Sn－58Bi在镀镍层表面的焊接工艺

华根瑞，王海涛，袁 晶，王 鹏

(西安电子工程研究所专业七部，陕西西安 710100)

在某型雷达系统中，要求接收前端使用的盒体重量轻、电磁屏蔽效果好、成本低、表面需耐磨且具有可焊性。为满足这些要求，该盒体材料最终选用铝合金，表面镀镍。

在对盒体中焊接的接收电路板上，预先使用熔点为183℃的Sn－37Pb焊料焊接了3个器件，在随后的焊接工序中，须使用熔点比183℃低的焊料焊接。能满足这一要求的焊料，基本上是含铟或含铋的焊料合金。由于铟属于稀有金属，所以此类焊料的价格较高，而目前市场上的含铋焊料，主要是Sn－58Bi，该焊料熔点低，具有良好的流动性和热疲劳性能［1］，价格较低廉。文中所用焊料为明辉牌Sn－58Bi(牌号:Bright BR50A)焊膏。

由于存放环境、镀前表面处理等原因［2］，镀镍层容易被氧化，有些甚至会出现发霉等现象。过厚的金属间化合物层会导致焊点断裂韧性和抗低周疲劳能力下降，从而导致焊点可靠性的下降。对于无铅焊料而言，由于无铅焊料和传统的锡铅焊料成分不同，因此这与焊接基底如铜、镍等的反应速率以及反应产物不同，从而需要不同的焊接温度和时间［3］。在镀镍盒体中，由于存放原因，部分表面已被氧化，如图1所示的表面氧化层。虽调整了焊接时间和温度，但仍是空洞率较高。空洞的存在，一方面会使射频电路的接地不良。另一方面会阻碍热量耗散，导致器件的提前老化。将这些被氧化的盒体返厂处理后，其焊接效果并不理想。同时，可使用其他焊料在盒体表面焊接，仍出现空洞率高的问题。因此，只能通过对Sn－58Bi焊膏在镀镍层表面作各种试验来解决此问题。

图1 盒体被氧化的表面

1 焊接过程

1.1 直接加热焊接

直接加热所用的加热台是一块160 mm×160 mm的平板加热区域，如图2所示，在空气中加热焊接。其整个工艺过程为:焊膏涂抹→接收电路板装配→预热→加热→自然冷却→清洗→检验。

图2 焊接用的加热台

用该方法焊接后，大部分产品均满足装配要求，但仍有产品在进行X光检测时，发现其空洞率较高，部分甚至超过50%。焊接完成后，焊接区域有空洞盒体的X光图如图3所示，图中电路板下浅灰色区域为空洞存在的区域。

图3 X光下直接加热焊接后的空洞

将电路板拆卸后，盒体焊接表面的状况如图4所示。由图4可看出，盒体焊接区域有较多焊料浸润情况发生。图中焊料堆积是因拆卸电路板时由于电路板的倾斜而引起的，与浸润性无关，而盒体表面无焊料的地方，基本上均是空洞存在的区域。因此，在直接加热焊接的情况下，不能完全保证电路板的良好焊接。

图4 盒体焊接区域焊料的浸润情况

1.2 无氧环境下焊接

为避免直接加热过程时空气中氧气的干扰，将盒体放入真空炉中焊接，其焊接工艺过程为:焊膏涂抹→接收电路板装配→放入真空炉→抽真空→充氮气→预热→加热→温度保持→降温→排气→充氮气冷却→从真空炉取出→清洗→检验。在这一过程中，抽真空后充氮气(纯度99.995%)的目的:改善熔融焊料的润湿性，使焊接区域更光亮。促进润湿且能降低助焊剂使用量，减少电路板焊接表面残余物。给热传导提供了介质，减少了升温时间。降低锡渣量，节省焊料成本及处理锡渣带来的人工费用。大量工艺研究发现:当氧含量为0.1%(体积)时，锡渣量约减少1/2［4］。

在无氧环境下焊接后，仍有一部分盒体的空洞率较高。而且，原先用直接加热焊接不良的盒体，再放入真空炉中重新焊接，其空洞率并无明显的降低，其焊接后的X光图如图5所示，电路板拆下后的盒体焊接区域表面如图6所示。

通过以上两种焊接方式可看出，导致空洞率较高的原因，是盒体表面镀镍层被氧化引起的。为去除氧化层，文中尝试另加助焊剂来进行焊接。虽Sn－58Bi焊膏中本身含有一定量的助焊剂，但仍不足以去除该氧化层。

2 实验改进

另加助焊剂的直接加热焊接方式:该焊接过程只是在直接加热焊接前，在盒体镍层表面涂抹了少许助焊剂，该助焊剂为自行配制，是某种溶剂、活性剂与松香类物质的混合物。

助焊剂在电子组装焊接过程中主要作用为去除焊接区域材料的表面氧化物，为液态焊料在母材上铺展润湿创造必要条件;形成液态薄层覆盖母材和焊料表面，隔绝空气而起保护作用，防止焊料合金再氧化;起界面活性作用，降低液态钎料表面张力，改善液态焊料对母材的润湿，增强焊点的传热能力;辅助热传导，将热量传递到焊接区域［5］。用该方法焊接后，盒体在X光下所得图像如图7所示，空洞率较小，在2%以内。将板子拆卸后的焊料熔融的形态如图8所示，盒体表面焊料的浸润充分。这说明，采用外加助焊剂的方法，可去除镍层表面的氧化层，大幅提升Sn－58Bi焊膏在镀镍表面的浸润性。

同时，采用这种方法，对之前空洞率较高的盒体重新焊接后，在X光下检测，其空洞率均在5%以内，达到了焊接的工艺要求。

3 结束语

为降低电子产品的成本，越来越多的设计均采用表面镀镍工艺，这促使各方更加注焊料在镍层表面的可焊性。一方面，要加强镀涂过程中的表面处理。另外一方面，可通过后期使用其他工艺手段来增加焊料在镍层表面的浸润性。文中使用焊膏在镀镍层表面焊接时，焊膏中所含的助焊剂，并不能有效地去除镀镍层表面氧化层，需另加助焊剂来去除，以此来增加焊膏的浸润性。此外，除文中所做的尝试外，其他试验表明，在焊膏中直接添加6% ～8%的助焊剂，搅拌均匀后，同样可在焊接时确保5%以下的空洞率。

［1］李群，黄继华，张华，等.Al对Sn－58Bi无铅钎料组织及性能的影响［J］.电子工艺技术，2008，29(1):1 －4.

［2］MILAD G，MARTIN J.Electro less nickel/immersion gold，solder ability and solder joint reliability as functions of processcontrol［J］.Circui Tree，2000(10):56 －62.

［3］胡光辉，蒙继龙，柴志强.电镀镍金焊接强度不足的原因及对策［J］.印制电路信息，2005(7):26－27.

［4］史建卫，王乐，徐波，等.无铅制程导入面临的问题及解决方案(续)［J］.电子工业专用设备，2006，35(6):36 －46.

［5］史建卫，许愿，王建斌，等.电子组装中助焊剂的选择(待续)［J］.电子工艺技术，2009，30(3):181－184.