何 棋，郭紹雄，萬偉超，李偉超，張家濤

(云南錫業(yè)集團(控股)有限責(zé)任公司研發(fā)中心，云南 昆明 650101)

1 引言

隨著信息技術(shù)、高端裝備制造、新能源等產(chǎn)業(yè)的持續(xù)高速發(fā)展，對電子產(chǎn)品提出更為苛刻的適應(yīng)性、可靠性、穩(wěn)定性等要求。在電子元器件的生產(chǎn)過程中經(jīng)常會碰到普通焊料不能接觸或無法連接的情況，如果不能有效解決，將直接影響到電子產(chǎn)品甚至是整臺裝備的工況。預(yù)成型焊片就是用來解決這類問題的具有特殊形狀的釬料部件，其優(yōu)點是定位精確，釬料含量穩(wěn)定、焊接空洞率低和助焊劑殘留少，特別適合于高品質(zhì)要求的焊接場合。預(yù)成型焊片的正確設(shè)計和使用，是電子產(chǎn)品和裝備獲得高效率、低成本、高可靠性連接效果的保證。

預(yù)成型焊片是一種重要的封裝材料，其形狀有圓片、環(huán)片、墊圈、球狀、矩形、螺紋管狀、斜紋狀等，成分包含Sn-Ag-Cu、Sn-Pb、Au-Sn[1]、In-Ag[2]、Ag-Cu[3]等，主要用于集成電路的封裝，包括IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)封裝、SMT封裝(表面貼裝)、DIP封裝(雙列直插式封裝)、QFN封裝(方形扁平無引腳封裝)[4]、MEMS傳感器器封裝[5，6]等，可用于PCB電路板，金屬殼體，金屬-玻璃封裝，半導(dǎo)體集成電路、濾波器件、微波器件、大功率器件、連接器、傳感器、光電器件的金屬外殼或陶瓷外殼氣密封裝等，涉及到5G通訊、雷達、醫(yī)療、手機、汽車、高通/電車、電纜等行業(yè)。因此，預(yù)成型焊片與焊錫膏、BGA焊錫球同被譽為最具發(fā)展前景電子封裝用產(chǎn)品。全球高端預(yù)成型焊錫核心關(guān)鍵制造技術(shù)基本由美國、日本等掌握，導(dǎo)致長期以來國內(nèi)高端預(yù)成型焊片主要依賴進口，關(guān)鍵材料受制于人，制約著我國精密電子產(chǎn)品的發(fā)展。

目前，預(yù)成型焊片的制備方法有鑄造拉拔法[7，8]、疊層復(fù)合法[9～11]、電鍍沉積法[12]等方法，本文結(jié)合上述多種方法，采用熔錫→澆注/擠壓→軋制→沖壓→清洗/烘干→涂覆/烘干→包裝的新型制備工藝，成功批量生產(chǎn)出墊圈型預(yù)成型焊片，并獲得使用方認可，該焊片的使用性能達到了所需要求。

2 實驗過程

2.1 試驗原料及研究對象

2.1.1 試驗原料

試驗所用原料為云錫生產(chǎn)的SnPb40的錫條，成分如表1所示，具體物理參數(shù)見表2?？梢钥吹剑琒nPb40具有良好塑性、較低的抗拉強度和屈服強度。

表1 SnPb40的化學(xué)成分

表2 SnPb40的物理參數(shù)

2.1.2 研究對象

本文以墊圈形預(yù)成型焊片為研究對象，該焊片已有成熟使用方，墊圈型預(yù)成型焊片規(guī)格如圖1、表3。

圖1 墊圈型預(yù)成型焊片

表3 墊圈型預(yù)成型焊片規(guī)格

2.1.3 試驗設(shè)備

電阻爐：采用DL-1型電阻加熱爐(北京中興偉業(yè)世紀儀器有限公司，中國)進行SnPb40合金進行熔煉。

擠壓機：采用TXCJ-800型擠壓機(無錫市偉特機械設(shè)備制造廠，中國)對SnPb40板坯進行擠壓。

軋機：采用戶縣嘉泓機械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的兩種型號的精密壓延機對SnPb40焊帶進行軋制，設(shè)備參數(shù)見表4。

表4 試驗設(shè)備 mm

高速沖床：采用MS-18A-H型高速沖床(深圳市小精靈緊密機械有限公司，中國)對SnPb40焊帶進行沖壓。

其它設(shè)備：超聲清洗機、恒溫干燥箱、真空包裝機。

2.1.4 分析檢測設(shè)備

金相顯微鏡：采用Axio Vert Al型倒置金相顯微鏡(ZEISS，德國)對樣品微觀組織進行分析。

SEM：采用SU-70型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Hitachi，日本)對樣品微觀形貌進行分析。

真空回流焊機：采用KD-V20型真空回流焊機(北京誠聯(lián)愷達科技有限公司，中國)對試驗樣品進行真空回流焊試驗。

2.2 制備工藝流程

經(jīng)過前期調(diào)研及探索試驗，墊圈預(yù)成型焊片的制備所采用的工藝路線為合金熔煉→澆注/擠壓成形→粗軋→精軋→沖切(壓)→清洗→烘干→包裝。

2.2.1 合金熔煉

根據(jù)錫鉛合金(SnPb40)的特點，采用電阻加熱爐進行合金熔煉。熔煉過程中通過控制電阻爐功率及加熱溫度，并對合金熔體進行持續(xù)攪拌，以保證合金熔體成分均勻。

2.2.2 擠壓/澆鑄

采用有倒角、薄蓋板、有傾斜角的模具澆注，澆注合金熔體的溫度分別控制在液相線上150 ℃、170 ℃。用乙炔火焰在模具表面噴碳并預(yù)熱，將蓋板蓋上后，澆注熔體，熔體凝固后，開模取出板坯。采用350 t擠壓機進行擠壓，擠壓溫度為70 ℃。

2.2.3 軋制

2.2.3.1 軋制溫度

對工業(yè)金屬，經(jīng)強烈冷變形后的最低再結(jié)晶溫度TR(K)約等于其熔點Tm(K)的0.4倍，通過初步計算SnPb40合金的再結(jié)晶溫度約為-91.69 ℃，因此，軋制溫度選擇為常溫。

2.2.3.2 壓下規(guī)程

壓下規(guī)程作為影響SnPb40錫板軋制過程的重要因素，對SnPb40錫板的組織變化、變形抗力和塑性均有較大影響[13]。壓下規(guī)程過大容易引起應(yīng)力集中致使板材開裂，過小會影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[14]。目前Al合金板材軋制大多以多道次小壓下的方式進行，即每道次壓下量不超過5%，8-10道次壓下量不超過1%[15]。由于應(yīng)變速率提高會導(dǎo)致SnPb40錫板塑性下降，SnPb40錫板的軋制速度相對于其它合金來說較低。因此，設(shè)計了從3 mm到1.17 mm的SnPb40壓下規(guī)程，總壓下為0.61，如表5所示。

表5 SnPb40錫板軋制壓下規(guī)程

2.2.4 沖壓

開啟整平機電源，將 SnPb40焊帶放進整平機，調(diào)整輥縫，啟動整平機對焊帶進行整平，整平后的焊帶送入送料機，在模具中調(diào)整焊帶位置，啟動沖床電源，啟動空壓機，待壓力達到額定值后，將沖床調(diào)整到手動模式，手動沖壓正常后，將沖床調(diào)整到自動模式，設(shè)置沖壓速率，啟動沖床，進行沖壓，對樣品進行收集。

2.2.5 清洗/烘干

使用超聲清洗機對收集好的SnPb40樣品進行清洗，首先用無水乙醇超聲清洗3次，每次間隔10 min，然后用去離子水超聲清洗兩次，每次間隔10 min，最后使用恒溫干燥箱對樣品干燥，干燥溫度70 ℃，干燥時間為3 h。

2.2.6 包裝

用鋁膜袋將干燥好的SnPb40樣品進行真空包裝、封袋，并注明產(chǎn)品型號、規(guī)格。

3 結(jié)果與分析

3.1 金相分析

對軋制的焊錫帶進行了金相分析，共進行5次軋制，金相結(jié)果見圖2，其中(a)為軋制前，(b)為第一次軋制，(c)為第二次軋制，(d)為第三次軋制，(e)為第四次軋制，(f)為第五次軋制，從圖中可以看出，軋制前和軋制后的合金的晶粒變化不大。

圖2 合金軋制的金相

3.2 尺寸分析

表6是實驗樣品的尺寸、厚度、重量、密度數(shù)據(jù)，可以看到，實驗樣品的外徑、內(nèi)徑、開口的尺寸公差在±0.5 mm，厚度公差在±10%以內(nèi)，重量在±0.1 g以內(nèi)，獲得了外形完美、密度均勻的墊圈形預(yù)成型焊片。

表6 實驗樣品進行對比數(shù)據(jù)

3.3 形貌分析

圖3為實驗樣品的SEM圖，從圖中可以看出樣品的形貌表面質(zhì)量較好。

圖3 實驗樣品的形貌

3.4 真空回流焊分析

試驗樣品進行了真空回流焊，測試結(jié)果見圖4，其中圖4(a)：未對焊片和焊盤清洗，在充甲酸的條件下進行了真空回流焊；圖4(b)：對焊片和焊盤進行超聲清洗，在充甲酸條件下真空回流焊；圖4(c):對焊片和焊盤進行超聲清洗，不通入甲酸，充氮氣條件下進行回流焊。通過真空回流焊。通過圖片看出，在3種條件下，樣品焊接缺陷基本沒有，說明制備的墊圈型焊片達到了焊接要求。

4 結(jié)論

通過實驗和測試結(jié)果表明，開發(fā)出合金熔煉→澆注/擠壓成形→粗軋→精軋→沖切(壓)→清洗→烘干→包裝的墊圈型預(yù)成型焊片新型制備工藝，該工藝工序精簡，制作出的焊片成分精準、外形完美。通過對該焊片進行形貌和焊接性能分析，其表面質(zhì)量較好，無焊接缺陷。采用該工藝成功制備了墊圈形預(yù)成型焊片，焊片的使用性能達到了所需要求，并獲得使用方認可。

圖4 實驗樣品的真空回流焊分析