QFN元器件去金搪錫工藝技術研究

齊 林 楊京偉 杜 爽 李佳賓

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QFN元器件去金搪錫工藝技術研究

齊 林 楊京偉 杜 爽 李佳賓

（北京空間機電研究所，北京 100094）

針對QFN器件的結構特點，研究了其去金搪錫工藝技術，研制了一種專用搪錫工裝，使用局部波峰焊機去金搪錫后，器件焊盤中金元素質(zhì)量分數(shù)小于1%，可保證QFN器件焊接后無金脆隱患，極大提高產(chǎn)品可靠性。

QFN；去金；搪錫

1 引言

金元素由于化學穩(wěn)定性好、不易氧化等特點，被廣泛應用于電子元器件的電極或焊盤的表面鍍層。航天產(chǎn)品印制板組件生產(chǎn)中，電子元器件通常采用錫鉛共晶合金（Sn63Pn37）軟釬焊的方法裝聯(lián)到印制板上。在焊接鍍金元器件過程中，焊點中會形成Au-Sn金屬間化合物（IMC, intermetallic compound），其維氏硬度高達750，呈現(xiàn)明顯脆硬性，這種化合物的存在將導致焊點力學性能大幅下降，嚴重影響電氣連接的可靠性。一般焊點中由于存在Au-Sn化合物而發(fā)生脆性斷裂失效的現(xiàn)象稱為“金脆”[1]。研究認為，Au-Sn化合物中當金的含量達到3%時，“金脆”現(xiàn)象會十分明顯[2]。

對于航天產(chǎn)品，環(huán)境要求苛刻且可靠性要求很高，“金脆”現(xiàn)象嚴重影響產(chǎn)品服役期間的可靠性和使用壽命。目前，國內(nèi)外軍工標準中，為防止“金脆”現(xiàn)象，都規(guī)定了鍍金的元器件必須經(jīng)過去金搪錫處理后方可焊接[3～8]。對鍍金表面的處理問題已經(jīng)明確提出，并作為禁（限）用工藝項目重點關注。

QFN（Quad Flat No-lead）封裝芯片是一種典型的無引線表貼元器件，其結構特點有別于FP/QFP芯片等帶有引線的元器件，去金搪錫工作目前存在以下難點：

a.在沒有特殊工具夾持情況下，無法直接使用錫鍋進行去金搪錫；

b. 手工搪錫，依賴于操作人員的熟練程度，去金搪錫效果一致性差，生產(chǎn)率低；

c. 焊盤密度高、間距小，手工去金搪錫易產(chǎn)生橋連。

因此，選取具有代表性的QFN封裝芯片，對其去金搪錫工藝技術進行研究，設計不依賴操作人員個體技術水平的去金搪錫工藝方法，對提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品可靠性具有重要意義。

2 去金搪錫工藝方法研究

在電子裝聯(lián)行業(yè)中，焊盤（或電極）帶有鍍金層的無引線表貼元器件進行去金搪錫主要有三種方法：電烙鐵手工搪錫、錫鍋搪錫和返修工作站搪錫，三種方法對比如表1所示。

表1 去金搪錫方法對比[9]

從表1中的對比可以看出，使用手工電烙鐵對鍍金焊盤的去金搪錫缺點很多，但目前仍是無引線表貼元器件去金搪錫的主要方法；而使用返修工作站進行去金搪錫的方法，盡管存在對元器件熱沖擊小等優(yōu)點，但是對于宇航產(chǎn)品使用的元器件來說，多次經(jīng)歷再流焊卻將極大程度降低元器件的可靠性。因此，根據(jù)元器件尺寸和結構研制合適的工裝夾持并保護元器件，使用錫鍋對鍍金焊盤去金搪錫，是航天產(chǎn)品更為合適的工藝方法。

圖1 QFN封裝芯片

圖1為典型的QFN封裝芯片，是六面體結構，底面有陣列焊盤。根據(jù)器件結構特點研制的搪錫工裝如圖2所示，工裝采用不銹鋼材料制成，主要由導軌、下托機構、立柱、元器件托板和施壓手柄等組成。其中，元器件托板采用上下夾持芯片的結構形式，下托機構可在導軌上移動，立柱使器件能懸于錫鍋上方，向下按施壓手柄可使元器件浸入錫鍋，完成去金搪錫。

圖2 搪錫工裝

使用工裝夾持QFN器件浸入錫鍋進行去金搪錫，搪錫溫度、時間等參數(shù)參考元器件手冊設定。搪錫結果如圖3所示，有部分焊盤未能上錫。

圖3 浸入錫鍋搪錫結果

分析原因，兩方面因素造成這種結果。首先，由于不銹鋼材料不與熔融鉛錫合金反應，在表面張力作用下，熔融鉛錫合金不能在凸臺附近鋪展；其次，在對施壓手柄施加壓力使器件托板浸入液面過程中，必然導致液面下殘留少量空氣，同時，助焊劑受熱過程中產(chǎn)生少量氣體，影響部分焊盤的去金搪錫。

為解決去金搪錫過程中，氣體因素對焊盤上錫的影響，需要保證焊接過程中及時排出氣體，以免氣體堆積影響焊盤去金搪錫。根據(jù)這一要求，采用局部波峰焊機，并設計尺寸合適的噴嘴，使得形成的焊料波峰足以接觸QFN封裝芯片的兩排焊盤。在搪錫過程中，勻速移動元器件，依靠波峰噴涌的力量使去金搪錫過程中產(chǎn)生的氣體及時排出，從而實現(xiàn)所有焊盤的上錫。

搪錫工裝改進后配合局部波峰焊機進行去金搪錫，如圖4所示。搪錫結果如圖5所示，使用局部波峰焊搪錫后，幾乎所有焊盤均上錫，僅有在凸臺位置的幾個焊盤未能上錫。證明這種方法應是可行的，對于未能上錫的少數(shù)焊盤，可以在去金搪錫過程中使凸臺附近的焊盤在波峰停留短暫時間，以便于焊盤上錫。

圖4 使用局部波峰焊機進行去金搪錫

圖5 使用局部波峰焊機搪錫結果

3 去金搪錫效果檢測

在元器件去金搪錫試驗后，使用光學顯微鏡僅能從宏觀上檢查是否有未除盡的金元素，無法量化金元素質(zhì)量分數(shù)，需要采用能譜分析的方法，測量金元素質(zhì)量分數(shù)。

3.1 光學顯微鏡檢驗

圖6 使用局部波峰焊機搪錫試樣

使用局部波峰焊機進行去金搪錫制備的試樣如圖6所示，使用光學顯微鏡檢查結果：

a. 焊盤完全上錫，無金黃色未去除干凈的部位；

b. 搪錫焊盤表面潤濕良好，無毛刺、無拉尖現(xiàn)象，錫層厚度均勻，無殘渣和焊劑粘附；

c. 焊盤間無搪錫橋連；

d. 搪錫的元器件外觀無損傷、無刻痕，漆層完好，無燒焦、脫落現(xiàn)象，元器件的型號、規(guī)格、標志應清晰。

3.2 能譜分析檢測金元素質(zhì)量分數(shù)

樣件進行金相剖切后，顯微照片與掃描電鏡照片如圖7所示。

圖7 芯片剖切照片

對焊盤合金層檢測如圖8所示，去金后，可能含有Au元素的是Sn/Ni合金層和Sn/Pb層，對焊盤這兩層的能譜分析如圖9所示。

圖8 焊盤合金層金相組織

圖9 芯片焊盤Sn/Ni/Co合金層和Sn/Pb層能譜分析

對試驗樣件中任選的不少于10個焊盤進行檢測，結果表明所測焊盤中Au元素重量百分比均在1%以下。

4 結束語

本文介紹了QFN封裝芯片無引線表貼元器件去金搪錫的工藝方法，可有效去除焊盤的鍍金層，使金元素質(zhì)量分數(shù)控制在1%以下，達到各軍用標準中的要求，為避免焊接后焊點中出現(xiàn)“金脆”現(xiàn)象提供保證，可極大提高產(chǎn)品在服役期間的可靠性。

1 王曉明，范燕平. 錫-鉛共晶焊料與鍍金層焊點的失效機理研究[J]. 航天器工程，2013，22(2)：108

2 IPC-D-279, Design guidelines for reliable surface mount technology printed board assemblies [S].

3 QJ3012—98 航天電子電子產(chǎn)品元器件通孔安裝技術要求[S].

4 QJ3011—98 航天電子電子產(chǎn)品焊接通用技術要求[S].

5 QJ3117A—2011 航天電子電子產(chǎn)品手工焊接工藝技術要求[S].

6 QJ3267—2006 電子元器件搪錫工藝技術要求[S].

7 IPC-J-STD-001E-2010, Requirements for soldered electrical and electronic assemblies [S].

8 ECSS-Q-ST-70-08C, Manual soldering of high-reliability electrical connections [S].

9 王繼林，白磊，李珍珍，等. 無引線鍍金表面貼裝器件搪錫技術[J]. 航天制造技術，2011(5)：33～34

Research on Process Method of Degolding and Tin-coating for QFN Components

Qi Lin Yang Jingwei Du Shuang Li Jiabin

(Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity, Beijing 100094)

The process method of degolding and tin-coating for QFN components was studied according to its structural feature. A special fixture was designed to clamp QFN components when they were tinning using a local wave soldering machine. The mass fraction of gold in the pad of QFN components could be reduced to less than 1%. As a result, gold-embrittlement could be avoided so that the reliability of products could be improved.

QFN；degolding；tin-coating

齊林（1987），工程師，材料加工工程專業(yè)；研究方向：航天產(chǎn)品電子裝聯(lián)工藝研究。

2017-12-12