基于鐵鎳基材引出端可焊性空穴問題研究

鄭惠茹 蔡約軒 王凱星

摘 要：鐵鎳基材引出端可焊性試驗后出現空穴現象。使用破壞性物理分析（DPA）后，可見該區域出現電鍍錫鉛鍍層局部剝離，電鍍鎳層完好，基材未見異常。采用純水超聲波對鍍后引出端進行超聲波清洗，發現形態相似的空穴現象；對原鐵鎳基材進行超聲清洗，出現形態相似的空穴現象。其與鐵鎳基材加工過程局部引入雜質及再結晶織構存在局部疏松有關。通過對基材增加超聲波清洗可使異常區域提前暴露，在后續框架電鍍鎳時，鎳離子填充異常區域，確保基材與電鍍鎳層及電鍍錫鉛層間結合良好，從而有效改善引出端質量。

關鍵詞：鐵鎳基材；空穴；超聲波；可焊性；改善

0 引言

科技的進步，尤其軍工、航天工業工程以及高端民用領域等對產品質量的要求越來越高，但產品引出端可焊性后偶有空穴現象存在，其位置隨機分布，無法通過簡易設備對產品引出端外觀進行檢測，也無法通過抽樣破壞性物理分析（DPA）發現異常；同時，對異常樣品的DPA分析反而會造成誤導，將問題點集中到電鍍的鎳層與電鍍的錫鉛層間結合問題，這使得對空穴的判定陷入困境。本次試驗使用純水超聲波清洗發現成品空穴情況，并通過大膽設想，對鐵鎳基材進行純水超聲波清洗，從而找到問題源頭，結合掃描電鏡成分分析，再次印證導致異常的根源，為解決該問題改善鐵鎳基材引出端質量提供方案。

1 引出端鍍層質量

1.1 常見引出端鍍層質量問題

常見引出端鍍層質量問題有針孔、空穴、鼓泡、起皮、腐蝕。

1.2 引出端鍍層質量考核

通常電子元器件對引出端鍍層質量考核有以下幾點：

1）鍍層外觀質量：使用肉眼、放大鏡等或體式顯微鏡觀測鍍層，鍍層色澤均勻，結晶細密，一致性好。

2）鍍層厚度：使用破壞性物理分析方法（DPA）測量所電鍍的鍍層膜厚，或使用X射線膜厚測試儀測量膜厚，以確認膜厚是否符合所需要求。

3）鍍層可焊性：在蒸汽老化、濕熱老化或高溫老化后對樣品進行焊槽浸焊或烙鐵焊，試驗后觀察產品被浸漬部分的引出端質量是否滿足要求。

4）鍍層結合力：彎折電鍍后的引出端，確認是否出現鍍層起皮或脫落現象，能否滿足要求。

5）鍍層抗腐蝕能力：將產品置于鹽霧試驗環境中，試驗后確認產品引出端鍍層質量是否滿足要求。

2 鐵鎳基材引出端鍍層可焊性試驗后的空穴現象再現及改善

2.1 鐵鎳基材引出端鍍層的空穴情況

本次重點研究鐵鎳基材引出端電鍍（鍍鎳鍍錫鉛）后可焊性空穴情況。可焊性試驗前使用體式顯微鏡對所有產品引出端外觀進行100%檢查，未發現異常，所有樣品均上鍍良好，但經可焊性試驗（蒸汽老化1 h，靜置）后偶見局部出現空穴現象，如圖1所示。

異常情況經破壞性物理分析（DPA）后，可見電鍍鎳層上鍍良好，空穴區域鎳層與錫鉛層出現分離現象，如圖2所示。

2.2 鐵鎳基材引出端鍍層空穴現象復現

從表面看，可焊性空穴現象源于該區電鍍鎳層與電鍍錫鉛層間結合較差，使得該區域在可焊性試驗后局部潤濕性降低，表征出空穴現象；但可焊性試驗為破壞性試驗，不適用于產品批量檢驗。現急需通過有效、可行的方式對產品狀態進行區分，或通過某種方式進一步解決該異常，以提高產品質量。

超聲波清洗原理“是超聲波發生器發出的高頻振蕩信號，通過換能器轉換成高頻機械振蕩而傳播到介質。在清洗溶劑中，超聲波疏密相間向前輻射，使液體流動而產生數以萬計的微小氣泡，存在于液體中的微小氣泡（空化核）在聲場的作用下振動。當聲壓達到一定值時，氣泡迅速增大，然后突然閉合。并在氣泡閉合時產生沖擊波，在其周圍產生上千個大氣壓，破壞不溶性污物而使之分散于清洗液中。當團體粒子被油污裹著而粘附在清洗件表面時，油被乳化，固體粒子脫離，從而達到清洗件凈化的目的。”[1]利用超聲波清洗原理，選擇與待清洗元器件相匹配的頻率，一般大型、重型或高密度材料工件選用（20～30）kHz的較低清洗頻率，而高頻率常用于清洗較小、較精密的零件，或用于清除微小的顆粒或對工件表面不允許損傷的情況[2-3]。本次對鍍后樣品選用高頻純水超聲波清洗，清洗頻率53 kHz，時間1 h；清洗后，引出端鍍層局部異常區域在超聲波空化作用下表征出來，表面錫鉛鍍層出現局部完全剝離（圖3）或局部剝離（圖4）。

對異常樣品進行破壞性物理分析（DPA）后，可見該電鍍異常區域鍍層剝離變薄（見圖5）或完全剝離導致缺失（見圖6）。

2.3 導致鐵鎳基材引出端鍍層異常的根源

通過電鍍后超聲波清洗可使鍍層異常情況得到有效暴露，但電鍍后超聲波清洗可能對產品內部結構、焊點、內連線等造成損傷，故還應從根源上盡量減少或杜絕該現象的發生。在電鍍鎳層與電鍍錫鉛層結合改善試驗均毫無頭緒后，我們進行了大膽的假設：問題點出現在基材底部，因超聲波清洗時空氣泡對引出端的擠壓振動使得異常區域出現輕微振動變形，從而導致最外層電鍍的錫鉛層疏松、剝離。我們再次通過以下實驗明確導致該異常的根源。

2.3.1 待產鐵鎳基材超聲波清洗確認

對待產鐵鎳基材進行純水超聲波清洗（頻率53 kHz） 確認，清洗后可見基材出現白點異常區域，該區域形態與電鍍后鍍層剝離形態近似，且超聲波時間加長至2 h時，暴露的異常區域更加明顯，時間繼續加長至3 h后，無明顯異常增加，白點異常如圖7所示。

使用體式顯微鏡放大45倍對異常樣品及正常樣品進行外觀對比，結果如圖8所示。

金相顯微鏡作為材料學中常見的一種分析手段，用于觀察材料內部組織結構[4]，故使用使用金相顯微鏡放大100倍再次對異常樣品及正常樣品進行外觀對比，發現材料組織結構出現異常，具體如圖9所示。

為進一步觀察材料組織結構，使用掃描電鏡分別放大2 500倍及5 000倍對異常樣品及正常樣品進行外觀對比，如圖10和圖11所示。

從以上對比圖可見，異常區域鐵鎳基材存在較多的細小孔洞，且表面質量凹凸不平。對該異常樣品進行DPA后，使用掃描電鏡放大5 000倍觀察異常區域與正常區域的斷面質量形態，如圖12所示。

2.3.2 電鍍后對比分析

對超聲異常區域進行標識，進行電鍍（鍍鎳鍍錫鉛）后再次進行DPA及掃描電鏡確認，結果如表1。材料表面異常點，在后續電鍍后，該區域得到改善，從而提高引出端質量。

從兩者成分對比表可見異常樣品鎳含量明顯升高，即經過超聲波清洗后，異常區域表層剝離，露出微小氣孔，在后續電鍍的鍍鎳過程中，鎳離子填充了空隙，使該區域致密，鎳成分有所上升。

2.4 改善鐵鎳基材引出端鍍層質量

鐵鎳基材加工過程中存在軋制變形與退火等工藝，該工藝使材料表面織構變化或形成再結晶織構，其形成過程使其表面引入雜質或出現結構缺陷等[5-6]。

通過對鐵鎳基材的純水超聲波清洗，使原材料織構表面雜質或結構缺陷提前暴露或去除，在經電鍍后二次進行超聲波清洗確認，該異常現象消失，未再出現；再次證明了電鍍后原鐵鎳基材異常區域得到改善，可焊性試驗后也未再出現該不良的空穴現象。未經過超聲波清洗處理的樣品其材料織構表面結構異常區域經電鍍（化學沉積）后，結構異常區域被電鍍層包裹，使用體式顯微鏡外觀對比無法發現任何異常；因電鍍鎳層硬度高于錫鉛層，經超聲波清洗時，在空化作用的擠壓和振動作用，使表面錫鉛層松動、剝離，而鎳層完好。

原鐵鎳基材經純水超聲波清洗后再電鍍，可暴露原

3 結論

1）利用純水超聲波清洗鍍后鐵鎳引出端可有效暴露引腳異常問題，達到剔除不良品的目的；需結合產品特征，選擇合適的超聲波清洗頻率和時間；

2）利用純水超聲波清洗未電鍍的鐵鎳原材料可有效暴露原材料表面織構異常的區域，達到鑒別原材料質量的目的；同時，該異常區域在后續電鍍后得以改善，最終到達提高鐵鎳基材引出端鍍層質量的目的。

參考文獻：

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[2] 林偉成.如何對電路板進行正確的超聲波清洗 [J].電子工藝技 術.2005，26（2）：88-91.

[3] 崔洪波，陳梁.微波組件半水清洗工藝研究[J].電子工藝技術. 2015，36（1）：38-41.

[4] 李會超，施清清，王大波.基于金相分析的PCB焊接質量研究與應用[J].電子產品世界.2020，27（04）：55-57.

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[6] 陳冷，張麗，張建福.高強度低膨脹Fe-Ni合金的織構穩定性分析[C].2007年第六屆全國材料科學與圖像科技學術會議論文集.內蒙古：中國體視學學會.2007：201-205.