真空汽相焊冷卻速率對多層板焊點質量的影響

吳彬勇 李 婧 邱靜萍 李少聰 張紹東

（上海航天電子有限公司，上海 201821）

文 摘 為解決多層印制板真空汽相焊由于焊后冷卻不足導致的焊點紋路問題，本文確定多層板焊點紋路出現的根本原因，對焊后冷卻區進行改造，進而研究不同焊接工藝對焊點表面形貌、內部組織形貌及焊點力學性能的影響。實驗結果表明，快冷下焊點形成的界面金屬化合物（IMC）更薄，焊點組織也更加均勻，即Pb在Sn中的分布更彌散?？炖湎滦纬傻腎MC層晶粒直徑在1 μm左右，剪切強度為17.26 MPa，較慢冷提高了43%，達到細晶強化的目的。此外，由于冷卻速度過慢導致的焊點表面紋路缺陷也得到明顯改善。

0 引言

伴隨航天電子產品高集成度和小型化的趨勢以及表面組裝技術的進步，印刷板（PCB，printed circuit board）單位面積集成的電子元器件越來越多，這使得多層厚銅印制板的需求逐年提高［1］。一方面，高速電路設計高密度的要求使PCB 的層數越來越多。PCB的設計層數由10 層以內逐步向20 層轉變，其內部分布有信號層、地層和電源層，層間通過導通孔（PTH，plated through hole）進行互連［2］。另一方面，高端通信設備測量精度及數據處理能力的提高導致其工作電流大幅增加，使得多層PCB 多采用厚銅設計，以滿足大電流傳導和散熱的需求［3］。

跳擴頻技術在空間電磁環境和國家間軍事對抗日益嚴峻的背景下產生，其基帶單板多為多層PCB，能實現抗干擾功能和更高的測距精度［4］。多層PCB雖然帶來了集成度的大幅提高，但是給制造和裝聯工藝帶來了極大的挑戰。對于電子裝聯，由于多層PCB 上的器件復雜多樣，焊接溫度要求差異大，使得焊接工藝的制定難度高。在焊接過程中，既要考慮到塑封器件的耐溫強度，又要兼顧大尺寸器件和無鉛器件高焊接溫度的要求。此外，多層PCB 大量的布線層及大尺寸器件導致其熱容極大，在焊接時吸收大量的熱量會導致焊接溫度不足，引發虛焊，故多層板的焊接溫度一般設置較高。

真空汽相焊由于較好的溫度均勻性被廣泛應用在復雜單板的焊接過程中［5］，但實際生產中多層印制板在經過常規真空汽相焊接后，焊點大概率出現紋路。目前針對焊點紋路的研究缺乏，可查閱到的參考極少。本文通過分析論證，確定多層板焊點紋路出現的根本原因；根據原因對真空汽相焊設備進行改造，研究不同焊接工藝對焊點表面形貌及內部組織形貌的影響，并對焊點進行力學測試；通過焊接設備的改造和焊接工藝的設計研究解決了多層板焊接難、焊點易出現紋路缺陷的問題。

1 問題提出及要因確定

1.1 問題提出

本廠生產的單板為20 層基帶板，厚度為2.8 mm；單板A 面主要為表貼阻容等普通器件；B 面有3D-plus 的球柵陣列（BGA）封裝器件2 個、柱柵陣列（CCGA）封裝器件5 個。經分析，A 面均為普通元器件，采用再流焊焊接方式即可；B 面BGA、CCGA 較多，為保證熱量均勻，焊接可靠，決定采用真空汽相焊進行焊接。B 面焊接時，為使CCGA 中間焊盤峰值溫度達到（220±5）℃并兼顧3D-plus 器件的本體耐溫215℃的要求，決定在3D-plus 器件上方罩隔熱工裝。通過改變汽相焊參數，對多層板B 面焊接溫度曲線進行測定，真空汽相焊具體參數設置見表1。熱電偶測得各器件溫度曲線基本符合有鉛焊接內控值，決定作為最終的焊接工藝。

表1 真空汽相焊參數設置Tab.1 Vacuum vapor phase welding parameter setting

多層板用上述制定的工藝方案進行焊接，A 面11 溫區回流焊接后經檢查焊點質量良好。在B 面真空汽相焊后發現A 面大部分表貼器件二次融熔焊點表面不光滑，出現不同程度的紋路現象（圖1）。同時印制板B面表貼阻容也發現了輕微的紋路。

圖1 多層板A面二次熔融后部分焊點形貌Fig.1 Partial welding spot morphology after secondary melting of multilayer plate

1.2 要因確認

本文對導致多層板真空汽相焊接后焊點出現紋路的主要問題展開多次分析和討論，運用“5M1E”方法尋找問題產生的原因。根據現場跟產及重復實驗論證，紋路問題產生的原因可能主要由于擾動，焊接峰值溫度及焊后冷速的問題導致。擾動的因素經過充分論證被排除，而降低焊接峰值溫度紋路有所改善，具體論證內容及結果見表2。

表2 焊點紋路的影響因素論證Tab.2 Validation of the influencing factors of solder joint pattern

與先前的產品不同，此次焊接的基帶板為20 層印制板，其熱容極大且排布的大尺寸芯片也導致吸熱嚴重。在產品實際生產過程中，為保證CCGA等大熱容芯片底部中心焊錫能充分熔融，無法降低焊接溫度。問題板熱容大，焊接溫度過高在一定程度上等效于降低了焊后冷卻速率，產品實測多層板焊后的冷卻速率只有1.3℃/s，遠低于常規回流焊4℃/s 的焊后冷卻速率。本文將冷卻速度確定為多層板焊點紋路問題產生的主要原因并進行研究。

2 試驗

2.1 方法

本文考慮通過增加冷速來避免多層板焊點紋路的產生，對現有真空汽相焊設備進行改造，增加冷卻區底部氮氣吹風裝置（圖2）。原本的真空汽相焊冷卻區只有上出風口，對于多層大熱容印制板（尤其是A 面）的冷卻效果不佳。本文在裝載印制板的導槽下部安裝出風口，利用電裝車間現場的氮氣作為氣源，使得焊接后的印制板在拉出爐體時可進行雙面冷卻。

圖2 改造后的真空汽相焊冷卻區Fig.2 Modified cooling zone of vacuum vapor phase welding

選取兩塊多層板進行焊點紋路驗證試驗，板1從爐內拉出后只進行上吹風，板2從爐內拉出后上下均吹風。兩塊板上粘貼熱電偶，用真空汽相焊設備的測試模式測試焊點表面實際的冷卻速度，測試出兩塊驗證板的工藝曲線如圖3所示。

圖3 不同吹風模式下多層板的焊接工藝曲線Fig.3 Welding process curves of multilayer plate under different cooling modes

由圖3 可以看出兩塊板的焊接峰值溫度相同但是冷卻速率差異極大。對200～183 ℃冷卻速率進行了測定，結果表明對多層印制板B 面吹氮氣（氣流壓強：0.35 MPa），冷速由原來的1.8 ℃/s升至6.3 ℃/s。

2.2 測試

采用2.1節確定的實驗方法進行試驗后，對不同冷速下的焊點進行分析觀察分析。用三維視頻顯微鏡（KH-7700，日本浩視）對焊點表面進行觀察；用場發射掃描電子顯微鏡（SU8100，日本日立）對焊點表面的微觀形貌進行觀察：對樣品1 和樣品2 的表面鍍Pt 30 s，使用15 kV 加速電壓對焊點表面進行放大觀察。根據IPC-TM-650 2.2.1F 測試方法手冊對焊點進行切片分析［6］。樣品經切割、冷鑲、拋光和微蝕處理后，用場發射掃描電子顯微鏡對焊點IMC 層截面的微觀形貌進行觀察。根據GB/T 17359—2012，用能譜儀對合金層進行成分分析［7］。將焊點機械剝離后，用場發射掃描電子顯微鏡對IMC 層表面的微觀形貌進行觀察，方法同上。用推拉力計（SPH-500，上海思為儀器制造有限公司）對焊點的剪切力進行表征。根據實際可能受力的情況，推拉力計的力從側面施加，測試焊點推斷時的峰值剪切力，測試儀器及力的作用方向如下圖4所示。

圖4 剪切力測試儀器及力的作用方向示意圖Fig.4 Shear force testing instrument and applied force direction

3 結果與討論

3.1 焊點表觀形貌

不同冷速冷卻后對兩塊板的焊點表面宏觀形貌進行觀察，焊點表面的光學圖像如圖5所示。慢冷下板1的焊點表面粗糙［圖5（a）］，有明顯紋路?？炖湎掳? 的焊點表面光亮［圖5（b）］，無紋路。經分析，慢冷條件下焊點紋路缺陷應為焊點冷卻時的不均勻凝固現象造成的：多層印制板焊接溫度高、熱容大，在冷卻時源源不斷地向焊點傳導熱量，使焊點不能在同一時間凝固，最終導致表面粗糙，有紋路。對比試驗證明了增加冷卻速度對于多層板真空汽相焊焊點紋路缺陷改善的可行性。焊后快冷形成的焊點宏觀形貌符合檢驗要求，但改造后的設備考慮用于實際生產，還需進一步驗證焊點可靠性。

圖5 不同冷卻條件下的焊點表面形Fig.5 Surface morphology of solder joints under different cooling conditions

對兩塊驗證板焊點的表面進行掃描電鏡（SEM）觀察，如圖6所示。不同冷卻條件下的焊點均形成由富鉛（Pb）相（淺色區域）和富錫（Sn）相（深色區域）組成的亞共晶組織。比較圖6（a）（c）相同放大倍數下圖像可知：快冷細化了焊點本體的內部組織，使得Pb在Sn中的分布更為彌散。

圖6 不同冷卻條件及放大倍數下的焊點SEM圖像Fig.6 SEM images of solder joints under different cooling conditions and different magnification

3.2 IMC層截面形貌

選取兩塊驗證板按2.2所述方法進行處理，對界面金屬化合物層截面形貌進行觀察分析。如圖7 所示，慢冷和快冷下IMC 層形貌均呈連續的扇貝狀。同時，對兩者IMC 層的元素進行分析，根據其原子比推斷，IMC 的成分主要為Cu6Sn5，如圖8 所示。用軟件對IMC 層的厚度進行測量，慢冷情況下IMC 層的平均厚度為2.82 μm，快冷情況下IMC層的平均厚度為2.51 μm。在釬焊過程中，Cu 的消耗量由式（1）表述［8］：

圖7 不同冷卻條件下IMC層截面的SEM圖Fig.7 SEM images of cross-section of IMC layer under different cooling rates

圖8 不同冷卻速率下的IMC層截面成分分析Fig.8 Component analysis of cross-section of IMC layer under different cooling rates

式中，Δh為Cu 的消耗量；Q為擴散激活能；K為玻爾茲曼常數；T為焊接溫度；t為焊接時間；A 和n 為常量。根據式（1）可得銅的消耗量與焊接溫度和焊接時間成正比，更高的焊接溫度會使Cu 更多地向釬料中溶解，導致界面層中銅的富集，從而使IMC 的厚度增加。本次試驗中，慢冷和快冷條件下的焊接溫度一定，但更慢的冷卻速度間接使得焊接時間延長，所以慢冷下生成的IMC 層應更厚。根據研究表明，IMC層本身的強度并不高，在釬焊過程中，IMC 的厚度越薄對焊點抗疲勞強度的提高越有利［9］。

3.3 IMC層剝離面形貌

選取兩塊驗證板按2.2 所述方法進行處理，對IMC 層剝離面進行觀察分析。如圖9 所示，IMC 層剝離面主要由Cu 和Sn 組成，沒有檢測到Pb 元素。此外，元素分析結果中Cu 元素含量較高，證明斷裂發生在IMC 層，且靠近焊盤的一側。圖10（a）（b）分別為慢冷和快冷條件IMC 層剝離面的SEM 圖像。在慢冷條件下，IMC 層的晶粒粗大，單個晶粒尺寸在5 μm左右；在快冷條件下，IMC層的晶粒細小，單個晶粒尺寸在1 μm 左右。晶粒越細，阻礙滑移的晶界越多，屈服極限也就越高。細小晶粒對焊點強度的提高，可以用霍爾-佩奇公式來解釋［10］：

圖9 IMC層剝離面表面元素分析Fig.9 Surface element analysis of stripping surface of IMC layer

圖10 不同冷卻速率下的IMC層剝離面SEM圖Fig.10 SEM images of stripping surface of IMC layer under different cooling rate

式中，σs為材料屈服強度；σ0為單位晶格摩擦阻力；d為晶粒平均直徑；k為與材料性質及晶粒尺寸相關的常數。由式（2）可知材料屈服強度和晶粒尺寸成反比，所以快冷下生成的細小晶粒更有利于焊點強度的提高。

慢冷條件下，IMC晶粒表面還生成了眾多細小薄片狀的新晶粒，如圖10（a）所示。薄片狀的物質在焊點中（尤其是界面層）是不利的，其極易容易成為裂紋擴展源。在外力作用下，裂紋很容易沿著薄片與焊料的結合面方向擴展，在后續的循環應力下甚至導致焊點的整體失效。

為驗證不同冷速下的焊點結合強度，按2.2所述方法對焊點的剪切力進行測試。在板1 和板2 上各隨機選取3 個0603 電阻焊點進行測試，剪切力的測試結果見表3。試驗結果表明，慢冷條件下焊點的剪切力平均值為26.5 N，快冷條件下焊點的剪切力平均值為37.97 N。0603 電阻焊盤總面積為2.2 mm2，計算可得慢冷下焊點的平均剪切強度為12.05 MPa，快冷下焊點的平均剪切強度為17.26 MPa?？炖涫沟煤更c的強度提高了43%，與上述快冷導致焊點微觀形貌細化達到細晶強化目的的結論一致。

表3 不同冷速條件下焊點的剪切力Tab.3 Shear force of solder joints at different cooling rates

5 結論

多層印制板由于熱容大、焊接峰值溫度高等綜合因素導致焊后冷卻效果不佳，從而使得焊點表面出現不規則紋路。本文對設備的冷卻區進行改造，使得20 層板的焊后冷卻速率從1.6 ℃/s 提高到6.3 ℃/s，改善了由于不均勻冷卻導致的多層板焊點出現紋路的現象。實驗結果表明：

（1）大冷速下形成的焊點組織更加均勻，Pb在Sn中的分布更彌散；

（2）在釬料和焊盤的界面，快冷和慢冷均形成連續的扇貝狀Cu6Sn5化合物層且快冷形成的IMC 層更??；

（3）快冷使得晶粒細化，快冷下形成IMC 層晶粒直徑在1 μm左右；

（4）快冷使得焊點的剪切強度顯著提高，快冷下0603電阻焊點的剪切強度為17.26 MPa，較慢冷提高了43%，達到細晶強化的目的。

本文對現今廣泛應用的多層大熱容印制板的可靠焊接有極強的參考價值和借鑒意義，值得推廣。