聲復(fù)合釬焊研究現(xiàn)狀及科學(xué)問(wèn)題[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，51（24）：41-49.

[8]魏晶慧，高興強(qiáng)，閆久春，等.Fe36Ni合金與SiC增強(qiáng)Al基復(fù)合材料的超聲波釬焊研究[J].釬焊學(xué)報(bào)，2014，35（7）：5-8.

[9]Zhu Q S，Guo J J，Shang J K，et al.Shear of Sn-3.8Ag-0.7Cu solder balls on electrodeposited FeNi Layer[C].2008電子封裝技術(shù)與高密度集成技術(shù)國(guó)際會(huì)議，2008：1-4.

[10]馮萃峰，周怡琳.失效連接器觸點(diǎn)表面的SEM和EDS分析[J].電子顯微學(xué)報(bào)，2004，23（4）：490.

[11]肖祥慧，彭敏放，賀建飚，等.磁頭無(wú)鉛微焊點(diǎn)液滴飛濺和失效性分析[J].電子學(xué)報(bào)，2015，43（4）：769-775.

[12]Hwang C W，Suganuma K，Lee J G，et al.Interface microstructure between Fe-42Ni alloy and pure Sn[J].J.Mater. Res.，2003，18（5）：1202-1210.

[13]吳懿平，鮮飛.電子組裝技術(shù)[D].武昌：華中科技大學(xué)出版社，2006：24-25.

Research on weldability of ultrasonic-assisted soldering on USB3.1 Type C connector

LAI Zhiwei1，2，XU Qingren2，SHU Shenghui2，ZENG Zhi3，F(xiàn)AN Tao3，WEI Jinghui4
（1.School of Materials Science and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2.Yong Tai Electronic (Dongguan)Ltd.，Dongguan 523583，China；3.University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China；4.Beijing Xinma Bochuang Ultrasonic Technology Ltd.，Beijing 100085，China）

In this paper，customed SnXX lead-free solder was used instead of SnBi solder which was normally used in the electronic packaging production.The advantages of the new ultrasonic-assisted soldering（UAS）technology in the data line connection field were illustrated through comparing the joints structure of copper wire and copper terminal in USB3.1 Type C by UAS and conventional soldering.After soldering，the joints of PIN position were full filled with solder.There were no solder pastes in the front of the PIN position，and the joints interface did not generate too many solder beads.The macroscopic morphology of the cross section appeared a smooth hemispheroid，with a fine bonding interface and no macroscopic defects.And so the product yield was highly increased.The metallurgical reaction occurred on the interface of the UAS joints，where Cu6Sn5 compounds mainly formed.

USB3.1 Type C；SnXX solder；ultrasonic assisted soldering；microstructure

TG456.7

C

1001－2303（2017）04－00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

獻(xiàn)

郭吉昌，朱志明，閆國(guó)瑞，等.基于UG的弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].電焊機(jī)，2017，47（01）：1-6.

2016-07-06；

：2016-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（51205047）；廣東省科技支撐計(jì)劃

賴志偉（1974—），男，湖南人，在讀博士，主要從事高速互聯(lián)技術(shù)的研究。