电子产品元器件去金工艺研究

摘　要：针对电装行业的相关工艺规范要求，为避免“金脆”现象的发生，元器件引线的镀金层在焊接前应予以去除。简要分析了金脆现象产生的机理，探讨了高可靠性应用场合去金的必要性，并结合工作实际介绍了几种实用的去金工艺方法。

关键词： 搪锡技术；镀金层；去金

 

金由于其具有化学稳定性好、不易氧化、焊接性能好、耐磨、导电性能好和接触电阻小等一系列优点，被广泛应用于电子行业中。根据应用场合的不同，镀金工艺一般分为两种。一种是电镀金工艺，俗称镀硬金，采用该工艺的镀金层的厚度较高，一般大于0.5 μm，多用于耐磨性和导电性能要求较高的场合，如需要进行反复插拔的板卡金手指部分[1,2]；二是化学镍金工艺，也叫“软金”或“水金”，这种工艺中金的作用是保护新鲜的镍层表面，防止其氧化，从而提高可焊性，印制板焊盘镀层以及电子元器件引线镀层大多采用这种方式。镀金的表面处理方式，很好地解决了防氧化问题，但是在焊接中也存在一定的可靠性问题，即“金脆”现象。近年，由于“金脆”导致的焊点脆化和强度不足问题越来越受到重视，高可靠的应用场合，要求在焊接前必须进行搪锡处理。本文将围绕这一问题，对去金的必要性进行探讨，并结合工作实际给出常见元器件搪锡的工艺方法。

1 金脆的机理

软钎焊的机理是金属焊料（有铅焊一般为Sn63Pb37）受热熔化，在被焊金属表面发生漫流、润湿和扩散，随着金属原子的扩散，在晶格点阵中呈热振动状态的金属原子，会从一个晶格点阵自动转移到其他晶格点阵，形成金属间化合物IMC，最终使焊料与焊件之间牢固结合[3]。

研究表明，金与铅锡焊料的相容性很好（在高于200 ℃的情况下，金可与铅锡焊料在6 ms～7 ms内完成溶解并形成Au-Sn化合物），优于银、铜、铂和镍等。因此，在焊接过程中，最先溶解到焊料中的是金，从扩散动力学角度解释其原因，是因为Au在Sn中通过间隙扩散机制进行快速扩散，由于AuSn4结构与Sn晶格较接近，只是Au处于间隙位置同时产生了一定的缺陷，发生Sn—AuSn4相变的阻力较小，所以AuSn4相的形核与长大可以十分容易和快速地发生。

事实上，Au-Sn化合物的维氏硬度高达750仅次于玻璃，呈现明显的脆硬性，合金焊点的承载能力十分有限，一般认为，Au-Sn化合物中当金的含量达到3%时，“金脆”现象会十分明显，将导致焊点力学强度的大幅下降，严重影响电气连接的可靠性，而这种含量对应的金层厚度约为0.75μm。

我们在项目管理中遇到了多起“金脆”焊点开裂失效问题，如图1所示。经过归零分析，认为带有加速度的振动条件是金脆焊点失效的最大的外部条件，此外，冷热温差大的启动环境也会加大失效发生的可能性。

2 去金的工艺要求

“金脆”的危害已经被大家充分认识，但是业内对于镀金层表面的处理，即“除金工艺”看法尚不一致，有些标准要求“强制去金”，有些标准则仅为“推荐去金”，表1列出了电装常用国内外军工行业标准有关镀金表面去金的要求。

总结业内的看法，可以得出大致的结论，一般认为镀金层厚度在1.27μm时，能在2 s内溶于低熔点的锡铅焊料中，当大于1.27μm时，金元素扩散后将足以使焊点产生脆性。因此，目前各种标准一般要求，大于1.27μm时应进行至少一次搪锡去除，而当镀金层大于2.5μm时，则要求2次搪锡处理。随着“金脆”危害的研究进一步加深以及质量问题在航天型号产品等高可靠场合的发生，对镀金层的处理必将趋于更严格化的要求。

3 搪锡工艺及可靠性分析

电子产品装联过程中，与“金脆”现象有关的因素主要包括印制板焊盘、焊料和元器件焊端。首先是焊料问题，一般认为焊料中金杂质含量较少，不会引发“金脆”现象；其次是印制板焊盘镀层问题，目前，印制板焊盘处理方式多采用化学镍金工艺，此种方式的金层厚度一般很薄，大多控制在0.05μm～0.08μm，研究表明，金层厚度在0.075μm～0.375μm之间，“金脆”现象是可以忽略的，因此印制板焊盘也无须进行特殊的去金处理；最后是元器件焊端镀层问题，元器件从封装上一般可分为无引线和有引线两种，无引线元器件（如LCC和CSP等）镀层厚度一般很薄，可不进行搪锡处理，但是有引线元器件一般镀金层较厚，需要采用搪锡法进行去金处理。

手工搪锡法。使用烙铁进行手工搪锡，搪锡温度一般为260 ℃～280 ℃，时间为2 s～3 s，然后用吸锡绳加热后吸除表面的搪锡层，若表面镀金层大于2.5μm，应再进行一次搪锡处理。（由于镀金层厚度有时很难判断，一般我们全部按二次搪锡处理）该方法同样适用于连接器焊杯的去金处理。手工搪锡法，建议使用补温速度快的智能烙铁，以保证足够温度稳定度。

静止浸锡法。采用双锡锅浸锡，首先将已涂覆助焊剂的镀金引线在去金专用锡锅中浸2 s~3 s，温度可略低于手工搪锡温度（较烙铁头有更好的传热效率），去金锡锅中焊料金杂质的含量不得超过1%；之后再将引线浸入普通锡锅中进行二次搪锡，时间与温度与去金锡锅相同，但是焊料的金杂质应严格控制到0.3%以下。操作时，应使用纱布对引线根部进行保护，防止焊料沿引线爬升，损害器件本体，此外，对于玻封二极管等热敏感器件还应进行散热处理。

流动浸锡法。采用小型波峰焊接设备，由于焊锡是连续流动的，因此很容易去除镀金层，但采用此方法时，应对锡槽中的焊料成分进行严格控制，金杂质含量应控制在0.3%以下。

回流搪锡法。利用返修工作站或控温性加热板（开放环境下模拟回流焊曲线的设备）通过回流焊工艺去金是针对特殊表面贴装器件（SMD）采用的去金方法。这主要是因为，目前越来越多的高可靠性元器件采用陶瓷封装，如CQFP和CLCC等，这些元器件的搪锡和焊接必须要求逐步升温的方法。具体操作时，需要设计专用印制板工装，按照印刷焊膏和回流焊接的工艺流程进行，在锡膏融化后，迅速将元器件取下，在高温条件下，用吸锡绳子吸除焊料，从而达到去金目的。表2 是不同搪锡方法比较。

一般根据产品的可靠性要求不同采用不同的搪锡方法，一般民用产品且元器件数量很小时，采用手工搪锡方式；对于数量较大且可靠性要求高的场合一般采用锡锅法或选择性波峰焊，对于无引线器件或陶瓷封装器件则采用返修台法进行处理[4,5]。

表3和表4给出了采用浸锡法和回流焊法进行搪锡处理后，焊点进行的环境试验的参数。经验证效果良好，达到了高可靠要求。

4 总结

电子装联中，特别是高可靠性应用场合，镀金印制板和镀金引线元器件应用越来越多。金极易溶于熔化的锡铅焊料中形成Au-Sn合金，这将导致焊点的脆化，影响焊接可靠性。虽然业内对去金的标准尚不一致，但是在高可靠性应用场合本着追求最高可靠性的原则，必须对元器件引线进行搪锡处理。在选择搪锡工艺时，应仔细对元器件类型进行识别，选择合适的搪锡方法，即有效去金又不隐性损伤器件。