PdAg焊盤(pán)的焊接問(wèn)題分析及解決方案

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所 四川 成都 610036

1 概述

高壓電路設(shè)計(jì)中為了使印制板組件有更好的絕緣耐壓性，并且具有高導(dǎo)熱性。在電路設(shè)計(jì)中時(shí)常會(huì)采用厚膜99%陶瓷基材，并在表面通過(guò)印刷PdAg漿料的方式制作此類(lèi)產(chǎn)品。但PdAg焊盤(pán)在焊接過(guò)程中工藝處理方法與普通HASL焊盤(pán)存在較大差別。如按照常規(guī)方法生產(chǎn)，很容易出現(xiàn)焊接不良情況。

2 主要問(wèn)題

1)PdAg中的Ag在焊料中擴(kuò)散速度很快。時(shí)常會(huì)導(dǎo)致焊接完成后焊盤(pán)溶解在焊料中，使印制板開(kāi)路。如圖1所示。

圖1 PdAg焊盤(pán)溶解樣例

并且由于陶瓷基板Pd-Ag焊盤(pán)的特殊性，在組裝過(guò)程中非常容易發(fā)生Pd-Ag合金層中的Ag向焊料中過(guò)度溶解，造成焊盤(pán)缺失失效。從下圖中可看到當(dāng)溫度越高時(shí)Ag溶解的速率越快，在300℃情況下，Ag向SnPb焊料中的溶解速率達(dá)到3.5μm/s以上。

圖2 Ag在40Pb-60Sn溶解速率曲線

2)PdAg膜層中存在大量小孔隙，這會(huì)導(dǎo)致，焊膏在融化時(shí)會(huì)擴(kuò)散流動(dòng)到這些小孔洞凹坑中，導(dǎo)致焊膏在PdAg焊盤(pán)表面潤(rùn)濕性較差，焊料收縮比相對(duì)增大。在90%網(wǎng)板開(kāi)口情況下，焊料在PdAg焊盤(pán)表面幾乎不鋪展?jié)櫇?，而HASL焊盤(pán)，焊料由90%鋪展到100%面積。

圖3 PdAg焊盤(pán)與HASL焊盤(pán)焊料鋪展對(duì)比3 解決方法

1)采用Sn62pb36Ag2進(jìn)行焊接，見(jiàn)下圖所示，通過(guò)對(duì)焊接后產(chǎn)品金相剖切界面的SEM分析得知，在互連區(qū)域外，漿料中Ag進(jìn)入焊料的結(jié)果較少，擴(kuò)散區(qū)域不超過(guò)距陶瓷基板30μm界面，可以看到漿料中的微量元素和Sn-Pb-Ag焊膏的Ag起到了印制漿料中Ag擴(kuò)散的作用。這是由于在SnPb焊料中添加了2%濃度的Ag，且焊料Sn62Pb36Ag2體積在漿料(PdAg)的15倍左右，形成了Ag元素的物質(zhì)濃度梯度優(yōu)勢(shì)，降低了漿料中Ag的擴(kuò)散。

圖4 Sn62Pb36Ag2焊接界面金相分析

同時(shí)通過(guò)與典型厚膜焊接后界面金相結(jié)構(gòu)對(duì)比，采用Sn62pb36Ag2焊料焊接后的焊點(diǎn)界面結(jié)構(gòu)符合典型陶瓷基板焊接界面典型結(jié)構(gòu)特征。

2)優(yōu)化鋼網(wǎng)開(kāi)口方式

最大/最小焊料體積

Qmin=Q2+Q1+Q3=1/2t2X+1/2*(H/4+t)*((Z-L)/2)*X+W*T*t

Qmax=Q2+Q1+Q3=1/2t2X+1/2*(H+t)*((Z-L)/2)*X+W*T*t

最小印刷焊膏體積

由于一般在焊膏的總體積中，合金含量與助焊劑等的體積大約各占50%，由此得出最小焊膏印刷體積為：

VQmin=2Qmin=t2X+(H/4+t)*((Z-L)/2)*X+2W*T*t

Vmax=2Qmax=t2X+(H+t)*((Z-L)/2)*X+2W*T*t

將C1-C4 1812封裝片式高壓電容參數(shù)帶入上述公式。

X Y H Z L W T t

3.2 1.5 1.6 6.5 4.9 3.2 0.75 0.03

得出

Vmin=1.25mm3

Vmax=4.32mm3

鋼網(wǎng)開(kāi)口按如下要求設(shè)計(jì)，三邊最大外延0.15mm，開(kāi)倒三角避錫珠孔。

圖5 焊盤(pán)開(kāi)口方案

經(jīng)過(guò)計(jì)算，瓷介電容鋼網(wǎng)厚度選值在0.198-0.68mm較為合理。

δmax=4.32/(3.5*1.8)=0.68mm

δmin=1.25/(3.5*1.8)=0.198mm

考慮到器件兼容性，實(shí)驗(yàn)最終選擇0.2mm鋼網(wǎng)厚度。

3)測(cè)試結(jié)果

對(duì)Sn62pb36Ag2焊料，0.2mm鋼網(wǎng)裝配后的產(chǎn)品進(jìn)行了剪切力測(cè)試，以MOS管為例子結(jié)果如下：

圖6 推力測(cè)試表

4 結(jié)論

綜上，通過(guò)使用Sn-Pb-Ag焊膏可以減少焊盤(pán)中Ag的遷移量

避免Ag遷移導(dǎo)致焊盤(pán)過(guò)快熔于焊料之中。改進(jìn)鋼網(wǎng)可使焊料鋪展更均勻。通過(guò)這兩種方法的改進(jìn)可有效提高陶瓷印制板PdAg焊盤(pán)的焊接可靠性。

隨著印制板技術(shù)的進(jìn)步，目前也可采用ALN基材的覆銅板，采用HASL或ENIG工藝替代PdAg涂層的焊盤(pán)。ALN覆銅板的焊接與傳統(tǒng)FR-4 HASL鍍層焊盤(pán)更相似。利于生產(chǎn)線的工藝轉(zhuǎn)換。