SMD-高密度电连接器镀金焊杯去金处理

1SMD与HDI电连接器镀Au引线/焊杯去金处理陈正浩中国电子科技集团公司第十研究所摘要：本文在介绍镀Au引线/焊杯除Au规定、分析“金脆化”焊点危害案例、产生机理及免于除Au处理若干“例外”实施可行性的基础上，以HDI电连接器镀Au焊杯和无引线表面贴装器件镀Au焊端为例，详尽地叙述了除Au处理的搪锡要点，镀Au引线/焊杯搪锡处理的适用标准及工艺方法；并对“电连接器基座的绝缘材料耐热性”等疑虑问题进行了详细的破解。关键词：电连接器无引线表面贴装元器件镀Au焊杯/焊端去Au处理SMC/SMD是PCBA的基础，电连接器是多芯电缆组件的核心部件。其部分引线和焊端镀Au，主要目的是为了提高器件引线和焊端的抗氧化性和耐磨性。但引线和焊端的镀Au层在焊接时Au镀层极易产生“金脆化”，所以焊接端必须进行“去Au”处理。一.规定1.引线/焊端镀Au去金要求美国NASA及美国军标DOD-STD-2000-1B，IPCJ-STD-001DCN和我国QJ3012，QJ3117及SJ20632都相继作出“在需要钎接部位的金涂敷层，应在钎接之前全部消除，因为这种脆性的金-锡化合物所构成的连接部，是特别不可靠的。因此现在凡是需要锡焊的表面都不允许镀金，原来已有的也必须除去”的规定。GJB128A、GJB548B、QJ3267和由中国国家国防科工局下达、中国电子科技集团牵头，中国电子科技集团旗下四十多个研究所电子装联工艺人员集体研究制定，得到国家国防科工局、航天科技集团和中兴通信等著名专家认可，通过国家鉴定和验收，并以中国电子科技集团名义下发实施的“电子装联焊接工艺质量控制要求”相继确定镀Au引线的搪锡与除Au的规定及提出具体实施工艺。关于镀金引线/焊端不能直接用铅锡合金焊接，必须在焊接前除Au的要求昀早可以追溯到近三十年前。1985年3月，欧洲空间局（ESA）在《高可靠性电连接的手工焊接》（ESAPSS-01-708）中提出：“当被焊接在导电图形中的元件与焊接表面镀层不相容时，要避免采用金镀层。在任何情况下都不允许在金镀层上直接进行焊接。”【1】1991年3月，ESA在《表面安装和混合工艺印制电路板的高可靠性焊接》（ESAPSS-01-738）中强调：“绝不允许用锡一铅合金去焊黄金。如果陶瓷基片或器件的表面有镀2金层或涂金层，则可以采取某种形式的机械打磨去金，以保证更好的焊接性能。”【2】《表面组装工艺技术》【3】中提出：“Au在Sn-Pb焊料中快速溶解，出现Au向焊料的扩散溶蚀现象，并与焊料形成脆性的金属间化合物，所以不宜用Sn-Pb焊料焊接Au”。高可靠电子装联元器件焊接中规定必须用铅锡合金焊料，特别是在航天/航空等军工行业的电子产品生产研制中，为防止Au脆，镀Au的引线(导线)和接线端子必经过搪锡处理。对镀Au表面的处理问题已经明确提出，并作为禁(限)用工艺项目重点关注【4】。经常使用到的国内外的军工行业标准有关镀Au表面去Au的要求见表1。表1电子装联标准中对引线/焊端镀Au的去金要求标准代号标准内容QJ3012-98一般情况下，不允许在金镀层上直接进行焊接，引线表面金镀层大于2.5μm需经过两次搪锡处理，小于2.5μm应进行一次搪锡处理。QJ3011-98对镀金的元器件应经搪锡处理(高频器件、微波器件除外)。QJ3117-99镀金的导线芯线、元器件引线和各种接线端子的焊接部位，需经搪锡处理后才能进行焊接。IPC/EIAJ-STD-001E如果在审核时有证据证明金没有导致与焊接加工有关的焊料变脆问题的存在，那么这些要求可以免除。并且规定大于2.5μm的镀金表面去金，去金面积应大于95%。ECSS-Q-ST-70-08C镀金导体不允许直接焊接。ECSS-Q-70-18A电连接器的焊杯也必须除金和搪锡，焊杯内镀锡后用吸锡绳吸除。MIL-STD-2000A除表面安装元器件外，应从镀层为2.5μm或更厚的元器件被焊表面将金层除去，对于表面安装元器件，至少应将95%的总镀金表面的金层除去，同时在元器件被焊表面不应再有金层。美军标MIL-STD-2000标准关于去Au的要求提出较早，QJ301-98的条款就是参照MIL-STD-2000标准提出的。ECSS-Q-70-18A还给出了具体的去Au搪锡温度250℃～280℃，浸锡温度210℃～260℃。在IPC/EIAJ-STD-001E中对镀Au器件的搪锡要求时给出了元器件进行两次搪锡或流动焊料搪锡的方法。2.引线/焊端可焊性要求元器件引线可焊性应符合GJB128A方法2026、GJB360A方法208，圆形元器引线可焊性应符合GJB548B方法2003，带状元器件引线应符合GJB548B方法2022的要求。表面3组装元器件引线（焊端）可焊性应符合SJ10669的要求；钎料覆盖面积要达到95%以上为合格。电连接器接触偶焊接端子的可焊性：用Sn63/Pb37铅锡合金，235±5℃，持续时间：5s焊接后用10倍放大鏡观察焊錫的表面的附着情形，要求全部润湿。二.“金脆化”所造成的焊点不可靠案例图1Au脆化引起的焊接不可靠现象某镀Au天线簧片广泛应用于通信终端产品中，采用再流焊接将其焊在PCB上，如图2所示。【5】图2镀Au天线簧片在PCBA上安装Au天线簧片在再流焊接后轻轻一碰就掉，焊接面发现存在明显的不润湿或反润湿现象断裂界面呈现出典型的脆性断裂失效特征，如图3、图4所示。用X-Ray检测Au天线簧片的焊接处空洞很多，不良率6%，有时竟能高达50%。优化再流焊曲线后仍没有好转。对焊点进行金相切片分析，其焊点切片和切面金相图如图5和图6所示。图3簧片焊接面图4反润湿区特征4图5焊点纵向断面切片图6切面金相用EDS分析，焊缝的中部和簧片界面附近等的EDS元素分布如图7所示。图7焊点中部和簧片界面附近的EDS图按照焊点可靠性要求，焊缝焊料中的Au限制浓度应小于3wt%。由此可以判定失效的原因是由于焊缝焊料中的Au元素浓度过高而导致接点抗剪强度退化，昀终引发“金脆断裂”。三.“金脆化”产生机理0引言按照有铅焊接相关电装标准，元器件在印制电路板上的安装，焊料一般局限于Sn63Pb37、Sn60Pb40、Sn62Pb36Ag2等几种含铅的共晶焊料，以缩短焊料从液态转变为固态的时间，改善焊料的金相组织，减少“晶须”的发生。Au由于其具有优越的化学稳定性，不易氧化、焊接性好，耐磨、导电性好、接触电阻小等优点，在电子行业被普遍应用。电子行业根据不同的要求与应用场合有三种类型镀Au：→镀硬Au：厚度应＞0.5μm，用在反复使用插拔的金手指镀Au，Au层不仅要求耐磨，5且有较高的厚度；→焊接用镀Au：PCB板一般在Ni表面镀Au，Au层是为了保护Ni表面不被氧化的，所以Au层在保证Ni表面不氧化的条件下，Au层应越薄越好，大多数控制在0.05μm左右，也叫镀“水Au”，在焊接过程中很薄的Au层迅速熔融人焊料中；→金属丝焊接用镀Au：由于金属丝(金丝或Al丝等)是直接焊接在Au层上的。因此，要求有较厚的Au层，一般Au层厚度应在0.5μm左右。为了防止电路板以及元器件引线的氧化问题，提高焊接性能，使用了镀Au的PCB板和元器件引线。但在上个世纪八十年代，航天五院某所在一个产品故障分析中，出现了“Au脆”问题，当时谁都没有意识到是镀Au引线没有除Au，经过国家权威部门失效机理分析中心的科学检测，发现正是由于镀Au引线没有除Au，焊接后焊点产生Au脆现象，产品出现严重的质量问题。该现象引起了人们的重视，随后在航天系统内部提出镀Au引线在焊接前要进行搪锡处理问题。近年来，去Au问题在航天以及其他军工产品等需要高可靠焊接的产品上被越来越多的提出来。【6】1.浸析现象的定义浸入液态焊料中的固体金属会产生溶解，直至达到溶解极限为止，但在实际焊接过程中这种极限值是达不到的，只能少量地溶解，在生产中将这种现象称之为浸析现象或“溶蚀”现象。发生浸析现象的本质，乃是由于这一类固体金属与液态焊料金属原子之间存在着良好的亲和力。影响浸析或“溶蚀”现象的原因主要取决于基体金属、焊料成分、焊接的温度、时间和焊料的流动速度等。2.Au与Sn的合金相图分析以图8所示的Au-Pb-Sn合金相图（176℃等温截面）为例，在含Sn量较多时，焊料中的Sn和Au容易形成针状AuSn4、AuSn2、AuSn等金属间化合物，在含金量较少的情况下，生成的AuSn4为多数；针状的AuSn4为脆性化合物，在测试、应用及试验的环境条件下极易脆断，导致焊接断裂失效。3.“蚀金现象焊料与厚薄膜金导带、元器件表面金涂覆层的合金化对于形成坚固的电气和机械连接是重要的。如果这个合金化过程过分，在焊接结合层形成较多的脆性金属化合物，或由于浸析使金镀层被充分溶解，这时若底层为陶瓷或微晶玻璃等非金属，或底层金属与其表面焊料的浸润性差，则会出现焊接脱落现象。6图8Au-Pb-Sn合金相图(176℃等温截面)为了提高金属表面的抗腐蚀能力，得到优良的化学稳定性，我国一些军用元器件引线表面仍然采用镀Au工艺，使其更适用于焊接，也适用于插装。目前，在这些外壳的镀Au表面焊接中，一般使用Sn-Pb焊料或Sn-Pb-Ag焊料，这时会出现或重或轻的“蚀Au”现象。分立结构的固体继电器采用镀Au引线在Sn-Pb焊料中沾锡的工艺，在引线上热浸Sn-Pb焊料一般会使Au变脆。恰当的引线涂覆，必须使引线在焊料槽中停留足够长的时间，使镀在引线上的Au充分溶解到熔化的焊料中，而且，焊料涂覆层含Au量应当小于3％；否则，焊料可能变为脆性，往往引起焊料涂覆层剥落，在经受张力的地方尤为如此。4.“金脆化”的机理分析焊接时，Au与Sn-Pb焊料的相容性非常好，金在熔融状态的Sn-Pb合金中属于一种可熔金属，而且溶解速率很快。浸析或“溶蚀”的速度，通常可以用固体金属在焊料中的溶解率来表征。溶解率通常是用一根规定直径的导线完全溶解在焊料中所需的时间来表示。各种金属在Sn-Pb焊料中的溶解速度见图9。从图9可以看出，在焊接过程中，昀先溶解到焊料中的是Au，形成如图8所示的Au-Sn化合物。Au在焊料中的熔解率随温度变化，在高温度下，6ms～7ms内，Au的熔解和Au-Sn化合物的形成过程就可以结束。在直接焊接Au镀层时，生成的Au-Sn合金层非常薄，当Au的含量达到3%时，表面上焊点形成很好，但明显地表现出脆性，埋下隐患。必然带来结合部的性能变脆，力学强度下降，产生“金脆”现象，影响电气连接的可靠性。7图9金属在Sn-Pb焊料中的溶解速度四.镀金引线/焊端除金工艺方案焊点中的Au-Sn合金对焊点的可靠性的影响在业界逐渐得到共识，但是焊接前对于镀Au表面的处理问题方面争议较多。一般认为，镀Au厚度在1.27μm时，能在2s内溶于低熔点的Sn-Pb焊料中，从Au在Sn-Pb焊料中的熔解曲线也可以看出：当镀Au厚度＞1.27μm时，有足够的Au元素向焊料中扩散而产生脆性。1.PCB板的焊盘镀Au为了减少Cu-Au合金的危害，PCB板的镀金层下面一般是镀Ni阻挡层。但SMT工艺中，Ni-Au板金镀层以及一些元器件的Au镀层都非常薄，一般为0.05μm～0.125μm。镀Ni层厚度为3μm～6μm。（一般只有在高频的微带板上或作为接触连接的金手指采用电镀厚Au工艺，约2μm左右。）薄的镀Au层能在焊接时迅速熔于焊料中，此时焊料中的Sn与Ni层形成Sn-Ni共价化合物，使焊点更牢固，少量的Au熔于锡中不会引起焊点变脆，Au层起保护Ni层不被氧化的作用。Ni作为Cu和Au之间的隔离层，防止盘层的孔隙在受潮湿时与Cu层形成微电池而腐蚀铜。一般认为，少量的Au不至于引起Au脆，所以对表贴器件一般不采取去Au措施。2.双波峰焊工艺进行元器件的焊装可以免于预先除Au采用双波峰焊工艺进行元器件的焊装时，前一波峰可以起到去Au的作用，后一波峰进行昀后的焊接，因此可以不做专门的去Au搪锡工序，但对锡槽中的焊料的成分要进行控制，以防止焊料中的Au含量或其他杂质含量超标。3.元器件镀Au引线去金方法对于元器件的引线而言，常使用的去Au方法如下：81）用烙铁手工搪