T/R殼體的表面狀態(tài)對(duì)銦錫潤(rùn)濕性的影響*

牛 通

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

T/R殼體的表面狀態(tài)對(duì)銦錫潤(rùn)濕性的影響*

牛 通

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

鋁硅封裝材料具有低膨脹、高導(dǎo)熱、輕質(zhì)等特點(diǎn)，可作為微波T/R組件的封裝殼體材料。然而，在銦錫低溫焊接時(shí)卻出現(xiàn)了焊料不鋪展、起球等現(xiàn)象，妨礙了正常的生產(chǎn)。為此，文中對(duì)T/R殼體(表面鍍鎳金的鋁硅殼體)的狀態(tài)與銦錫焊料潤(rùn)濕性的關(guān)系進(jìn)行了探討。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，銦錫焊料的不潤(rùn)濕表觀上是因?yàn)榻佑|角滯后，實(shí)際上是因?yàn)槭艿搅薚/R殼體表面粗糙度和鎳鍍層厚度的共同制約。

鋁硅；銦錫焊料；鎳金鍍層；粗糙度；潤(rùn)濕性

引 言

T/R組件是有源相控陣?yán)走_(dá)天線的關(guān)鍵部件，其性能在很大程度上決定著有源相控陣?yán)走_(dá)的性能[1]。隨著T/R組件向高頻化、微型化、集成化方向發(fā)展，電子器件的功耗越來(lái)越大，組件產(chǎn)生的熱量也隨之增加，這就對(duì)組件所用封裝材料提出了新的要求。鋁硅材料具有低膨脹、高導(dǎo)熱、輕質(zhì)等特點(diǎn)，能獲得與電子器件膨脹匹配性好、散熱及均溫快的綜合效果[2-3]，可作為微波T/R組件的封裝殼體材料，能滿足X波段有源相控陣?yán)走_(dá)高度集成化、模塊化、輕量化、高可靠性的發(fā)展需求。

在T/R組件的組裝過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到銦錫焊料在鍍鎳金的鋁硅殼體表面潤(rùn)濕性差、不鋪展、起球等現(xiàn)象，這對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量而言是一個(gè)隱患，妨礙正常生產(chǎn)。目前，關(guān)于潤(rùn)濕性的研究[4-6]，大多局限于水對(duì)物體表面潤(rùn)濕性的研究，雖提出了Wenzel、Cassie等模型，但T/R殼體的表面狀態(tài)與銦錫焊料之間的關(guān)系比模型更復(fù)雜，這些模型不足以解決實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的上述問(wèn)題。因此，深入了解T/R殼體的表面狀態(tài)與銦錫焊料潤(rùn)濕性的關(guān)系，徹底解決銦錫焊料在T/R殼體上的潤(rùn)濕性問(wèn)題顯得尤為迫切。

1 潤(rùn)濕性的本質(zhì)

固體表面潤(rùn)濕性由表面的化學(xué)組成和微觀幾何結(jié)構(gòu)共同決定[4]。潤(rùn)濕是固、液、氣界面間表面張力共同作用的結(jié)果，液體的潤(rùn)濕使體系總能量趨向于最小，即潤(rùn)濕后新形成體系的自由能低于潤(rùn)濕前的自由能時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)潤(rùn)濕鋪展現(xiàn)象。表面張力實(shí)際上是由于物質(zhì)界面處分子引力不均勻造成的，液體內(nèi)部分子受力處于平衡狀態(tài)，因而引力的合力等于零，而處于界面處的分子則由于界面處引力較小，受到一個(gè)指向液體內(nèi)部的合力[5-6]，即表面張力，表面張力的存在說(shuō)明材料的自由表面具有比內(nèi)部更高的能量。圖1為表面張力示意圖。

圖1 表面張力示意圖

當(dāng)表面張力平衡時(shí)，有Young′S方程：

σsg-σlgcosθ-σls=0

(1)

得：

cosθ=(σsg-σls)/σlg

(2)

式中：σsg是固-氣界面張力；σlg是液-氣表面張力；σls是固-液表面張力；θ為潤(rùn)濕角,θ越小，焊料的潤(rùn)濕性越好，鋪展面積也越大。

由式(2)可知，潤(rùn)濕角與各界面的界面張力有關(guān)，界面張力的變化將影響焊料的潤(rùn)濕性，固-氣界面張力越大(即固體表面能越高)、液-氣表面張力越小(即液體表面能越小)，越利于液體(或熔融焊料)的鋪展。

然而，Young′S方程只適用于理想的剛性、均一、光滑、惰性表面，不適用于實(shí)際表面。為此，國(guó)外學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了Wenzel模型和Cassie模型。當(dāng)固體表面為化學(xué)均一的粗糙表面時(shí)，Wenzel模型認(rèn)為，粗糙表面的存在使實(shí)際“固-液”接觸面積大于表觀幾何接觸面積，表明粗糙度的提高會(huì)使疏水表面更疏水、親水表面更親水；Cassie模型認(rèn)為，液滴在粗糙表面上的接觸是一種復(fù)合接觸，在疏水表面上的液滴不能填滿粗糙表面上的凹槽，凹槽中液滴下存有截留空氣，因而表觀上的“液-固”接觸實(shí)際是由“液-固”和“氣-固”接觸共同組成的，“氣-固”接觸所占有的比例越小越能提高親水表面的潤(rùn)濕性。在生產(chǎn)應(yīng)用中涉及到的潤(rùn)濕性問(wèn)題，其實(shí)際影響因素很多，上述幾種模型不足以完全涵蓋，因此還需要從實(shí)踐的角度去剖析、解決實(shí)際的問(wèn)題。

2 T/R殼體表面狀態(tài)對(duì)銦錫潤(rùn)濕性的影響

鋁硅T/R殼體由牌號(hào)為CE11的鋁硅復(fù)合材料經(jīng)機(jī)加工而成， CE11由50%體積分?jǐn)?shù)的硅顆粒和50%體積分?jǐn)?shù)的鋁合金采用噴射沉積的方法制備。鋁硅T/R殼體表面不具有可焊性，使用前需對(duì)其進(jìn)行化學(xué)鍍鎳、電鍍金處理，以提高焊料在鋁硅T/R殼體上的潤(rùn)濕性。

然而，在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)出現(xiàn)如圖2所示的焊料潤(rùn)濕性差、不鋪展、起球等現(xiàn)象，這會(huì)妨礙生產(chǎn)，是一個(gè)生產(chǎn)瓶頸。鍍層表面狀態(tài)對(duì)焊料潤(rùn)濕性的影響因素較多，機(jī)理較為復(fù)雜，相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道很少，數(shù)據(jù)缺乏[7]，但在實(shí)際生產(chǎn)中，這卻是影響產(chǎn)品焊接成品率的一個(gè)關(guān)鍵因素。鍍層表面狀態(tài)可分為鍍層體系、鍍層厚度、粗糙度、孔隙率、化學(xué)成分等，在鍍層體系和化學(xué)成分一定的情況下，著重探討鍍層厚度、粗糙度和孔隙率對(duì)銦錫焊料潤(rùn)濕性的影響，力求定位到主要因素，并提出量化的驗(yàn)收指標(biāo)。

圖2 銦錫焊料在鍍鎳金鋁硅殼體上的鋪展?fàn)顩r

2.1 鍍層厚度對(duì)銦錫焊料潤(rùn)濕性的影響

鍍層由化學(xué)鎳層和鍍金層組成。鍍金的目的是防止化學(xué)鎳層的氧化，考慮到成本因素及金錫間的金脆效應(yīng)，金層一般都在1.5 μm以下。鍍金層的厚度對(duì)焊料的潤(rùn)濕性影響不大，因此不做重點(diǎn)討論。

如圖3所示，在其他條件相同的情況下，當(dāng)鎳層厚度較低時(shí)，銦錫焊料在其上的潤(rùn)濕性較差，會(huì)出現(xiàn)如圖2所示的焊料起球、鋪展不開(kāi)的狀況；當(dāng)鎳層厚度高于6 μm以上時(shí)，能獲得較好的潤(rùn)濕性。這主要與孔隙率有關(guān)，在其他條件相同的情況下，鍍層愈厚孔隙率愈小[8]，孔隙率愈小愈有利于焊料潤(rùn)濕性的提高。

圖3 鎳鍍層厚度對(duì)銦錫焊料潤(rùn)濕性的影響

由于沒(méi)有相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，目前鋁硅復(fù)合材料的鍍覆僅能參考鋁合金的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。SJ 20891—2003《化學(xué)鍍鎳-磷合金層規(guī)范》4.5.3.1中規(guī)定“改善難于焊接的金屬(如鋁和不銹鋼)的釬焊性能，鍍層厚度通常為10～15 μm”,而GB/T 13913—2008《金屬覆蓋層化學(xué)鍍鎳-磷合金鍍層規(guī)范和試驗(yàn)方法》中規(guī)定“大于2.5 μm的化學(xué)鍍鎳-磷層可用于提高諸如鋁及其他難焊接的合金的可焊性”。由于鋁硅材料是由2種異質(zhì)材料噴射成形的，其表面粗糙度一般比鋁合金大，表面凹坑缺陷也較多，所以鎳磷鍍層的最小厚度應(yīng)遠(yuǎn)大于2.5 μm，但厚度過(guò)大時(shí)可能帶來(lái)不利的應(yīng)力問(wèn)題，綜合圖3中的結(jié)果，6～15 μm的厚度是一個(gè)合適的范圍。

2.2 粗糙度對(duì)銦錫焊料潤(rùn)濕性的影響

鍍鎳金鋁硅殼體的粗糙度主要是由鋁硅殼體機(jī)加工決定的，后續(xù)的化學(xué)鍍鎳和電鍍金若控制得當(dāng)，對(duì)鋁硅殼體粗糙度的影響較小，可忽略不計(jì)。關(guān)于粗糙度對(duì)銦錫焊料有怎樣的影響，相關(guān)的報(bào)道極少。文獻(xiàn)[9]研究了粗糙表面形貌對(duì)潤(rùn)濕性的影響，其結(jié)果表明：均方根粗糙度在0.1～0.5 nm范圍內(nèi)時(shí)，隨著粗糙度的增加，接觸角增大，即潤(rùn)濕性變差。然而，實(shí)際T/R殼體的表面粗糙度遠(yuǎn)大于該范圍，處于微米量級(jí)。

如圖4所示，在其他條件相同的情況下，粗糙度在1.5 μm以下時(shí)，銦錫焊料能獲得較好的潤(rùn)濕性；當(dāng)粗糙度較高時(shí)，銦錫焊料的鋪展遇到較大的阻力，表現(xiàn)出接觸角的滯后現(xiàn)象。

圖4 粗糙度對(duì)銦錫焊料潤(rùn)濕性的影響

與常規(guī)的錫鉛焊料相比，銦錫焊料本身的活性較低，表面粗糙度過(guò)大引起的焊料接觸角滯后效應(yīng)不利于焊料的鋪展。圖5是粗糙度較大時(shí)的鍍鎳金鋁硅殼體的表面形貌，較低的表面粗糙度有利于提高銦錫焊料的潤(rùn)濕性，但過(guò)低的粗糙度不利于鋁硅復(fù)合材料的機(jī)加工和成本控制。

圖5 粗糙度較大時(shí)鍍鎳金鋁硅殼體的表面形貌

2.3 孔隙率對(duì)銦錫焊料潤(rùn)濕性的影響

鍍層的孔隙率對(duì)焊料潤(rùn)濕性不利，因?yàn)榭紫吨袏A雜、吸附的鍍液等污染物不易去除；孔隙率往往會(huì)使鍍層相對(duì)疏松，致密性差，不能完全覆蓋基材?；谋砻娲植诙仍礁?，鍍層產(chǎn)生孔隙的可能性越高，焊料鋪展時(shí)接觸角的滯后越嚴(yán)重，越不利于銦錫焊料的鋪展。

鍍層孔隙率一般隨著鍍層厚度的增加而降低，隨著基體粗糙度的降低而降低。很顯然，在其他條件一定的情況下，適當(dāng)增加鍍層的厚度并同時(shí)降低基體的粗糙度，能顯著降低鍍層的孔隙率。目前，鍍層孔隙率的測(cè)量?jī)H限于單一金屬基體上單層鍍層孔隙率的測(cè)量[8]，尚無(wú)測(cè)量鋁硅復(fù)合材料表面鎳-金鍍層孔隙率的方法。

2.4 表面污染對(duì)銦錫焊料潤(rùn)濕性的影響

表面污染是常見(jiàn)的接觸角滯后的原因之一，無(wú)論是液體還是固體的表面，在污染后都會(huì)引起滯后現(xiàn)象[10]。表面污染往往來(lái)自固體表面的吸附作用，吸附或被污染后固體表面的能態(tài)降低，從而使接觸角變大。由此可見(jiàn)，在生產(chǎn)中使用不干凈的儀器或使用手指觸及產(chǎn)品，都會(huì)引起接觸角的變化。這里的污染物包含有機(jī)污染物、氧化物及吸附物，污染物在鎳、金等高能表面的吸附或粘附會(huì)使原高能表面的表面能急劇降低，進(jìn)而改變焊料的接觸角。

3 結(jié)束語(yǔ)

為解決銦錫焊料在焊接時(shí)不鋪展、起球的問(wèn)題，本文對(duì)T/R殼體的表面狀態(tài)與銦錫焊料潤(rùn)濕性之間的關(guān)系進(jìn)行了探討，并對(duì)潤(rùn)濕性差異較大的T/R殼體進(jìn)行了測(cè)量分析。結(jié)果表明：銦錫焊料的不潤(rùn)濕表觀上是因?yàn)榻佑|角滯后，實(shí)際上是因?yàn)槭艿搅薚/R殼體表面粗糙度和鎳鍍層厚度的共同制約。在保證T/R殼體不受污染的情況下，提高T/R殼體的鍍鎳層厚度，同時(shí)降低T/R殼體的表面粗糙度，可有效解決銦錫焊料潤(rùn)濕性不良的問(wèn)題。

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Influence of T/R Module Surface State on Wettability of InSn Solder

NIU Tong

(NanjingResearchInstituteElectronicsofTechnology,Nanjing210039,China)

AlSi electro-packing composites are characterized by low coefficient of thermal expansion (CTE), high thermal conductivity, low density, etc. and thus can be used as the packing material of microwave T/R module. However, wettability of InSn solder is poor in low temperature welding, which affects normal production. Therefore, the relationship between wettability of InSn solder and T/R module surface state (nickel-gold plating) is discussed in this paper. The experiment and statistic show that roughness of the T/R module surface and thickness of nickel have great influence on wettability of InSn solder.

AlSi; InSn solder; nickel-gold plating; roughness; wettability

2014-08-11

TG113.2

A

1008-5300(2014)06-0047-03

牛 通(1982-),男，碩士，工程師，主要從事電子封裝材料應(yīng)用及微電路工藝技術(shù)研究工作。