墊圈形預(yù)成型焊片制備工藝研究

何 棋，郭紹雄，萬(wàn)偉超，李偉超，張家濤

(云南錫業(yè)集團(tuán)(控股)有限責(zé)任公司研發(fā)中心，云南 昆明 650101)

1 引言

隨著信息技術(shù)、高端裝備制造、新能源等產(chǎn)業(yè)的持續(xù)高速發(fā)展，對(duì)電子產(chǎn)品提出更為苛刻的適應(yīng)性、可靠性、穩(wěn)定性等要求。在電子元器件的生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)碰到普通焊料不能接觸或無(wú)法連接的情況，如果不能有效解決，將直接影響到電子產(chǎn)品甚至是整臺(tái)裝備的工況。預(yù)成型焊片就是用來(lái)解決這類問(wèn)題的具有特殊形狀的釬料部件，其優(yōu)點(diǎn)是定位精確，釬料含量穩(wěn)定、焊接空洞率低和助焊劑殘留少，特別適合于高品質(zhì)要求的焊接場(chǎng)合。預(yù)成型焊片的正確設(shè)計(jì)和使用，是電子產(chǎn)品和裝備獲得高效率、低成本、高可靠性連接效果的保證。

預(yù)成型焊片是一種重要的封裝材料，其形狀有圓片、環(huán)片、墊圈、球狀、矩形、螺紋管狀、斜紋狀等，成分包含Sn-Ag-Cu、Sn-Pb、Au-Sn[1]、In-Ag[2]、Ag-Cu[3]等，主要用于集成電路的封裝，包括IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)封裝、SMT封裝(表面貼裝)、DIP封裝(雙列直插式封裝)、QFN封裝(方形扁平無(wú)引腳封裝)[4]、MEMS傳感器器封裝[5，6]等，可用于PCB電路板，金屬殼體，金屬-玻璃封裝，半導(dǎo)體集成電路、濾波器件、微波器件、大功率器件、連接器、傳感器、光電器件的金屬外殼或陶瓷外殼氣密封裝等，涉及到5G通訊、雷達(dá)、醫(yī)療、手機(jī)、汽車、高通/電車、電纜等行業(yè)。因此，預(yù)成型焊片與焊錫膏、BGA焊錫球同被譽(yù)為最具發(fā)展前景電子封裝用產(chǎn)品。全球高端預(yù)成型焊錫核心關(guān)鍵制造技術(shù)基本由美國(guó)、日本等掌握，導(dǎo)致長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)高端預(yù)成型焊片主要依賴進(jìn)口，關(guān)鍵材料受制于人，制約著我國(guó)精密電子產(chǎn)品的發(fā)展。

目前，預(yù)成型焊片的制備方法有鑄造拉拔法[7，8]、疊層復(fù)合法[9～11]、電鍍沉積法[12]等方法，本文結(jié)合上述多種方法，采用熔錫→澆注/擠壓→軋制→沖壓→清洗/烘干→涂覆/烘干→包裝的新型制備工藝，成功批量生產(chǎn)出墊圈型預(yù)成型焊片，并獲得使用方認(rèn)可，該焊片的使用性能達(dá)到了所需要求。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)原料及研究對(duì)象

2.1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用原料為云錫生產(chǎn)的SnPb40的錫條，成分如表1所示，具體物理參數(shù)見(jiàn)表2。可以看到，SnPb40具有良好塑性、較低的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。

表1 SnPb40的化學(xué)成分

表2 SnPb40的物理參數(shù)

2.1.2 研究對(duì)象

本文以墊圈形預(yù)成型焊片為研究對(duì)象，該焊片已有成熟使用方，墊圈型預(yù)成型焊片規(guī)格如圖1、表3。

圖1 墊圈型預(yù)成型焊片

表3 墊圈型預(yù)成型焊片規(guī)格

2.1.3 試驗(yàn)設(shè)備

電阻爐：采用DL-1型電阻加熱爐(北京中興偉業(yè)世紀(jì)儀器有限公司，中國(guó))進(jìn)行SnPb40合金進(jìn)行熔煉。

擠壓機(jī)：采用TXCJ-800型擠壓機(jī)(無(wú)錫市偉特機(jī)械設(shè)備制造廠，中國(guó))對(duì)SnPb40板坯進(jìn)行擠壓。

軋機(jī)：采用戶縣嘉泓機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的兩種型號(hào)的精密壓延機(jī)對(duì)SnPb40焊帶進(jìn)行軋制，設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)設(shè)備 mm

高速?zèng)_床：采用MS-18A-H型高速?zèng)_床(深圳市小精靈緊密機(jī)械有限公司，中國(guó))對(duì)SnPb40焊帶進(jìn)行沖壓。

其它設(shè)備：超聲清洗機(jī)、恒溫干燥箱、真空包裝機(jī)。

2.1.4 分析檢測(cè)設(shè)備

金相顯微鏡：采用Axio Vert Al型倒置金相顯微鏡(ZEISS，德國(guó))對(duì)樣品微觀組織進(jìn)行分析。

SEM：采用SU-70型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(Hitachi，日本)對(duì)樣品微觀形貌進(jìn)行分析。

真空回流焊機(jī)：采用KD-V20型真空回流焊機(jī)(北京誠(chéng)聯(lián)愷達(dá)科技有限公司，中國(guó))對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行真空回流焊試驗(yàn)。

2.2 制備工藝流程

經(jīng)過(guò)前期調(diào)研及探索試驗(yàn)，墊圈預(yù)成型焊片的制備所采用的工藝路線為合金熔煉→澆注/擠壓成形→粗軋→精軋→沖切(壓)→清洗→烘干→包裝。

2.2.1 合金熔煉

根據(jù)錫鉛合金(SnPb40)的特點(diǎn)，采用電阻加熱爐進(jìn)行合金熔煉。熔煉過(guò)程中通過(guò)控制電阻爐功率及加熱溫度，并對(duì)合金熔體進(jìn)行持續(xù)攪拌，以保證合金熔體成分均勻。

2.2.2 擠壓/澆鑄

采用有倒角、薄蓋板、有傾斜角的模具澆注，澆注合金熔體的溫度分別控制在液相線上150 ℃、170 ℃。用乙炔火焰在模具表面噴碳并預(yù)熱，將蓋板蓋上后，澆注熔體，熔體凝固后，開(kāi)模取出板坯。采用350 t擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓，擠壓溫度為70 ℃。

2.2.3 軋制

2.2.3.1 軋制溫度

對(duì)工業(yè)金屬，經(jīng)強(qiáng)烈冷變形后的最低再結(jié)晶溫度TR(K)約等于其熔點(diǎn)Tm(K)的0.4倍，通過(guò)初步計(jì)算SnPb40合金的再結(jié)晶溫度約為-91.69 ℃，因此，軋制溫度選擇為常溫。

2.2.3.2 壓下規(guī)程

壓下規(guī)程作為影響SnPb40錫板軋制過(guò)程的重要因素，對(duì)SnPb40錫板的組織變化、變形抗力和塑性均有較大影響[13]。壓下規(guī)程過(guò)大容易引起應(yīng)力集中致使板材開(kāi)裂，過(guò)小會(huì)影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[14]。目前Al合金板材軋制大多以多道次小壓下的方式進(jìn)行，即每道次壓下量不超過(guò)5%，8-10道次壓下量不超過(guò)1%[15]。由于應(yīng)變速率提高會(huì)導(dǎo)致SnPb40錫板塑性下降，SnPb40錫板的軋制速度相對(duì)于其它合金來(lái)說(shuō)較低。因此，設(shè)計(jì)了從3 mm到1.17 mm的SnPb40壓下規(guī)程，總壓下為0.61，如表5所示。

表5 SnPb40錫板軋制壓下規(guī)程

2.2.4 沖壓

開(kāi)啟整平機(jī)電源，將 SnPb40焊帶放進(jìn)整平機(jī)，調(diào)整輥縫，啟動(dòng)整平機(jī)對(duì)焊帶進(jìn)行整平，整平后的焊帶送入送料機(jī)，在模具中調(diào)整焊帶位置，啟動(dòng)沖床電源，啟動(dòng)空壓機(jī)，待壓力達(dá)到額定值后，將沖床調(diào)整到手動(dòng)模式，手動(dòng)沖壓正常后，將沖床調(diào)整到自動(dòng)模式，設(shè)置沖壓速率，啟動(dòng)沖床，進(jìn)行沖壓，對(duì)樣品進(jìn)行收集。

2.2.5 清洗/烘干

使用超聲清洗機(jī)對(duì)收集好的SnPb40樣品進(jìn)行清洗，首先用無(wú)水乙醇超聲清洗3次，每次間隔10 min，然后用去離子水超聲清洗兩次，每次間隔10 min，最后使用恒溫干燥箱對(duì)樣品干燥，干燥溫度70 ℃，干燥時(shí)間為3 h。

2.2.6 包裝

用鋁膜袋將干燥好的SnPb40樣品進(jìn)行真空包裝、封袋，并注明產(chǎn)品型號(hào)、規(guī)格。

3 結(jié)果與分析

3.1 金相分析

對(duì)軋制的焊錫帶進(jìn)行了金相分析，共進(jìn)行5次軋制，金相結(jié)果見(jiàn)圖2，其中(a)為軋制前，(b)為第一次軋制，(c)為第二次軋制，(d)為第三次軋制，(e)為第四次軋制，(f)為第五次軋制，從圖中可以看出，軋制前和軋制后的合金的晶粒變化不大。

圖2 合金軋制的金相

3.2 尺寸分析

表6是實(shí)驗(yàn)樣品的尺寸、厚度、重量、密度數(shù)據(jù)，可以看到，實(shí)驗(yàn)樣品的外徑、內(nèi)徑、開(kāi)口的尺寸公差在±0.5 mm，厚度公差在±10%以內(nèi)，重量在±0.1 g以內(nèi)，獲得了外形完美、密度均勻的墊圈形預(yù)成型焊片。

表6 實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行對(duì)比數(shù)據(jù)

3.3 形貌分析

圖3為實(shí)驗(yàn)樣品的SEM圖，從圖中可以看出樣品的形貌表面質(zhì)量較好。

圖3 實(shí)驗(yàn)樣品的形貌

3.4 真空回流焊分析

試驗(yàn)樣品進(jìn)行了真空回流焊，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4，其中圖4(a)：未對(duì)焊片和焊盤清洗，在充甲酸的條件下進(jìn)行了真空回流焊；圖4(b)：對(duì)焊片和焊盤進(jìn)行超聲清洗，在充甲酸條件下真空回流焊；圖4(c):對(duì)焊片和焊盤進(jìn)行超聲清洗，不通入甲酸，充氮?dú)鈼l件下進(jìn)行回流焊。通過(guò)真空回流焊。通過(guò)圖片看出，在3種條件下，樣品焊接缺陷基本沒(méi)有，說(shuō)明制備的墊圈型焊片達(dá)到了焊接要求。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果表明，開(kāi)發(fā)出合金熔煉→澆注/擠壓成形→粗軋→精軋→沖切(壓)→清洗→烘干→包裝的墊圈型預(yù)成型焊片新型制備工藝，該工藝工序精簡(jiǎn)，制作出的焊片成分精準(zhǔn)、外形完美。通過(guò)對(duì)該焊片進(jìn)行形貌和焊接性能分析，其表面質(zhì)量較好，無(wú)焊接缺陷。采用該工藝成功制備了墊圈形預(yù)成型焊片，焊片的使用性能達(dá)到了所需要求，并獲得使用方認(rèn)可。

圖4 實(shí)驗(yàn)樣品的真空回流焊分析