SMD真空無釬劑激光軟釬焊試驗研究與機理分析

釬劑可以有效地促進釬料的鋪展潤濕，但其殘渣對電子產品長期穩定性和使用壽命構成極大威脅，所以焊后需嚴格清洗。而有效清洗劑氟利昂及一些碳氟化合物等產品嚴重破壞人類的生存環境。再說許多方面，如電子產品的微型化、薄型化、多功能化及接頭尺寸微細化的發展，使得釬焊及焊后清洗技術面臨更多的挑戰。無釬劑釬焊技術符合電子產品生產需求，將從根本上解決這些相應的問題而成為電子產品生產技術的主流。有關無釬劑技術的研究在國外已經十分受重視。美國的Sandia國家實驗室用激光加熱真空中的器件，成功地在涂覆貴金屬金的表面上實現了無釬劑釬焊。IBM公司在劈刀上加載超聲震蕩、用激光加熱也實現了無釬劑釬焊，但做超聲震蕩的劈刀易對元器件造成損害。
　　本文利用研制的無釬劑軟釬焊系統，選擇真空環境采用YAG激光加熱，進行試驗研究。研究發現，在較低的真空度下(如5.0×10^－2Pa)就可以實現在普通金屬銅表面的無釬劑軟釬焊。而且真空環境對無釬劑釬料在裸銅焊盤表面鋪展潤濕行為有特殊的影響。另外，還對此時真空環境的無釬劑作用機理加以分析，最后將該方法成功地應用于片式電阻元件的表面組裝中。

1　無釬劑軟釬焊系統

　　整套系統由微電子組裝真空室、真空獲得單元、激光傳輸光路單元、激光加熱單元及工作臺組成，如圖1所示。真空室門集光學觀察窗、激光透射窗及工作出入口于一體，以光學石英玻璃為激光透射材料。由直聯泵、立式分子泵組成的二級真空獲得單元滿足工作區域無塵、無油污染、無震動、快速達到合適的真空度等要求，工作效率高。由計算機控制激光加熱功率(通過改變計算機控制D/A電流值)和激光加熱時間，根據實際需要選用合適的參數。

圖1　無釬劑軟釬焊系統

2　真空激光加熱無釬劑軟釬焊可行性試驗

2.1　試驗模型
　　以相同質量無釬劑釬料的鋪展面積作為釬料鋪展潤濕性能評定的標準，每次試驗所用的釬焊量均為16.36mg(用電光分析天平精確測得)。釬料質量比為Sn/Pb(Sn31.85%，Pb68.15%)。PCB板(Printed Circuit Board)及釬料置于真空室內。焊盤材料為純銅，焊盤表面既沒有預鍍錫，也沒有涂敷貴金屬。如圖2所示。

圖2　試驗模型

2.2　材料表面預制備
　　材料在焊前加工和存放過程中，表面不可避免地要受到污染，因此需要焊前進行表面預制備。其流程如下：
　　1)砂紙打磨試件表面。去掉氧化膜并粗化表面，利于釬料的鋪展和潤濕。
　　2)丙酮液中超聲振蕩清洗。用來去除表面所粘附的汗漬、油污。
　　3)無水乙醇液中超聲振蕩清洗。溶解表面有機物，去除試驗材料上的水分。
　　4)吹風機吹干試驗材料。
　　5)真空凈化。在真空室中凈化掉所吸附的氣體及微細雜質。
2.3　試驗結果及無釬劑可行性分析
　　激光加熱功率用激光器D/A電流值I表征，激光加熱時間用t表示。取I＝2.7A，t=1870ms。真空度變化對釬料鋪展面積的影響如圖3所示。在10^－1Pa數量級真空度下，釬料熔化后并不鋪展。在10^－2Pa數量級真空度下，隨著真空度的提高，液態釬料的鋪展效果越來越好，鋪展面積開始隨真空度的加大(壓強的減小)而不斷加大。但當超過4.2×10^－2Pa后，卻發現鋪展面積不再增加，反而開始下降。在2.5×10^－2Pa時，鋪展面積又已經很不理想。可以肯定真空環境能促進釬料在母材上的鋪展潤濕。但是，根據一般理論，真空度越高表面氧化膜越不穩定而易于分解、去除。而且通常需要很高的真空度才有金屬材料表面氧化物明顯分解的現象發生。而本文試驗結果卻表明，在較低真空下就可以實現無釬釬釬料的良好鋪展，釬料的鋪展面積也并非隨真空度的提高而增大，而是呈先升后降的趨勢。另外，在真空度上升到4.2×10^－2Pa以前，真空度越高，形成良好焊點所需要的激光功率或加熱時間越小，但真空度繼續上升反而需要輸入較大的激光能量。

圖3　不同真空度下的鋪展潤濕面積

圖4　真空無釬劑釬焊結果

　　將真空下無釬劑釬料在裸銅焊盤表面鋪展的試驗結果分別與用無釬劑釬料在大氣中釬焊及用含有釬劑焊錫絲釬焊的結果進行比較，如圖4所示。可以看出，在5.0×10^－2Pa真空下試驗所獲得的數據中，尤其是在電流值為2.9A、3.0A兩種情況下，測得無釬劑釬料鋪展面積均大于用同質量含釬劑釬料(不包括所含釬劑質量)時的鋪展面積值。而在大氣中加熱，無釬劑釬料基本上不鋪展。當電流值為2.7A時，在激光加熱時間較短情況下，無釬劑釬料鋪展效果不如含有釬劑的釬料的鋪度效果好。但當激光加熱時間增大到一定值時(如1950ms)，無釬劑釬料鋪展效果就優于含有釬料的鋪展效果。
　　試驗過程中還發現，在較低真空度下，若加大激光功率或延長激光加熱時間，雖能得到較好的釬料鋪展結果，但釬料表面氧化嚴重，釬料鋪展結果隨機性大。而在較高真空下，加大激光功率或延長加熱時間，釬料也可以獲得很好的鋪展潤濕。但是，卻降低了能源的有效利用率，并使焊盤燒損的幾率增大，易損壞被焊元器件，污染真空室。

3　真空環境的無釬劑作用機理分析

3.1　促進釬料鋪展潤濕的關鍵
　　影響釬料鋪展潤濕的因素很多，如試樣清洗條件、有無表面活性物質存在以及材料表面粗糙度等。但是，總的說來，一方面，材料表面氧化膜的性質以及釬焊過程中氧化膜的去除程度決定了釬料在母材表面能否潤濕。而另一方面，釬料鋪展潤濕的程度則要取決于三相界面上的熱力學作用。這兩方面成為釬料鋪展潤濕的關鍵。
　　室溫下大多數金屬及合金的表面都被覆一層氧化物，直接妨礙液態釬料與基金屬的相互作用，嚴重阻礙釬料在基金屬表面的潤濕鋪展。因此，只有清除或破碎金屬表面氧化膜，才能提供有利于釬料潤濕鋪展的純金屬界面。為觀察表面氧化程度對釬焊過程的影響，進行了如下試驗。取三塊試驗印制板，采用同樣的工藝流程進行材料表面氧化膜的去除及試樣清洗。然后分別以相同條件下不同的氧化時間來獲得不同厚度的表面氧化膜。在5.0×10^－2Pa真空環境下對A板立即進行釬料潤濕性能試驗。而B板、C板則分別在空氣中放置氧化72h和192h，再用相同的焊接規范進行釬料潤濕性能試驗。各個焊點上釬料鋪展面積如下表所示。發現氧化時間越長釬料鋪展面積越小。Cu表面存在少量氧化膜時，焊接過程中氧化膜在真空環境及激光加熱作用下可以自動去除，對釬料鋪展面積的影響并不大。但釬料鋪展面積隨著氧化膜厚度的再增加以很快的速度下降。

表　不同氧化程度下的釬料鋪展面積

序號	氧化時間 t/h	激光加熱 電流值I/A	激光加熱 時間t/ms	鋪展面積 S/mm2
1	0	2.7	1870	8.724
2	72	2.7	1870	7.453
3	192	2.7	1870	3.183

而且，釬料的潤濕鋪展過程不是一個簡單的附著過程，而是一個有化學反應發生的復雜過程，是一個界面自由能降低的過程。釬料鋪展潤濕的程度主要取決于液、固、氣三相界面的熱力學作用，因為釬料潤濕三相接觸線的移動由三相系統的表面張力決定。以往釬焊時釬劑的作用也是去除金屬表面氧化膜，改變三相接觸線表面張力狀態促進釬料的潤濕。 3.2　真空環境下材料的表面氧化膜行為 　　由文獻［3］、［8］及［9］得出的真空條件具有如下的保護材料表面及去除氧化膜作用： 　　①保護作用。真空下元器件不會出現增碳及污染變質等問題而阻礙釬料鋪展。 　　②除氣、改善作用。基金屬和釬料周圍存在低壓，能夠排除金屬在釬焊溫度下揮發出來的揮發性氣體或雜質，可以使基金屬的性能得到改善，利于釬料鋪展。 　　③真空狀態降低了真空室內的氧分壓，導致氧化物的不穩定。按照理論計算，氧化物分解所需的真空度是極高的。試驗中實際采用的真空度要低得多，不能期望氧化物自行分解。但是，真空環境使氧化膜處于不穩定、易于去除的狀態。 　　④凈化作用。真空環境下還原、揮發或溶解等多重作用，有助于去除元器件表面氧化物，可以使金屬表面活性增強，利于釬料的潤濕。 　　⑤蒸發作用。真空環境不單單是造成氧化物的不穩定，還有利于某些易揮發物質的蒸發。這種蒸發能凈化金屬表面、破壞金屬表面氧化膜，使之變成混合物或低價氧化物而被抽走。 　　⑥真空下液態釬料的吸附作用使氧化膜強度下降，并由于熱物理性能不同而破碎，彌散溶入釬料中。 　　由于真空能促成一些中性氣體中所沒有的去膜過程的進行，所以能得到更好的去膜效果。此外，真空還能夠消除氣體介質釬焊時在焊縫中形成氣孔的可能性。 3.3　真空對釬料鋪展固液界面行為的影響 　　真空下液態Sn-Pb釬料在Cu表面的鋪展，構成了一個由固、液、氣相(真空)組成的三相界面體系。從熱力學的觀點來看，釬料的鋪展行為要取決于潤濕三相系統吉布斯自由能的降低。當系統中存在兩種介質的界面(表面)時，熱力學基本公式為： dG＝－SdT+VdP＋γdA+μdN　　(1) 式中：G——吉布期自由能； T——絕對溫度； S——熵值； N——組份質量； μ——組份化學勢； dA——表面面積增量； γ——表面張力。 　　所以說釬料鋪展潤濕的程度如何要取決于三相接觸線表面張力(或界面張力)對液態熔融釬料的綜合作用。各主要工藝參數對界面張力的影響最終決定了釬料的鋪展程度。圖5為釬料鋪展潤濕熱力學模型。

圖5　三相接觸線界面張力作用

　　(2)

式中：γ_SG——固氣界面張力；
γ_LG——液氣界面張力；
γ_SL——固液界面張力；
θ——接觸角。
　　這是T.Young在1805年提出的著名的楊氏方程。可以看出，三相線的移動、釬料對母材的潤濕取決于具體條件下的三相相互作用。γ_SG增大、γ_LG及γ_SL減小，都能使cosθ增大，使鋪展面積增大，改善潤濕性。從物理意義上說，γ_LG減小意味著液體內部原子對表面原子的吸引力減弱，液體原子容易克服自身引力趨向表面，使表面積擴大、釬料容易鋪展。γ_SL減小，表明固體對液體原子的吸引力增大，使液體內部的原子容易被拉向固－液界面，即容易鋪展。
　　真空下Cu金屬表面張力(固－氣界面張力)γ_SG增大。表面原子外側缺少原子或分子之間的相互作用，表面附近分子的平衡位置受到表面的影響，會產生移動。當表面以外是更稀松的介質如氣體時，來自內部的吸引力大于來自外部的，平衡位置將向內移動如圖6所示。圖中：(a)表示和真空相接的固體Cu表面，表面層a及第二層b之間的距離比內部的層間距d-e小得多；(b)表面和氣體相接的固體表面，層間距A和B大于a-b；(c)表示和Sn-Pb釬料液氣系統相接的固體表面，液體下的層間距D-E大于氣體下的A-B。三相接觸線區(t)中，固體表面層在A和D之間。真空下來自Cu表層內部的引力遠大于來自外部的，即真空下γ_SG增大。

圖6　銅表面附近各分子層示意圖

　　另外，盡管真空對Cu和液態Sn-Pb釬料的界面張力γ_SL影響很小，但是都對液氣界面張力γ_LG影響很大。真空狀態下，γ_LG表現為液態釬料對真空環境的界面張力。實質上，在真空狀態下，尤其是在真空度較高時，液態釬料蒸發。這時的γ_LG應具體體現為液態Sn-Pb釬料與其蒸氣之間的界面張力。隨溫度和真空度的升高，蒸氣密度加大，從而增加了表面分子的引力，氣液兩相密度差值變小。而氣液界面形成單位面積體系能量增值U^S為：

　　(3)

式中：N_L——液體單位體積中的分子數；
N_G——蒸氣相單位體積中的分子數；
r_L——液體中分子間的平衡距離；
A——Van Der Walls引力常數。
　　即使在分子引力常數A與溫度無關的情況下，溫度上升、真空度加大總使(N_L－N_G)變小和r_L變大，兩者均以平方形式出現，故U^S必變小，液氣界面張力γ_LG值變小。
　　由TYoung方程，γ_LG變小和γ_SG增大都使接觸角變小、鋪展面積變大，于是真空下無釬劑釬料在基金屬銅表面得到良好的潤濕。
3.4　利于釬料鋪展的真空度最佳值
　　真空條件有利于無釬劑釬料的鋪展。但是釬料的鋪展面積并不是隨真空度的增高而一直增大，到了一定真空度以后(如上文試驗中的4.2×10^－2Pa)鋪展面積值開始下降。試驗結果表明存在著真空度的最佳值。這一真空度最佳值遠遠高于氧化物的分解壓。分析這一最佳值產生的原因，在于真空的去膜作用與真空下釬料蒸發作用的共同作用結果。這一最終結果決定了釬料的鋪展行為。在低真空時，真空去膜作用小同時釬料蒸發也小。釬料鋪展面積主要隨著真空度的增加而增加。在較高真空時，去膜作用已經達到了一定水平，不再有明顯的增強。而液態釬料的蒸發卻因真空度的增高而加劇。釬料顯著蒸發的結果是消耗了部分加熱能量，此時輸入的能量不足以使釬料充分潤濕，所以釬料的鋪展面積反而減小。
　　在高真空下如果加大激光功率或延長加熱時間，也就是增大激光輸入總能量以彌補因釬料元素顯著蒸發而產生的能量損耗，釬料也可以獲得良好的鋪展。例如，真空度為2.2×10^－2Pa時采用I＝2.8A、t＝1950ms規范進行釬焊試驗，結果釬料的鋪展面積為13.770mm²。在2.4×10^－2Pa時采用I＝2.9A、t＝1640ms規范進行釬焊試驗，結果釬料的鋪展面積為12.694mm²。釬料的鋪展情況都很不錯。但在激光加熱過程中觀察發現，復合真空計指針明顯發生大幅度的擺動。這表明釬料元素蒸發嚴重。同時，加大激光輸入能量容易損壞被焊元器件。一般認為，這種強規范不可取。

4　在表面組裝中的應用

　　被焊元器件分別為片式貼裝電阻473和823(電阻值分別為47kΩ和82kΩ)。釬料仍為上文所述的無釬劑Sn-Pb釬料。圖7為片式電阻的結構及所設計的裸銅焊盤幾何形狀。接頭形式如圖8。

a)片式電阻　　　　　b)焊盤
圖7　貼裝電阻的結構及焊盤形狀

圖8　表面組裝電阻及其釬焊接頭形式示意圖

　　片式電阻無釬劑表面組裝工藝流程為：
　　1)焊盤和貼裝電阻材料表面預制備。去除表面氧化膜及雜質及表面污染附著物。
　　2)貼裝電阻定位，放置無釬劑釬料。
　　3)加熱釬焊。真空度5.0×10^－2Pa，激光加熱時間1020ms，電流值2.8A。
　　4)取出元件，觀察、檢測接頭質量。
　　入射激光與Cu焊盤成40°至60°角。此時，激光加熱使釬料熔化，同時在焊盤和元件金屬化端都形成合適的溫度場，釬料才能很好地潤濕焊盤和元件金屬化端，形成優質接頭，而且有效地利用了激光能量。
　　顯微鏡下觀察所得釬焊接頭，發現釬料在焊盤金屬Cu和片式電阻金屬化端的潤濕性均良好，接頭成型好，表面光亮、無氧化現象發生。從接頭形狀上看，接頭呈較理想的凹形，這種接頭的內應力較小，焊點熱疲勞壽命長，保證了元件的長期使用壽命及可靠性。因為所用的釬料是無釬劑釬料，釬焊過程中沒有引入具有腐蝕性的介質，所以保證了釬焊接頭的使用壽命和工作可靠性。

5　結論

　　5.1　試驗結果表明，真空下無釬劑Sn-Pb釬料可以在裸銅焊盤表面很好地潤濕，該工藝條件下，可以實現無釬劑釬焊。釬料鋪展面積隨著真空度的增高先增大而后逐漸減小。合適的無釬劑釬焊真空度并不高，在10^－2Pa。
　　5.2　從材料表面的氧化膜行為及三相界面熱力學作用這兩個決定釬料鋪展行為的關鍵出發，分析了真空下激光加熱的無釬劑釬焊機理。
　　5.3　對片式表面貼裝電阻成功地進行無釬劑釬焊。此項技術徹底避免了應用釬劑的不利影響，實現了在普通常用金屬Cu表面的無釬劑釬焊，具有很強的實際應用價值。