航插焊杯激光除金工藝與手工除金工藝比較研究

楊 迪 楊小健 張永忠 吳 浩 杜曉妍

航插焊杯激光除金工藝與手工除金工藝比較研究

楊 迪1楊小健1張永忠1吳 浩1杜曉妍2

（1. 北京計算機技術(shù)及應(yīng)用研究所，北京 1008542；2. 北京城市學(xué)院智能電子制造研究中心，北京 101399）

通過對比分析的方法，分別研究鍍金航插焊杯手工及激光一次搪錫除金、兩次搪錫除金的結(jié)果, 測量合金層厚度，觀察合金層形貌。發(fā)現(xiàn)無論是手工方法還是使用激光，一次搪錫除金不能使金含量低于3%，兩次搪錫除金后金含量均低于3%，但激光搪錫得到的金相組織更為細膩均勻，合金層厚度更薄且效率更高。最終得出激光搪錫除金效果優(yōu)于手工操作的結(jié)論，對航插焊杯除金工藝方法有更先進的指導(dǎo)意義。

航插焊杯；激光搪錫除金；手工搪錫除金

1 引言

隨著電子裝聯(lián)技術(shù)朝著高密度、小型化方向發(fā)展，焊點越來越微細化，焊點金脆失效現(xiàn)象已成為提高焊點可靠性必須考慮的問題。對于含金導(dǎo)體，J-STD-001C中規(guī)定表面95%以上含金的表面需要搪錫處理；ECSS-Q-ST-70-08C和QJ165B中均規(guī)定，鍍金引線不允許直接焊接[1，2]。目前航插器件焊杯除金主要采用手工搪錫方法，手工搪錫靈活方便，但是存在效率低下、一致性差的問題。采用自動工裝系統(tǒng)替代手工操作，使用激光搪錫方法對焊杯搪錫除金，具有效率高、一致性好、可適用范圍廣的優(yōu)點?；谧灾鏖_發(fā)的激光搪錫專用工裝系統(tǒng)，開展手工與激光搪錫效果對比分析，驗證激光搪錫工藝方法，為實現(xiàn)鍍金航插焊杯搪錫除金自動化的應(yīng)用提供有效支撐。

2 激光除金與手工除金試驗

2.1 手工搪錫處理焊杯

圖1 手工搪錫

具體過程如圖1所示。1號焊杯：焊杯手工一次搪錫；2號焊杯：焊杯手工一次搪錫，除錫后再次手工搪錫。

2.2 激光搪錫處理

采用3個航插樣件對應(yīng)驗證3種工藝參數(shù)，見表1。

表1 激光搪錫不同工藝參數(shù)對比

2.3 樣品外觀觀察

圖2 激光兩次搪錫后外觀圖

2號連接器手工一次搪錫的1號焊杯錫面粗糙，呈銀灰色，手工兩次搪錫的2號焊杯錫面光滑飽滿，呈光亮銀色；1號連接器激光一次搪錫的3號焊杯錫面飽滿，呈銀灰色；1號連接器激光兩次搪錫的3號焊杯錫面呈光亮銀色，見圖2。

3 試驗結(jié)果分析

通過上述試驗，分別選取手工搪錫后焊杯和激光參數(shù)為30W，0.5s搪錫外觀效果最佳的2號連接器4號焊杯，取樣后鑲嵌磨拋，掃描電子顯微鏡觀察焊杯截面，觀察焊料與焊杯結(jié)合位置是否有合金層形成[3]，使用配套能譜儀分析焊料內(nèi)及合金層內(nèi)金含量。

3.1 手工一次搪錫

內(nèi)部有大塊鉛偏聚，焊錫與焊杯間形成連續(xù)合金層，平均厚度641nm。在界面位置發(fā)現(xiàn)多處細長金錫化合物組織，最大長度達13.6μm。合金層與焊料中均發(fā)現(xiàn)金元素，合金層中的金元素含量高達24.35wt%，具體見圖3。

圖3 手工一次搪錫結(jié)果分析

3.2 手工兩次搪錫

焊錫與焊杯間形成連續(xù)合金層，平均厚度750nm。未發(fā)現(xiàn)大塊金錫化合物組織。焊料中檢測出金元素含量2.62wt%，見圖4。

圖4 手工兩次搪錫結(jié)果分析

3.3 激光一次搪錫

工藝參數(shù)：功率30w，時間0.5s，一次搪錫掃描電鏡見圖5。

3.4 激光兩次搪錫

工藝參數(shù)：功率30W，時間0.5s，兩次搪錫焊錫與插針間形成連續(xù)合金層，平均厚度 678nm。焊料及合金層中均未檢測到金元素，見圖6。

4 對比分析

4.1 手工一次搪錫與手工兩次搪錫對比

表2 手工一次、兩次搪錫效果對比表

使用手工搪錫方法，金元素聚集現(xiàn)象嚴重，焊料及合金層內(nèi)金元素含量都很高，不能滿足搪錫除金要求；兩次搪錫后金含量降低到3wt%以下，未見明顯金元素聚集，見表2。

手工一次搪錫合金層平均厚度641nm，界面位置發(fā)現(xiàn)多處細長金錫合金組織，長度可達13.6μm，合金層與焊料中均發(fā)現(xiàn)金元素，合金層中金元素含量最高達到24.35wt%。

手工兩次搪錫焊錫與焊杯間合金層平均厚度750nm。未發(fā)現(xiàn)大塊金錫化合物組織。焊料中檢測出金元素含量2.62wt%，合金層中未檢測出金元素。

與一次搪錫相比，手工兩次搪錫焊料與焊杯間形成的合金層略厚，平均厚度相差109nm。一次搪錫后焊料內(nèi)金錫化合物較多，金含量很高，并且發(fā)現(xiàn)多處細長金錫合金組織。手工一次搪錫不能滿足除金要求，金脆風(fēng)險很高。兩次搪錫后，焊料內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯金錫化合物，金含量也大大降低，降低到2.62wt%。

4.2 手工一次搪錫與激光一次搪錫對比

手工搪錫焊料組織較粗大，鉛偏聚明顯，金元素聚集現(xiàn)象嚴重，發(fā)現(xiàn)多處細長金錫化合物組織，長度可達13.6μm。激光搪錫錫量更飽滿，組織更細膩，金元素在焊料中均勻分布，未發(fā)現(xiàn)明顯偏聚，對比見表3。

表3 手工和激光一次搪錫效果對比表

與手工搪錫相比，激光搪錫填錫量較為飽滿，焊料內(nèi)合金組織更加細膩。因為激光搪錫時間較短，焊料與焊杯間形成的合金層也比手工搪錫形成的合金層薄，激光搪錫和手工搪錫形成的合金層平均厚度分別為393.5nm和641nm。

采用手工搪錫方法，金元素在焊料中形成脆性金錫化合物的趨勢更明顯，在焊點組織內(nèi)多處細長的金錫合金組織，金脆風(fēng)險較高；激光搪錫后，金元素在焊料中均勻分布，含金組織細小，未見粗大的脆性金錫化合物。手工兩次搪錫與激光兩次搪錫對比見表4。

表4 手工、激光兩次搪錫效果對比表

手工兩次搪錫焊錫與焊杯間合金層平均厚度750nm。未發(fā)現(xiàn)大塊金錫化合物組織。焊料中檢測出金元素含量2.62wt%。

激光兩次搪錫合金層平均厚度678nm，焊料與合金層內(nèi)均未檢測出金元素。

與手工兩次搪錫相比，激光兩次搪錫時間更短，焊料與焊杯間形成的合金層更薄，平均厚度相差72nm。手工兩次搪錫后，焊料中金含量降低到2.62wt%，合金層內(nèi)未檢測出金元素。激光兩次搪錫后焊料及合金層內(nèi)均未檢測出金元素，除金更加徹底[4，5]。

5 結(jié)束語

通過對比手工搪錫除金工藝與激光兩次搪錫除金工藝結(jié)果，兩種方式金元素質(zhì)量分數(shù)雖均滿足要求，但激光搪錫工藝得到的金相組織更為細膩，合金層厚度較小，除金效果更好，可以作為鍍金航插焊杯實現(xiàn)自動化的搪錫除金工藝方法推廣應(yīng)用。

1 齊林，楊京偉，杜爽，等. QFN元器件去金搪錫工藝技術(shù)研究[J]. 航天制造技術(shù)，2018(1)：44～47

2 張玲蕓. 手工焊接的質(zhì)量控制[J]. 電子工藝技術(shù)，2010(4)：219～222

3 Yuan Haiyu. Influence of ENIG coating quality on the reliability of soldered joint[J]. Electronic Product Reliability and Environ-mental Testing, 2017(zl): 108～113

4 Sun Xiaowei, Cheng Mingsheng, Chen Gaiqing. Review of research progress on gold embrittlement failure behavior of Sn-Pb solder joints[J]. Electronics Process Technology, 2017(6): 315～318

5 Cheng Gang. Problem and measure of degolding in components soldering[J]. Aerospace Materials & Technology, 2012(5): 84～87

Comparative Study on Laser Degolding Process and Manual Degolding Process for Aviation Electronic Connector Solder Cup

Yang Di1Yang Xiaojian1Zhang Yongzhong1Wu Hao1Du Xiaoyan2

(1. Computer Technology and Application Research Institute in Beijing, Beijing 1008542;2. Intelligent Electronics Manufacturing Research Center in Beijing City University, Beijing 101399)

By comparative analysis, study the results of manual one tinning degolding, laser one tinning degolding and laser two tinning degolding for aviation electronic connector solder cup, measure alloy layer thickness and observe alloy layer morphology. It was found that whether manual method or using the laser, the gold content of one tinning degolding was no less than 3%, and gold content after two tinning degolding was lower than 3%, but laser lining tin got more exquisite and uniform microstructure, with thinner alloy layer thickness and higher efficiency. Finally, the effect of laser tinning is better than manual operation, and it has a more advanced guiding significance for degolding process of welding cup.

aviation electronic connector solder cup；laser tinning degolding；manual tinning degolding

V19

A

楊迪（1991），工程師，電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)；研究方向：光電子、電子電路技術(shù)。

2021-08-24