銀銅共晶焊料過流淌影響因素的研究

張鳳偉 張慶 寧峰鳴

摘 要：本文主要敘述了金屬封裝外殼在銀銅釬焊過程中出現焊料過流淌、可靠性問題。借助顯微鏡、塞尺比對等手段，研究金屬封裝外殼釬焊過程中出現焊料過流淌影響產品可靠性的原因和機理并對釬焊工藝進行優化，為金屬封裝外殼焊料過流淌影響產品可靠性問題提供了理論支撐和實際指導意義。

關鍵詞：釬焊工藝;焊料過流淌;優化

1、引言：

電真空器件指借助電子在真空或氣體中與電磁場發生相互作用，將一種形式電磁能量轉換為另一種形式電磁能量的器件，如微波電子管繼電器、接插件、太陽能真空集熱管等[1-4]電真空器件具有大功率、高頻以及低成本的特點，越來越廣發應用于軍事、商業以及醫療系統中2電真空器件制造過程中存在大量使用銀銅共晶釬料焊接10# 鋼、鎢銅、無氧銅等金屬材料 Ag72Cu28焊料是 Ag-Cu 共晶合金，熔流點相同沒有結晶間隙，且熔點較低漫流性好，工藝容易控制，成本低等優點。在電真空器件制造使用量占總焊料量的80%以上。

2?? 試驗

2.1???? 試驗背景

實際生產過程中，金屬封裝外殼在釬焊過程中存在焊料流淌距離偏大，后道工序選螺絲對外殼進行定位。底板表面的鍍層破壞銀銅焊料裸露在空氣中。使得空氣中如含氧的水汽、含硫元素的物質或氣氛和銀發生化學反應。

常見的化學反應有：4Ag+O2=2Ag2O;2Ag+S=Ag2S由于焊料與鍍層之間電位差的存在，焊料就與鍍層間就形成了一個個原電池系統，焊料中 Ag 作為陽極被腐蝕。當這些成分復雜的化學反應生成物通過孔隙遷移到鍍層表面，就形成宏觀上的“變色”現象。此現象影響產品的外觀并對可靠性產生一定影響。因此環框與底板焊接處的焊料流淌距離需控制在0.50mm 以內。

2.2???? 原因分析

通過對存在焊料流淌的進一步研究，焊料流淌主要是受到焊料量、釬焊熱熔、底板表面狀態、釬焊工藝參數等因素的影響。

第一，焊料量對焊料流淌的影響。通過對《釬焊手冊》研究明確，其推薦環框與底板釬焊焊料厚度為0.05mm。但是，在具體的生產過程中，則是對產品進行了利用，并且焊料量厚度為0.1mm，焊料量相對較大，致使釬焊后經常會存在底板焊料過流淌現象。

第二，釬焊熱熔對焊料流淌的影響。在釬焊工藝中，若熱容存在不均衡的情況，最終就是使得釬焊爐溫度存在波動問題，進而導致焊接不良，嚴重的情況下，甚至會出現焊料過流淌。

第三，釬焊工藝參數對焊料流淌的影響。依照釬焊理論，如果釬焊溫度相對較高，則其保溫的時間也會相對較長，所以焊料非常容易出現流淌問題。與之相反，如果釬焊溫度相對較低，保溫時間保溫短焊料無法得到充分的熔化。因而，在本次試驗中，主要是對釬焊窯爐的溫度曲線進行分析。

2.3???? 試驗原料

金屬封裝外殼結構如下圖1所示。金屬封裝外殼配件、材質及其前處理如下表1所示：

2.4???? 試驗設備

擴散爐、鏈式網帶熔封爐、鏈式網帶釬焊爐、軍用電鍍線。

2.5???? 測試設備

體式顯微鏡、比對塞尺。

2.6???? 試驗安排

金屬封裝外殼制備通用流程如下圖2所示：

其中，釬焊工藝是一道關鍵工序，該工序出現焊料過流淌的問題直接關系到燒結工序的最終成品率。為此試驗將從焊料量、釬焊溫度、釬焊的保溫時間等展開研究，并根據分析結果給出最終的生產方案。

a）??? 焊料量

為了獲得填縫密實的接頭，需要對焊料的流動加以控制。焊料量的多少直接影響焊料流淌的距離。

b）??? 釬焊溫度

確定釬焊溫度的主要依據是所用焊料的熔點。它應適當的高于焊料的熔點，以減小液態焊料的表面張力，改善潤濕和提高填縫能力。釬焊溫度越高，焊料流淌性越好。

c）???? 釬焊保溫時間

保溫時間的確定，首先要考慮焊料與被連接材料相互作用的特征。當兩者相互作用產生強烈溶解，生成脆性相等不利傾向時，應盡量縮短保溫時間。保溫時間越長釬焊母材會不斷熔入液態釬料。焊料表面會出現“熔蝕”現象[5]。

d）熱容

在對熱容進行確定的過程中，試驗件使用的焊料的厚度均為0.05mm。

3、試驗結果與討論

焊料量。針對這一因素，其會隨著焊料厚度的不斷減少，焊料流淌距離呈現出了減少的趨勢。并且，通過對上述試驗的進一步研究和分析得知，焊料流淌的數據表明0.05mm 焊料厚度最佳。此外，依照結果，焊料量是影響焊料流淌的關鍵因素。具體結果如圖3所示。

a）? 保溫時間。根據上述試驗數據表明，隨著保溫時間的不斷減小，對于焊料流淌寬度而言，其也會出現相應減小的情況。具體如圖4所示。

c）熱容。通過對圖5的進一步研究可以明確，隨著熱容的不斷增加，焊料流淌的平均寬度由1009微米降至720μm，不能達到客戶小于0.5mm 的要求。同時，熱熔是雖然是影響焊料流淌的因素之一，但不是關鍵因素。 圖5熱容影響因素結果分析

綜上所述可知、焊料流淌距離控制在多少微米不僅焊接效果最佳且焊接質量最佳。

4、結論

通過以上實驗得到如下結論：

1、熱熔是雖然是影響焊料流淌的因素之一，但不是關鍵因素。

2、焊料厚度控制在0.05mm，焊料接頭質量最佳且焊料流淌性最好。

3、控制焊料流淌。最優的焊接工藝焊焊接保溫時間3min、釬焊溫度805℃

參考文獻：

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[5] 趙飛，馮東，黃志剛.WSS 金屬封裝外殼陶瓷與無氧銅釬焊氣密性失效問題研究[J].混合微電子技術，2018.

[6] 趙飛，馮東，黃志剛.WSS 金屬封裝外殼陶瓷與無氧銅釬焊氣密性失效問題研究[J].混合微電子技術，2018，025（003）：P.60-63.