淺析機載電子產(chǎn)品修理中除金工藝及金脆的影響

胡 猛，潘慶國，彭文蕾，劉姚軍

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007）

金由于其具有化學穩(wěn)定性好、不易氧化、焊接性能好、耐磨、導電性好和接觸電阻小等一系列優(yōu)點，被廣泛應用于電子行業(yè)中。但在20世紀80年代，某故障產(chǎn)品經(jīng)相關失效分析中心的科學檢測，發(fā)現(xiàn)正是由于焊點中形成Au-Sn化合物，產(chǎn)生金脆現(xiàn)象而引起的故障[1]。一般認為，當焊點中金的含量達到3%時就會導致焊點強度降低[2]。在焊接時，金較易于銀、銅、鉑、鎳等金屬先溶解到錫鉛焊料中，在高溫下，Au的溶解及Au-Sn化合物的形成僅需6-7 ms[3]。Au-Sn化合物的維氏硬度高達750，僅次于玻璃，性能較脆，其承載能力有限，易產(chǎn)生裂紋，嚴重影響了電氣連接的可靠性，進而引起電子產(chǎn)品故障。在機載振動條件下，“金脆”現(xiàn)象發(fā)生概率會顯著增大，因此對于工作可靠性要求較高的設備，電子元器件焊接前的除金作業(yè)不容忽視。本文將對機載電子產(chǎn)品維修領域的器件除金方法及“金脆”對焊點強度的影響等開展研究。

1 搪錫除金工藝

1.1 搪錫除金要求

在電子元器件裝接過程中，根據(jù)相關資料研究表明，焊料與PCB焊盤上的金含量不足以引起焊點的“金脆”現(xiàn)象[4]。因此，待焊接元器件引腳的金鍍層是焊點“金脆”發(fā)生的重要因素。業(yè)界經(jīng)驗總結(jié)，搪錫工藝可以有效去除器件引腳的金鍍層，當其厚度小于2.54 μm時可以進行一次搪錫除金，大于2.54 μm時可進行兩次搪錫作業(yè)。

J-STD-001E（焊接的電氣和電子組件要求）標準規(guī)定[5]，以下幾種情況需要進行除金作業(yè)，一是通孔元器件引線至少95%待焊表面上有厚度大于等于2.54μm的金層；二是表面貼裝元器件95%的待焊表面有金，而不管金層的厚度；三是待焊接接線柱的待焊表面厚度達到2.54μm或更厚的金層。在航空電子產(chǎn)品維修領域，前兩種情況較常遇見。

1.2 搪錫除金設備

本文用到的除金設備是RD75-TVS，設備可實時顯示錫鍋內(nèi)部溫度，控制旋鈕可調(diào)節(jié)錫鍋旋轉(zhuǎn)速度，焊料表面的氧化物可自動完成清潔并送入廢料盒。旋轉(zhuǎn)錫鍋除金法可通過焊料的流動性帶走器件引腳表面的鍍金層，降低器件引腳表面高溫焊料中金元素的百分含量，可快速、高效、高質(zhì)量地完成器件引腳的搪錫除金任務。

1.3 搪錫除金方法

航空電子產(chǎn)品維修領域需要對小批量、多品種器件進行除金作業(yè)，經(jīng)現(xiàn)場實際工作經(jīng)驗總結(jié)，旋轉(zhuǎn)錫鍋除金是操作比較方便且有效的方法。運用該方法除金時，首先在器件引腳涂覆助焊劑以增加焊料的潤濕性，然后用鑷子夾持器件本體把引腳部分放入錫鍋內(nèi)部，注意器件本體不應沾到焊料，設定錫鍋溫度（260-280）℃，在錫鍋內(nèi)停留（2-3）s后提出器件，放到指定散熱區(qū)完成器件搪錫作業(yè)。在完成一定數(shù)量器件搪錫后，錫鍋內(nèi)部的金含量會超標，影響后續(xù)器件除金質(zhì)量，應及時對焊錫進行換新，一般金雜質(zhì)含量應控制在0.3%以下。

2 金脆影響實驗

器件引腳的金鍍層是焊點出現(xiàn)金脆失效的主要原因，金脆的具體失效模式為焊點強度降低，進而導致焊點出現(xiàn)裂紋、斷路等故障。Au-Sn化合物的維氏硬度高達750，因此振動是焊點出現(xiàn)金脆失效的最直接外界因素。本部分將通過實驗分析金脆對焊點強度的影響。

2.1 實驗組件

如圖1所示，PCBA尺寸為15 cm*15 cm，每塊板件上放置四個器件，所有器件引腳對應的焊盤都有走線，以使焊接時焊點的熱量可以通過導線傳道，避免焊接時熱量對焊盤造成損傷。器件為貼片16腳封裝，按照器件引腳順序排列標識1號到16號，供后續(xù)實驗記錄參數(shù)，如圖2所示。

圖1 實驗樣板

圖2 器件引腳順序

2.2 實驗條件

按照表1對兩組板件進行處理，其中對需要除金器件按照本文方法進行，搪錫溫度設備260℃，搪錫時間控制在（2-3）s，所有器件焊接溫度設置350℃，焊接時間小于3 s。2#板件模擬機載電子產(chǎn)品工作環(huán)境進行振動試驗，振動頻率(300-1600) Hz，加速度5 g，X、Y、Z軸方向分別按耐久試驗時間2.5 h振動。

表1 實驗板件信息

2.3 實驗數(shù)據(jù)

使用微機控制電子萬能拉力試驗機設備，依據(jù)JIS Z3198-6:2003標準對實驗板上的器件引腳進行45°角進行拉脫力實驗，速率為10 mm/min，直至元器件引腳脫離PCB基板，記錄拉力值，并在體視顯微鏡下觀察記錄焊點斷裂模式，各焊點拉力值見表2，焊點的斷裂模式如圖3所示，其中a、b為Type2型斷裂模式，c、d為Type5型斷裂模式。

2.4 結(jié)果分析

通過計算可知1#-U1、1#-U2、2#-U1、2#-U2拉脫力平均值分別為13.3N、13.5N、13.3N、11.4 N，即未進行搪錫除金的器件在振動實驗后焊點拉脫力平均值低于其它器件2 N。2#-U2為未進行搪錫除金但做了振動實驗的器件，所有焊點斷裂模式為Type2型表明引腳與焊料的結(jié)合強度均小于焊料與PCB焊盤的結(jié)合強度，也就是器件引腳與焊料結(jié)合處“金脆”現(xiàn)象導致了焊點強度的降低；2#-U1為即搪錫也做了振動實驗的器件，無論器件引腳的拉脫力值還是斷裂模式均與1#-U1、1#-U2實驗結(jié)果相同，表明第一部分提出的搪錫除金方法效果明顯，除金后的焊點未發(fā)生“金脆”現(xiàn)象。

表2 焊點拉脫力測試數(shù)據(jù)

圖3 引腳斷裂模式

3 結(jié)論

本論文研究表明，“金脆”現(xiàn)象在振動條件下極易發(fā)生，其結(jié)果將導致焊點強度降低，對于航空等產(chǎn)品工作可靠性要求較高，且產(chǎn)品工作環(huán)境較惡劣的行業(yè)，元器件的除金是很必要的。尤其是機載電子產(chǎn)品維修行業(yè)的從業(yè)者，更是不能忽視器件的除金作業(yè)，本文中提供的旋轉(zhuǎn)錫鍋除金法可幫助維修從業(yè)者快速、高效完成小批量、多品種的機載電子器件的除金作業(yè)。