釬劑可以有效地促進釬......



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。
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。
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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。
　　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。
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　　 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。