吳彬勇 李 婧 邱靜萍 李少聰 張紹東

（上海航天電子有限公司，上海 201821）

文 摘 為解決多層印制板真空汽相焊由于焊后冷卻不足導(dǎo)致的焊點(diǎn)紋路問題，本文確定多層板焊點(diǎn)紋路出現(xiàn)的根本原因，對(duì)焊后冷卻區(qū)進(jìn)行改造，進(jìn)而研究不同焊接工藝對(duì)焊點(diǎn)表面形貌、內(nèi)部組織形貌及焊點(diǎn)力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，快冷下焊點(diǎn)形成的界面金屬化合物（IMC）更薄，焊點(diǎn)組織也更加均勻，即Pb在Sn中的分布更彌散?？炖湎滦纬傻腎MC層晶粒直徑在1 μm左右，剪切強(qiáng)度為17.26 MPa，較慢冷提高了43%，達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化的目的。此外，由于冷卻速度過慢導(dǎo)致的焊點(diǎn)表面紋路缺陷也得到明顯改善。

0 引言

伴隨航天電子產(chǎn)品高集成度和小型化的趨勢(shì)以及表面組裝技術(shù)的進(jìn)步，印刷板（PCB，printed circuit board）單位面積集成的電子元器件越來越多，這使得多層厚銅印制板的需求逐年提高［1］。一方面，高速電路設(shè)計(jì)高密度的要求使PCB 的層數(shù)越來越多。PCB的設(shè)計(jì)層數(shù)由10 層以內(nèi)逐步向20 層轉(zhuǎn)變，其內(nèi)部分布有信號(hào)層、地層和電源層，層間通過導(dǎo)通孔（PTH，plated through hole）進(jìn)行互連［2］。另一方面，高端通信設(shè)備測(cè)量精度及數(shù)據(jù)處理能力的提高導(dǎo)致其工作電流大幅增加，使得多層PCB 多采用厚銅設(shè)計(jì)，以滿足大電流傳導(dǎo)和散熱的需求［3］。

跳擴(kuò)頻技術(shù)在空間電磁環(huán)境和國(guó)家間軍事對(duì)抗日益嚴(yán)峻的背景下產(chǎn)生，其基帶單板多為多層PCB，能實(shí)現(xiàn)抗干擾功能和更高的測(cè)距精度［4］。多層PCB雖然帶來了集成度的大幅提高，但是給制造和裝聯(lián)工藝帶來了極大的挑戰(zhàn)。對(duì)于電子裝聯(lián)，由于多層PCB 上的器件復(fù)雜多樣，焊接溫度要求差異大，使得焊接工藝的制定難度高。在焊接過程中，既要考慮到塑封器件的耐溫強(qiáng)度，又要兼顧大尺寸器件和無鉛器件高焊接溫度的要求。此外，多層PCB 大量的布線層及大尺寸器件導(dǎo)致其熱容極大，在焊接時(shí)吸收大量的熱量會(huì)導(dǎo)致焊接溫度不足，引發(fā)虛焊，故多層板的焊接溫度一般設(shè)置較高。

真空汽相焊由于較好的溫度均勻性被廣泛應(yīng)用在復(fù)雜單板的焊接過程中［5］，但實(shí)際生產(chǎn)中多層印制板在經(jīng)過常規(guī)真空汽相焊接后，焊點(diǎn)大概率出現(xiàn)紋路。目前針對(duì)焊點(diǎn)紋路的研究缺乏，可查閱到的參考極少。本文通過分析論證，確定多層板焊點(diǎn)紋路出現(xiàn)的根本原因；根據(jù)原因?qū)φ婵掌嗪冈O(shè)備進(jìn)行改造，研究不同焊接工藝對(duì)焊點(diǎn)表面形貌及內(nèi)部組織形貌的影響，并對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行力學(xué)測(cè)試；通過焊接設(shè)備的改造和焊接工藝的設(shè)計(jì)研究解決了多層板焊接難、焊點(diǎn)易出現(xiàn)紋路缺陷的問題。

1 問題提出及要因確定

1.1 問題提出

本廠生產(chǎn)的單板為20 層基帶板，厚度為2.8 mm；單板A 面主要為表貼阻容等普通器件；B 面有3D-plus 的球柵陣列（BGA）封裝器件2 個(gè)、柱柵陣列（CCGA）封裝器件5 個(gè)。經(jīng)分析，A 面均為普通元器件，采用再流焊焊接方式即可；B 面BGA、CCGA 較多，為保證熱量均勻，焊接可靠，決定采用真空汽相焊進(jìn)行焊接。B 面焊接時(shí)，為使CCGA 中間焊盤峰值溫度達(dá)到（220±5）℃并兼顧3D-plus 器件的本體耐溫215℃的要求，決定在3D-plus 器件上方罩隔熱工裝。通過改變汽相焊參數(shù)，對(duì)多層板B 面焊接溫度曲線進(jìn)行測(cè)定，真空汽相焊具體參數(shù)設(shè)置見表1。熱電偶測(cè)得各器件溫度曲線基本符合有鉛焊接內(nèi)控值，決定作為最終的焊接工藝。

表1 真空汽相焊參數(shù)設(shè)置Tab.1 Vacuum vapor phase welding parameter setting

多層板用上述制定的工藝方案進(jìn)行焊接，A 面11 溫區(qū)回流焊接后經(jīng)檢查焊點(diǎn)質(zhì)量良好。在B 面真空汽相焊后發(fā)現(xiàn)A 面大部分表貼器件二次融熔焊點(diǎn)表面不光滑，出現(xiàn)不同程度的紋路現(xiàn)象（圖1）。同時(shí)印制板B面表貼阻容也發(fā)現(xiàn)了輕微的紋路。

圖1 多層板A面二次熔融后部分焊點(diǎn)形貌Fig.1 Partial welding spot morphology after secondary melting of multilayer plate

1.2 要因確認(rèn)

本文對(duì)導(dǎo)致多層板真空汽相焊接后焊點(diǎn)出現(xiàn)紋路的主要問題展開多次分析和討論，運(yùn)用“5M1E”方法尋找問題產(chǎn)生的原因。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)跟產(chǎn)及重復(fù)實(shí)驗(yàn)論證，紋路問題產(chǎn)生的原因可能主要由于擾動(dòng)，焊接峰值溫度及焊后冷速的問題導(dǎo)致。擾動(dòng)的因素經(jīng)過充分論證被排除，而降低焊接峰值溫度紋路有所改善，具體論證內(nèi)容及結(jié)果見表2。

表2 焊點(diǎn)紋路的影響因素論證Tab.2 Validation of the influencing factors of solder joint pattern

與先前的產(chǎn)品不同，此次焊接的基帶板為20 層印制板，其熱容極大且排布的大尺寸芯片也導(dǎo)致吸熱嚴(yán)重。在產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)過程中，為保證CCGA等大熱容芯片底部中心焊錫能充分熔融，無法降低焊接溫度。問題板熱容大，焊接溫度過高在一定程度上等效于降低了焊后冷卻速率，產(chǎn)品實(shí)測(cè)多層板焊后的冷卻速率只有1.3℃/s，遠(yuǎn)低于常規(guī)回流焊4℃/s 的焊后冷卻速率。本文將冷卻速度確定為多層板焊點(diǎn)紋路問題產(chǎn)生的主要原因并進(jìn)行研究。

2 試驗(yàn)

2.1 方法

本文考慮通過增加冷速來避免多層板焊點(diǎn)紋路的產(chǎn)生，對(duì)現(xiàn)有真空汽相焊設(shè)備進(jìn)行改造，增加冷卻區(qū)底部氮?dú)獯碉L(fēng)裝置（圖2）。原本的真空汽相焊冷卻區(qū)只有上出風(fēng)口，對(duì)于多層大熱容印制板（尤其是A 面）的冷卻效果不佳。本文在裝載印制板的導(dǎo)槽下部安裝出風(fēng)口，利用電裝車間現(xiàn)場(chǎng)的氮?dú)庾鳛闅庠矗沟煤附雍蟮挠≈瓢逶诶鰻t體時(shí)可進(jìn)行雙面冷卻。

圖2 改造后的真空汽相焊冷卻區(qū)Fig.2 Modified cooling zone of vacuum vapor phase welding

選取兩塊多層板進(jìn)行焊點(diǎn)紋路驗(yàn)證試驗(yàn)，板1從爐內(nèi)拉出后只進(jìn)行上吹風(fēng)，板2從爐內(nèi)拉出后上下均吹風(fēng)。兩塊板上粘貼熱電偶，用真空汽相焊設(shè)備的測(cè)試模式測(cè)試焊點(diǎn)表面實(shí)際的冷卻速度，測(cè)試出兩塊驗(yàn)證板的工藝曲線如圖3所示。

圖3 不同吹風(fēng)模式下多層板的焊接工藝曲線Fig.3 Welding process curves of multilayer plate under different cooling modes

由圖3 可以看出兩塊板的焊接峰值溫度相同但是冷卻速率差異極大。對(duì)200～183 ℃冷卻速率進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明對(duì)多層印制板B 面吹氮?dú)猓饬鲏簭?qiáng)：0.35 MPa），冷速由原來的1.8 ℃/s升至6.3 ℃/s。

2.2 測(cè)試

采用2.1節(jié)確定的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)后，對(duì)不同冷速下的焊點(diǎn)進(jìn)行分析觀察分析。用三維視頻顯微鏡（KH-7700，日本浩視）對(duì)焊點(diǎn)表面進(jìn)行觀察；用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SU8100，日本日立）對(duì)焊點(diǎn)表面的微觀形貌進(jìn)行觀察：對(duì)樣品1 和樣品2 的表面鍍Pt 30 s，使用15 kV 加速電壓對(duì)焊點(diǎn)表面進(jìn)行放大觀察。根據(jù)IPC-TM-650 2.2.1F 測(cè)試方法手冊(cè)對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行切片分析［6］。樣品經(jīng)切割、冷鑲、拋光和微蝕處理后，用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)焊點(diǎn)IMC 層截面的微觀形貌進(jìn)行觀察。根據(jù)GB/T 17359—2012，用能譜儀對(duì)合金層進(jìn)行成分分析［7］。將焊點(diǎn)機(jī)械剝離后，用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)IMC 層表面的微觀形貌進(jìn)行觀察，方法同上。用推拉力計(jì)（SPH-500，上海思為儀器制造有限公司）對(duì)焊點(diǎn)的剪切力進(jìn)行表征。根據(jù)實(shí)際可能受力的情況，推拉力計(jì)的力從側(cè)面施加，測(cè)試焊點(diǎn)推斷時(shí)的峰值剪切力，測(cè)試儀器及力的作用方向如下圖4所示。

圖4 剪切力測(cè)試儀器及力的作用方向示意圖Fig.4 Shear force testing instrument and applied force direction

3 結(jié)果與討論

3.1 焊點(diǎn)表觀形貌

不同冷速冷卻后對(duì)兩塊板的焊點(diǎn)表面宏觀形貌進(jìn)行觀察，焊點(diǎn)表面的光學(xué)圖像如圖5所示。慢冷下板1的焊點(diǎn)表面粗糙［圖5（a）］，有明顯紋路?？炖湎掳? 的焊點(diǎn)表面光亮［圖5（b）］，無紋路。經(jīng)分析，慢冷條件下焊點(diǎn)紋路缺陷應(yīng)為焊點(diǎn)冷卻時(shí)的不均勻凝固現(xiàn)象造成的：多層印制板焊接溫度高、熱容大，在冷卻時(shí)源源不斷地向焊點(diǎn)傳導(dǎo)熱量，使焊點(diǎn)不能在同一時(shí)間凝固，最終導(dǎo)致表面粗糙，有紋路。對(duì)比試驗(yàn)證明了增加冷卻速度對(duì)于多層板真空汽相焊焊點(diǎn)紋路缺陷改善的可行性。焊后快冷形成的焊點(diǎn)宏觀形貌符合檢驗(yàn)要求，但改造后的設(shè)備考慮用于實(shí)際生產(chǎn)，還需進(jìn)一步驗(yàn)證焊點(diǎn)可靠性。

圖5 不同冷卻條件下的焊點(diǎn)表面形Fig.5 Surface morphology of solder joints under different cooling conditions

對(duì)兩塊驗(yàn)證板焊點(diǎn)的表面進(jìn)行掃描電鏡（SEM）觀察，如圖6所示。不同冷卻條件下的焊點(diǎn)均形成由富鉛（Pb）相（淺色區(qū)域）和富錫（Sn）相（深色區(qū)域）組成的亞共晶組織。比較圖6（a）（c）相同放大倍數(shù)下圖像可知：快冷細(xì)化了焊點(diǎn)本體的內(nèi)部組織，使得Pb在Sn中的分布更為彌散。

圖6 不同冷卻條件及放大倍數(shù)下的焊點(diǎn)SEM圖像Fig.6 SEM images of solder joints under different cooling conditions and different magnification

3.2 IMC層截面形貌

選取兩塊驗(yàn)證板按2.2所述方法進(jìn)行處理，對(duì)界面金屬化合物層截面形貌進(jìn)行觀察分析。如圖7 所示，慢冷和快冷下IMC 層形貌均呈連續(xù)的扇貝狀。同時(shí)，對(duì)兩者IMC 層的元素進(jìn)行分析，根據(jù)其原子比推斷，IMC 的成分主要為Cu6Sn5，如圖8 所示。用軟件對(duì)IMC 層的厚度進(jìn)行測(cè)量，慢冷情況下IMC 層的平均厚度為2.82 μm，快冷情況下IMC層的平均厚度為2.51 μm。在釬焊過程中，Cu 的消耗量由式（1）表述［8］：

圖7 不同冷卻條件下IMC層截面的SEM圖Fig.7 SEM images of cross-section of IMC layer under different cooling rates

圖8 不同冷卻速率下的IMC層截面成分分析Fig.8 Component analysis of cross-section of IMC layer under different cooling rates

式中，Δh為Cu 的消耗量；Q為擴(kuò)散激活能；K為玻爾茲曼常數(shù)；T為焊接溫度；t為焊接時(shí)間；A 和n 為常量。根據(jù)式（1）可得銅的消耗量與焊接溫度和焊接時(shí)間成正比，更高的焊接溫度會(huì)使Cu 更多地向釬料中溶解，導(dǎo)致界面層中銅的富集，從而使IMC 的厚度增加。本次試驗(yàn)中，慢冷和快冷條件下的焊接溫度一定，但更慢的冷卻速度間接使得焊接時(shí)間延長(zhǎng)，所以慢冷下生成的IMC 層應(yīng)更厚。根據(jù)研究表明，IMC層本身的強(qiáng)度并不高，在釬焊過程中，IMC 的厚度越薄對(duì)焊點(diǎn)抗疲勞強(qiáng)度的提高越有利［9］。

3.3 IMC層剝離面形貌

選取兩塊驗(yàn)證板按2.2 所述方法進(jìn)行處理，對(duì)IMC 層剝離面進(jìn)行觀察分析。如圖9 所示，IMC 層剝離面主要由Cu 和Sn 組成，沒有檢測(cè)到Pb 元素。此外，元素分析結(jié)果中Cu 元素含量較高，證明斷裂發(fā)生在IMC 層，且靠近焊盤的一側(cè)。圖10（a）（b）分別為慢冷和快冷條件IMC 層剝離面的SEM 圖像。在慢冷條件下，IMC 層的晶粒粗大，單個(gè)晶粒尺寸在5 μm左右；在快冷條件下，IMC層的晶粒細(xì)小，單個(gè)晶粒尺寸在1 μm 左右。晶粒越細(xì)，阻礙滑移的晶界越多，屈服極限也就越高。細(xì)小晶粒對(duì)焊點(diǎn)強(qiáng)度的提高，可以用霍爾-佩奇公式來解釋［10］：

圖9 IMC層剝離面表面元素分析Fig.9 Surface element analysis of stripping surface of IMC layer

圖10 不同冷卻速率下的IMC層剝離面SEM圖Fig.10 SEM images of stripping surface of IMC layer under different cooling rate

式中，σs為材料屈服強(qiáng)度；σ0為單位晶格摩擦阻力；d為晶粒平均直徑；k為與材料性質(zhì)及晶粒尺寸相關(guān)的常數(shù)。由式（2）可知材料屈服強(qiáng)度和晶粒尺寸成反比，所以快冷下生成的細(xì)小晶粒更有利于焊點(diǎn)強(qiáng)度的提高。

慢冷條件下，IMC晶粒表面還生成了眾多細(xì)小薄片狀的新晶粒，如圖10（a）所示。薄片狀的物質(zhì)在焊點(diǎn)中（尤其是界面層）是不利的，其極易容易成為裂紋擴(kuò)展源。在外力作用下，裂紋很容易沿著薄片與焊料的結(jié)合面方向擴(kuò)展，在后續(xù)的循環(huán)應(yīng)力下甚至導(dǎo)致焊點(diǎn)的整體失效。

為驗(yàn)證不同冷速下的焊點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度，按2.2所述方法對(duì)焊點(diǎn)的剪切力進(jìn)行測(cè)試。在板1 和板2 上各隨機(jī)選取3 個(gè)0603 電阻焊點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，剪切力的測(cè)試結(jié)果見表3。試驗(yàn)結(jié)果表明，慢冷條件下焊點(diǎn)的剪切力平均值為26.5 N，快冷條件下焊點(diǎn)的剪切力平均值為37.97 N。0603 電阻焊盤總面積為2.2 mm2，計(jì)算可得慢冷下焊點(diǎn)的平均剪切強(qiáng)度為12.05 MPa，快冷下焊點(diǎn)的平均剪切強(qiáng)度為17.26 MPa。快冷使得焊點(diǎn)的強(qiáng)度提高了43%，與上述快冷導(dǎo)致焊點(diǎn)微觀形貌細(xì)化達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化目的的結(jié)論一致。

表3 不同冷速條件下焊點(diǎn)的剪切力Tab.3 Shear force of solder joints at different cooling rates

5 結(jié)論

多層印制板由于熱容大、焊接峰值溫度高等綜合因素導(dǎo)致焊后冷卻效果不佳，從而使得焊點(diǎn)表面出現(xiàn)不規(guī)則紋路。本文對(duì)設(shè)備的冷卻區(qū)進(jìn)行改造，使得20 層板的焊后冷卻速率從1.6 ℃/s 提高到6.3 ℃/s，改善了由于不均勻冷卻導(dǎo)致的多層板焊點(diǎn)出現(xiàn)紋路的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）大冷速下形成的焊點(diǎn)組織更加均勻，Pb在Sn中的分布更彌散；

（2）在釬料和焊盤的界面，快冷和慢冷均形成連續(xù)的扇貝狀Cu6Sn5化合物層且快冷形成的IMC 層更?。?/p>

（3）快冷使得晶粒細(xì)化，快冷下形成IMC 層晶粒直徑在1 μm左右；

（4）快冷使得焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度顯著提高，快冷下0603電阻焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度為17.26 MPa，較慢冷提高了43%，達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化的目的。

本文對(duì)現(xiàn)今廣泛應(yīng)用的多層大熱容印制板的可靠焊接有極強(qiáng)的參考價(jià)值和借鑒意義，值得推廣。