金表面污染對熱壓焊接影響分析研究

王寶成 張文晗 李雁華（中國航天科技集團公司第九研究院第七七一研究所，陜西 西安 710600）

金表面污染對熱壓焊接影響分析研究

王寶成 張文晗 李雁華
（中國航天科技集團公司第九研究院第七七一研究所，陜西 西安 710600）

熱壓焊接是連接印制電路板的一種新興微組裝技術，在采用熱壓焊接方式進行的微組裝過程中，金表層與金線的可靠鍵合是關鍵的質量控制點。本文解析了表貼連接盤金表面清潔度要求，提出了表面污染分析方法，引入了等離子和超聲波方法對金表面進行清洗。并通過熱壓焊后金線拉脫試，驗證了等離子清洗和超聲波清洗方法的有效性。

電鍍金；熱壓焊；表面污染；污染分析；表面清洗

熱壓焊接是利用超聲波、熱量和壓力使相接觸的金屬間發(fā)生原子擴散形成金屬間化合物，達到可靠的連接，是印制板裝配的一種常見工藝方法。在采用熱壓焊接方式進行的電子元器件微組裝過程中，金鍍層與金線的可靠鍵合是最關鍵的質量控制點。在印制板電鍍金工藝過程中，影響金線鍵合力主要因素如下：（1）金鍍層表面粗糙度，主要影響鍵合的過程中金線和金鍍層的接觸面積，表面粗糙度越大，鍵合結合力越強，相關文獻報道金面粗糙度應大于0.3 μm［1］；（2）電鍍金純度，純度低于99.9%時，金線鍵合的可靠性下降［2］；（3）鍍層結構和厚度，鎳金結構優(yōu)于純金結構，一般規(guī)定鎳厚不小于2.5 μm，金鍍層不小于1.3 μm，若采用純金結構，金厚不小于2.5 μm。（4）電鍍金表面清潔程度，因電鍍金后處理或存放不當導致金面污染使得金線鍵合的可靠性降低，污染嚴重時無法進行鍵合。

在影響熱壓焊接的因素中，金鍍層表面粗糙度、純度和鍍層厚度已有文獻報道，但對于金表面污染對熱壓焊接的影響目前尚無詳細報道。本文通過相關方法驗證和應用，對金表面污染檢測方法和污染清洗方法進行探討，以期提高金鍍層的表面質量，提高熱壓焊接的可靠性。

1 表貼連接盤清潔度要求

印制板的表貼（表面貼裝）連接盤可分為矩形連接盤和圓形連接盤，對表貼連接盤表面清潔的要求如表1所示［3］。

2 表貼連接盤污染分析方法

SEM（掃描電鏡）和EDS（能量散射光譜）是常用的表面分析手段，其中，SEM是用于直接觀察固體表面但的可有形貌，EDS可對各種物質進行定性定量分析，元陷素等缺組陷成；及分布分析，通過分析確認污染污染物的表視觀的形電貌測試和元素組成，從而確定污染物的來源。表2所示為一組金面污染物的SEM和EDS示例分析。

從表2的檢測結果可以看到，測試出的元素有：C、O、A l、Ni、Cu、Au等，對比正常的分析結果，測試結果中的C、O、A l三元素屬于異常元素。一般情況下C元素含量在20%以內為外界環(huán)境污染所致（在取樣或者檢測過程中），而超過20%則為有機污染所致；O元素說明存在污染或者氧化，少量的A l元素說明金面在清洗或者保存過程中存在污染；

表1 表貼連接盤表面清潔要求

表2 SEM和EDS分析

從上述掃描結果可以看出，1號樣板金面主要為Au、C元素，且C元素含量在20%以內，說明1號樣板金面為非污染金面。2號樣板金面除Au、Ni、Cu元素外，還含有C、O、A l等元素，并且C、O元素含量超過20%，說明存在有機污染，A l元素的存在是金面拋光過程中使用的拋光液中含有磨料A l2O3的緣故。

根據(jù)印制板生產種主要涉及的污染源進行元素分析，如表3所示，可以對照元素分布情況，初步判定金面污染對應的污染物。

表3 常見污染源元素分析

FTIR（全反射紅外光譜）是對金面污染物進行分析的一種有效手段，可以用來測定物質表面有機污染物的結構信息。FTIR測定樣品具有非破壞性，無需預處理等優(yōu)點，對于傳統(tǒng)透射光譜法難以處理的樣品如金屬表面、纖維表面等都可獲得較好的紅外光譜圖［4］。

表4 金面污染物的FTIR圖譜

從上述全反射紅外光譜可以看出，1號樣板金表面未檢測到紅外吸收峰，說明該金面未被污染，與EDS元素分析的結果吻合。2號樣板金面在3100 cm-1和1300 cm-1處出現(xiàn)特征吸收峰，分別歸屬于C-H的伸縮振動和C-C共軛雙鍵的伸縮振動，據(jù)此判斷污染物中含有苯類化合物，據(jù)此可以判定污染物可能來自于高溫膠帶中的有機粘附層。

表5為常見的污染物的吸收特征峰，可以據(jù)此對污染物的化學官能團進行初步指認。

表5 FTIR圖譜中化學官能團對應波數(shù)圖

一般來說，對金面造成污染物質多為有機物，可以通過FTIR識別出污染物對應的有機物中的官能團（有機特征結構），從而判定污染物的來源。表4為一組金面污染物的FTIR示例分析。

3 表貼連接盤鍍金后清洗方法

熱壓焊接是兩種金屬原始交界面幾乎接近原子力的范圍（晶格常數(shù)），通過共用電子形成了原子間的電子橋，原子之間相互擴散，產生鍵合，形成牢固的焊接。如果壓焊界面有污染，就會阻礙金屬原子的接近范圍，無法產生鍵合。這類污染可通過采取機械處理、等離子清洗、超聲波清洗等有效方式去除。所以，針對金面污染物的清洗方法也是控制金面熱壓焊接質量的有效手段。

等離子清洗方法是去除弱鍵（以含-CH為典型基團）有機粘污，主要特點是只對表面起作用而無侵蝕內部作用，得到高清潔的表面。等離子清洗工藝參數(shù)見表6。

表6 等離子清洗工藝參數(shù)

超聲波清洗可以使金表面有機物與清潔溶液充分接觸，促使粘污快速溶解，達到表面清潔的目的。超聲波清洗工藝參數(shù)見表7。

表7 超聲波清洗的工藝參數(shù)

對經(jīng)等離子清洗和超聲波清洗的金面進行熱壓焊接，觀察焊接點在推力作用下斷裂的失效模式，依次判據(jù)熱壓焊接質量是否滿足鍵合要求。通過圖1可以看出，焊接點的斷裂部位在金絲上，說明金絲與金鍍層間鍵合力良好。

圖1 金面熱壓焊接拉脫點（金帶斷裂）

對經(jīng)清洗后的金面進行超聲熱壓焊接金絲，工藝參數(shù)見表8。

表8 熱壓焊接工藝參數(shù)表

熱壓焊接后測試金絲與金鍍層的拉脫力，判斷清洗的效果，測試結果參見表9。

從上表可以看出，通過清洗后的拉脫力均滿足指標要求，清洗效果排序為：等離子和超聲清洗組合＞等離子清洗＞超聲波清洗。

表9 污染金面清洗后金帶壓焊試驗數(shù)據(jù)表

4 結論

本文分析了金面污染導致熱壓焊接不良的原理，針對污染提供兩種有效的實驗分析方法，并逐一示例，制作了常見污染源的化學元素一覽表供分析實驗數(shù)據(jù)參考，具有一定的指導意義。經(jīng)驗證，采用等離子清洗和超聲波清洗相結合的方法，可以

［1］田生友. 電鍍Au/Ni表面形貌改善的研究［G］. 2013秋季國際PCB技術/信息論壇，2013（z1）:231-237.

［2］陳飛珺. 電鍍鎳金板無法鍵合金線的失效分析［J］.復旦學報（自然科學版），2012（2）:154-157.

［3］陳文錄. 剛性印制板通用規(guī)范，GJB362B-2009［S］. 4-5.

［4］黃紅英. 傅里葉變換衰減全反射紅外光譜法（ATR-FTIR）的原理與應用進展［J］. 中山大學研究生學刊（自然科學），2011（1）:20-28.

王寶成，工程師，主要負責電金技術的研究工作。

Pollution effect on the gold surface welding hot analysis research

WANG Bao-cheng ZHANG Wen-han LI Yan-hua

Welding is connected w ith PCB new m icro assembly technology. M icro assembly process is carried out in the use of hot welding methods. Reliable key gold surface and gold alloy are the key points of quality control. This paper analyzes the surface degree requires for the connection of gold plate surface cleaning and the method for surface contamination， introduced the plasma and ultrasonic method for cleaning on the gold surface. Through the gold pulling test， it verifies the effectiveness of plasma cleaning and ultrasonic cleaning method.

Gold Plated； Hot Pressure Welding； Surface Contam ination； Pollution Analysis； Surface Cleaning

TN41

A

1009-0096（2015）12-0057-05