大面积基板焊接空洞率研究

摘　要：在微波模块加工中，大面积5880基板直接焊接到壳体上是模块接地散热的重要环节。基板焊接层空洞率对微波模块的性能和长期可靠性有着直接影响。在焊接过程中，由于助焊剂残留、界面氧化等原因产生的焊接层空洞（尤其是大空洞）会形成各种阻抗，对模块的散热存在较大影响，同时空洞导致接地状况不佳，也会造成电路串扰、插入损耗以及带来附加的电容与震荡。在分析空洞形成机理的基础上，以公司微波模块为依托，进行空洞率改善。通过试验研究了焊片、助焊剂、加热环境和焊前预处理等相关因素对焊接空洞的影响并验证了最优工艺参数，将产品空洞率从20%左右的水平最终改善到了5%以下。

关键词：微波模块；基板；空洞；大面积焊接

随着微波模块电路向系统化、微型化、高频化和大功率方向的发展，模块内部的热流密度不断增加。研究显示电子元器件约55%的失效主要是由于过热及与热相关的问题造成的[1]。因此，微波模块内部有一个好的散热通道显得尤为重要。而在微波模块加工中，大面积5880基板直接焊接到壳体上是模块接地散热的重要环节。基板焊接层空洞率对微波模块的性能和长期可靠性有着直接影响。在焊接过程中，由于助焊剂残留、界面氧化等原因产生的焊接层空洞（尤其是大空洞）会形成各种阻抗，对模块的散热存在较大影响，同时空洞导致接地状况不佳，也会造成电路串扰、插入损耗以及带来附加的电容与震荡[2]。对于一些导热差的大功率芯片的基体材料，芯片与基板的连接更需要有好的微波接地能力和散热能力。因此，研究焊接空洞的原因、降低空洞率（空洞总面积占芯片面积的百分比）对微波模块性能提升及长期可靠性有重要意义。

结合业内调研结果和公司产品质量要求，提出基板焊接空洞率限值为15%。本研究在分析空洞形成机理的基础上，以公司微波模块为依托，进行空洞率改善。通过实验研究了焊片厚度、助焊剂、加热环境和焊前预处理等因素对焊接空洞的影响并验证了最优工艺参数，将产品空洞率从工艺摸底时20%左右的水平最终改善到了5%以下。

1 现有工艺技术

目前生产线采用手工涂覆焊膏焊接，具体方法为用钨针挑起适量焊膏，均匀涂覆于加工好的介质板背面镀金层上，将涂覆好焊膏的介质板反转正面朝上后，小心放入壳体相应的位置。将相应的压块或压条压到介质板，用螺钉盖上盖板，继而进行加热焊接。该方法为人工进行焊膏涂覆，均匀性、重复性均不能得到保证。通过X-RAY检测发现手工涂覆焊膏产品空洞率较高，且有较多大气泡，如图1所示。X-RAY测算空洞率在15%～20%之间，未达到设计目标要求。这是由于焊膏分布不均会形成气体聚集的凹槽，无法有效排出气体，而造成空洞率过高。为了进一步改善焊接空洞，探讨空洞的形成原理很有必要。

2 空洞的形成

2.1 空洞形成机理

在低温预热阶段，助焊剂融化同时溶剂蒸发，挥发气体被液态助焊剂包裹形成气泡。另外溶剂中的有机酸与焊膏、元件、PCB 等存放过程中形成的金属氧化物反应产生水蒸汽带来气泡。

当进入高温加热阶段，溶剂进一步挥发。另外，有机酸与加热过程中形成的金属氧化物继续反应。这些气泡会生长成相当大的尺寸。同时焊锡达到熔点流动性变好，焊锡与焊接面的吸附力和气泡内部压力会帮助气体向外释放，另外元件重力也会挤压排出气泡。但是，熔融焊锡料的表面张力会形成向内的拉力，阻碍气泡的排出。如果焊盘和元件表面有污染物也会使气泡停留在污染物上难以排出。

在开始冷却阶段，焊料表面仍会被氧化形成氧化膜，进一步阻碍气泡的排出。因为挥发和氧化还原继续反应，气泡仍会继续生成。最后焊锡冷却凝固成固态，就会残留下一定数量的空洞[3]，如图2所示。

2.2 空洞率影响因子

根据空洞形成机理以及相关经验，推测空洞率影响因子可包括焊料均匀性、焊接氛围、焊接曲线和焊接面平整度等，具体见表1。该表主要是根据文献[4-6]和经验整理出的空洞率影响因子，各因子对空洞率的影响须进行实验定性验证，以得出最佳改善方案。

3 空洞率改善实验

考虑到印制板与壳体的加工稳定性，质检时没有发现相关不良（相应改善实验意义不大），而焊膏涂覆的均匀性、重复性欠佳，使用焊片焊接将有效弥补焊膏涂覆的不足，同时工艺简单，利于后续的生产推广。故主要进行焊片相关的实验，以解决空洞率不佳问题。

3.1 焊片

无铅焊片SAC305（该焊片成分适用于高温焊接，对后续温度梯度的拉开很有利）如图3所示，焊片物理特性见表2。

3.1.1 实验样品

公司某前端产品（如图4和图5所示）库存丰富，尺寸具有代表性，模块长度约60mm，平均宽度约4 mm，同时模块内部有开孔，针对开孔对于流动性影响有一定代表意义。后续将基于该产品进行空洞率研究实验。

3.1.2 焊片可焊性确认

选择了相应焊片和样品后，为了便于顺利地实验开展，从焊接润湿性以及焊接强度两方面进行焊片可焊性确认。

3.1.3 焊片润湿性

图6和图7为相同尺寸的焊片，在无助焊剂和有助焊剂两种情况下，在镀银面上的焊接效果。由图6和图7可知：无助焊剂时焊接焊片有收缩，润湿性一般；而有助焊剂时，焊片在助焊剂作用下，铺展性优秀，几乎与原尺寸无差别。故实验将使用助焊剂进行焊接。

3.1.4 焊片焊接强度测量

测试样品2只，均为6.7 mm×4.2mm×0.2 mm镀金垫片，通过0.05 mm焊片焊接到镀银面上。焊片焊接剪切面图如图8所示。由图8可知，垫片与镀银面均上锡完整，锡料充分润湿，焊接良好。两只样品剪切力分别为686.82N、999.84 N，符合国军标剪切力要求。

3.2 焊片实验

3.2.1 实验方案

表3为汇总的焊片实验方案。由于0.05 mm厚度焊片焊接强度没有问题，同时焊片厚度加上基板厚度小于芯片与垫片的总厚度，符合加工需求。另外助焊剂对焊片润湿铺张性有很大作用。故以0.05mm焊片加助焊剂（助焊剂涂覆在软基板背面、焊片正反面以及壳体焊接面）为基础进行实验。不同的焊接条件如下：

a)真空炉焊接条件：峰值温度280 ℃，加热时间420s；

b)回流炉焊接条件：峰值温度280 ℃，液态以上时间30 s；

c)加热台焊接条件：温度270 ℃。

3.2.2 实验结果

通过对各焊接结果进行X-RAY检查，得到相应X-RAY图以及空洞率（由GE XRAY软件测算），见表4。

由表4可知，0.05 mm厚度焊片+B助焊剂+真空+氮气保护的实验条件下，可以得到较低的空洞率。焊片厚度增加会导致焊料量增加流动性变差，空洞率上升；助焊剂种类对于焊接润湿性有较大作用继而影响空洞率；在不同焊接氛围方面空洞率从小到大顺序为真空+氮气氛围<真空<空气氛围。

搪锡工艺在焊接过程中使用非常广泛，通过烙铁和锡丝对印制板和壳体焊接位置进行搪锡预处理是焊接前的关键步骤。但是搪锡工艺对于人员操作经验、操作水平要求较高。搪锡时应尽量让焊料平整，再用毛笔蘸取酒精稀释后的松香水涂覆在壳体的焊接位置，继而在加热台上进行焊接。搪锡平整度若控制好，空洞率将会有很好的控制[7]。

焊片焊接的成本约为焊膏焊接的3.5倍，但是焊接空洞率有较大改善，且工艺流程较为简单，重复性均匀性均优于焊膏，保质期长。

4 结束语

1）由于焊片的均匀性、重复性很好，焊片焊接相对于手工涂覆焊膏焊接对于减少空洞率、提高工艺稳定性等方面有很大帮助。

2）焊片焊接中，焊片厚度、助焊剂种类、焊接氛围是控制焊接空洞率的三个主要因素。对于实验模块，0.05mm厚度焊片+B助焊剂+氮气保护氛围+真空的实验条件下，得到的空洞率低至3.24%。由此可见合适的焊片厚度可有效降低焊接空洞率，厚度过厚会导致焊料量增加，流动性变差，空洞率上升，厚度过薄则可能导致焊料不足。选用适合的助焊剂对空洞率减少也有一定帮助，如B助焊剂就优于A助焊剂。在不同焊接氛围方面，空洞率从小到大顺序为真空+氮气氛围<真空<空气氛围。真空环境有利于气体排出，氮气氛围可抑制表面氧化。

3）焊片焊接成本约是焊膏焊接的3.5倍，但焊片焊接工艺简单，焊接重复性、均匀性都优于焊膏，保质期长。

参考文献：

[1]李良海, 仝良玉, 葛秋玲. AuSn共晶焊接层空洞对陶瓷封装热阻的影响[J]. 电子封装与技术, 2015,15(4):5-8.

[2]贾耀平. 功率芯片低空洞率真空共晶焊接工艺研究[J].中国科技信息,2013,8(66):125-126.

[3]Hance W B, Lee N C. Voiding Mechanisms in SMT[J]. Soldering&Surface Mount Technology, 1993,5(1):16 - 21.

[4] 庞婷 , 王辉 . 真空共晶焊接技术研究 [ J ] . 电子工艺技术 ,2017,38(1):8-11.

[5] 霍灼琴, 杨凯骏. 真空环境下的共晶焊接[J]. 电子与封装,2010,10(11):11-14.

[6] 杨宗亮,张晨曦.微组装大面积基板焊膏共晶焊工艺研究[J].电子工艺技术, 2016, 37(5):270-272.

[7]王继林, 白磊, 李珍珍, 等. 无引线镀金表面贴装器件搪锡技术[J]. 航天制造技术, 2011,5:33-35.