板間連接器低空洞真空汽相焊接技術

邱靜萍，王文智，李少聰，毛海珂，張紹東

（上海航天電子有限公司，上海 201821）

1 引言

空間探測、衛(wèi)星通信等航天領域的電子產(chǎn)品向小型化、高頻高速和低成本趨勢快速發(fā)展，推動各類功能模塊也逐步邁向高功率和多功能化。當前，某型號產(chǎn)品需要在一個封裝體內(nèi)同時實現(xiàn)信號發(fā)射（接收）通道、數(shù)字基帶、電源控制等功能模塊，依靠表面貼裝元器件形式為主的混裝型印制電路板保證產(chǎn)品的高密度集成，而大量應用的通孔插裝元器件則是實現(xiàn)系統(tǒng)信號傳遞、電氣傳輸和垂直互聯(lián)的關鍵載體。板間連接器的使用減少了模塊之間繁雜的導線連接，滿足了輕量微型化單機的應用要求[1-2]。

不同于傳統(tǒng)的板間連接器，本文使用的一體式HRM322 型板間連接器主體采用耐熱塑料材質(zhì)，熱變形溫度高達258 ℃，遠超熱真空、抗輻照等空間宇航環(huán)境使用要求。由于產(chǎn)品運載環(huán)境極其惡劣，發(fā)射后無法進行返修，高可靠性是航天電子產(chǎn)品重點關注的要素之一。基于此，本文詳細分析了板間連接器焊接的工藝難點和影響因素，通過探討不同焊接技術以及對焊錫量等工藝參數(shù)進行合理優(yōu)化，提出真空汽相焊技術與預成型焊錫環(huán)相結(jié)合的工藝方案，經(jīng)驗證，該工藝方案在焊接過程中提升了焊點質(zhì)量和可靠性，并成功應用于航天某型號產(chǎn)品的實際生產(chǎn)中。

2 板間連接器焊接工藝研究

本文使用的多層印制板厚度分別為2.8 mm（A板）和2 mm（B 板）。所用的板間連接器為HRM322 型三排152 芯長針矩形連接器（如圖1 所示），引腳直徑為0.64 mm，相鄰引腳間距為1.9 mm。焊錫絲成分為Sn63Pb37 低熔點共晶焊料，標稱熔點為183 ℃。將焊錫絲繞制在與板間連接器引腳尺寸相同的模具上獲得的預成型焊錫環(huán)及其套裝效果如圖2 所示。

圖1 HRM322 型板間連接器示意圖

圖2 預成型焊錫環(huán)及套裝效果圖

圖3為試驗流程圖，對板間連接器采用手工焊接、回流焊接以及真空汽相焊接3 種不同的焊接方式。通過日本HIROX KH-7700 型數(shù)字顯微鏡和德國YXLON EVO 型號X-ray 檢測儀對板間連接器進行焊接效果驗證。板間連接器焊點的微觀組織成分和焊接可靠性通過德國蔡司AXIO Imager A2m 型金相顯微鏡、日本HITACHI S-3400N 型掃描電子顯微鏡（SEM）以及550i 型X 射線能譜儀（EDS）進行技術驗證。

圖3 試驗流程圖

3 焊接工藝難點分析

3.1 焊接方式優(yōu)化

目前手工焊接是通孔插裝元器件裝聯(lián)中最常用的一種方法，具有操作簡便、設備常規(guī)化等優(yōu)點，適合于引腳排數(shù)少且批量小的板間連接器焊接任務，但在手工焊接密間距板間連接器時，常規(guī)烙鐵頭無法實現(xiàn)全部焊接操作，尤其是部分中間排與大面積覆銅層相聯(lián)的接地引腳。手工焊接過程中還存在無法控制焊錫量、控溫效果差的問題，導致焊點形態(tài)不良、透錫率較差和空洞率過高等缺陷[3]。同時，手工焊接過于依賴操作人員的工作技巧和熟練程度，無法保障焊接效果的一致性和可重復性。

隨著再流焊接技術的不斷發(fā)展，真空汽相焊接技術憑借汽相液相變導熱的方式可以實現(xiàn)不同熱容的部件均勻且快速升溫，具有可精確控制峰值溫度、保持相對靜態(tài)的焊接環(huán)境等優(yōu)勢，因而備受關注。此外，真空汽相焊接技術在預熱、保溫和焊接區(qū)階段性抽真空負壓，得以釋放焊點內(nèi)部焊接過程產(chǎn)生的氣體，從而達到較低甚至無空洞的焊點，是解決航天產(chǎn)品用板間連接器焊接質(zhì)量問題的一種有效方法[4-5]。

3.2 焊接曲線優(yōu)化

圖4為采用真空汽相焊接技術所測得任意兩點的溫度曲線，表1 是相應的實測參數(shù)。真空汽相焊接技術的工藝曲線設置是改善焊點空洞率和實現(xiàn)可靠焊接的關鍵所在，在確保預成型焊錫環(huán)熔融擴散溫度和時間符合標準的基礎上，需滿足印制電路板上表面貼裝元器件的一次同步焊接。因此，在鄰近板間連接器區(qū)域的正反板面相同位置上布置熱電偶進行曲線測試，焊接曲線參照Sn63Pb37 焊錫的推薦曲線進行靈活調(diào)控，并且兼顧元器件特征及相關要求。

表1 真空汽相焊接實測參數(shù)

圖4 真空汽相焊接實測曲線

從溫度曲線中可以觀察到各試驗點的升溫趨勢一致，溫度偏差小于3 ℃。其中，調(diào)控焊接過程的腔體真空度是真空汽相焊接技術的核心。通過階梯式注入真空汽相液和抽真空操作，動態(tài)調(diào)整印制板上不同熱容區(qū)域的升溫幅度，利用真空負壓特性排出焊接空洞。經(jīng)過試驗驗證和相關文獻報道，在熔融階段進行抽真空至真空度為104Pa 可以獲得形貌良好且低空洞率的板間連接器焊點[6]。

3.3 焊錫量優(yōu)化

為保證最佳焊料填充和焊接效果一致性，焊錫量的精準控制是不可或缺的。板間連接器不僅要求在印制板上、下焊盤形成具有一定潤濕角的理想焊點形貌，在印制板厚度方向的通孔內(nèi)部也需要填滿焊料。通常對板間連接器印刷焊膏的方式并不能滿足形成理想焊點所需的焊錫量。楊小健[7]等研究表明，在焊膏印刷后利用預成型焊片進行焊錫量補償?shù)姆桨?，有效提高了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。不過，研制預成型焊片需要較大的開模數(shù)量，并且不同型號的板間連接器需要設計不同規(guī)格的預成型焊片，對于產(chǎn)品型號復雜且小批量生產(chǎn)的航天電子產(chǎn)品增加了生產(chǎn)和質(zhì)量控制成本。根據(jù)不同尺寸的板間連接器和印制板，量身設計預成型焊錫環(huán)的方法更有利于生產(chǎn)需求和控制成本。因此，結(jié)合板材厚度（2 mm 和2.8 mm）、上下焊盤結(jié)構(gòu)（長軸1.5 mm 和短軸1.1 mm）、印制板通孔尺寸（直徑0.85 mm）以及板間連接器引腳結(jié)構(gòu)尺寸（直徑0.64 mm）等工藝參數(shù)，對理想焊點進行建模仿真并運用焊錫量的公式進行理論計算，對理想板間連接器焊點（潤濕 角為60°）的建模仿真如圖5 所示。

圖5 理想焊點仿真分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)簡化原則，通常將該焊點分為潤濕角與通孔兩部分，其中將潤濕角部分視作圓形圓臺進行計算，理想焊點焊料體積的計算方式如式（1）～（3）所示：

基于焊錫量理論計算結(jié)果，A 板和B 板上板間連接器形成理想焊點所需焊錫體積為1.55 mm3和1.36 mm3。表2 為對焊錫環(huán)體積計算所得焊錫環(huán)圈數(shù)與焊錫體積的對應關系。由于焊錫絲中含有助焊劑等組分，相比于理想焊點，在實際焊接過程中所需的焊錫量更大?；诖?，A 板上板間連接器套焊錫環(huán)圈數(shù)介于2.5～3 圈，B 板上板間連接器選用焊錫環(huán)圈數(shù)介于2～2.5 圈。

表2 焊錫環(huán)圈數(shù)與焊錫體積對應表

4 板間連接器焊點分析

4.1 預成型焊錫環(huán)優(yōu)化

為驗證板間連接器套預成型焊錫環(huán)的工藝方案對不同厚度印制板焊接的通用性，優(yōu)化試驗計劃如表3 所示。對A 板的板間連接器上分別套置2.5、3 圈的預成型焊錫環(huán)，B 板的板間連接器上分別套置2、2.5圈的預成型焊錫環(huán)，采用真空汽相焊接技術對比焊接效果并確定工藝參數(shù)。

表3 焊接試驗計劃表

從圖6 可以觀察到，A1、A2、B1 和B2 樣品均呈現(xiàn)了良好的透錫率，未發(fā)現(xiàn)明顯的空洞現(xiàn)象。不過，A1 樣品上套3.0 圈和B1 樣品上套2.5 圈的預成型焊錫環(huán)形成的焊點形貌過于飽滿。而且，在焊接過程中過量的焊錫會在焊盤間過度流淌，從而容易導致橋連等缺陷。相較而言，A2 樣品上套2.5 圈和B2 樣品上套2.0圈的預成型焊錫環(huán)的焊點形貌良好，焊透率一致。合理選取預成型焊錫環(huán)的圈數(shù)有利于呈現(xiàn)最佳焊接效果，因此隨后的試驗中在B 板上板間連接器套2.0 圈預成型焊錫環(huán)以進一步探究不同焊接方式對焊接質(zhì)量的影響。

圖6 焊點優(yōu)化效果對比圖

4.2 焊點外觀質(zhì)量驗證

對采用手工焊接、回流焊接及真空汽相焊接技術的板間連接器進行焊點形貌和焊透率檢驗，檢查結(jié)果如圖7 所示。從圖中可以觀察到，手工焊接的焊點形態(tài)相對較差并且焊料用量不一致。采用回流焊接和真空汽相焊接技術的焊點形貌均呈現(xiàn)金屬光澤，具有良好的焊錫輪廓線和潤濕角，未發(fā)現(xiàn)拉尖、橋連等現(xiàn)象，整板焊接質(zhì)量良好，焊點符合標準QJ 3011《航天電子電氣產(chǎn)品焊接通用技術要求》檢驗要求。

圖7 焊點焊透率檢驗圖

4.3 焊點空間率驗證

對板間連接器的焊點空洞率進行檢驗，檢驗結(jié)果如圖8 所示，可以觀察到手工焊接的焊點出現(xiàn)大面積焊透率不良且存在大量空洞。由于焊料組分中助焊劑在溫度升高時會產(chǎn)生氣體，同時受熔融焊料表面張力的影響和冷卻階段焊點表面氧化膜的形成，釋放的氣體難以從焊點內(nèi)部逸出，在焊點冷卻后會形成一定數(shù)量的空洞[8]。對于回流焊接技術而言，必須有足夠的焊料活化時間讓氣體揮發(fā)逸出，避免在通孔內(nèi)形成空洞。如果氣體未能及時溢出，則會形成圖8 中紅色區(qū)域所示的氣泡，影響焊點機械強度和可靠性。真空汽相焊技術采用特有的抽真空技術，起到主動排出熔融焊料中氣泡、大幅度提升焊料潤濕效果的作用，有效改善了傳統(tǒng)回流焊接技術中焊點存在空洞率的問題。從圖8 可見，真空汽相焊接后板間連接器三排焊點焊透率一致且高達100%，均未觀察到針孔、空洞等現(xiàn)象。X-ray 檢驗進一步驗證了真空汽相焊接工藝曲線和預成型焊錫環(huán)的合理優(yōu)化及可靠制備。

圖8 焊點空洞率檢驗圖

4.4 焊點微觀組織驗證

焊接質(zhì)量決定著模塊乃至整個產(chǎn)品的工作可靠性，通過焊點界面組分檢驗在合金成分、微觀組織和元素含量間建立定性、定量的關系，已成為航天電子產(chǎn)品檢驗中不可或缺的環(huán)節(jié)。圖9 為板間連接器經(jīng)過3 種焊接方式焊接后焊點的金相剖切圖像。從圖9 可見，采用真空汽相焊接技術的板間連接器焊點形成了月牙形的潤濕角，整個焊接面焊料組織均勻分布且無空洞。相對比下，手工焊接和回流焊接后焊點潤濕角較差，存在大量空洞并且焊接面共晶組織粗糙。

圖9 焊點金相剖切圖

現(xiàn)階段板間連接器的通孔焊接主要以焊錫在印制板銅鍍層和板間連接器引腳間形成連續(xù)且均勻的金屬間化合物（IMC）層為主。熔融焊料僅被焊接金屬表面潤濕還不足以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的高強度焊點，優(yōu)質(zhì)的高強度焊點必須是焊料與被焊接金屬間的相互擴散。在焊接效果良好的情況下，焊接區(qū)域內(nèi)將會形成主要成分為Cu6Sn5的高強度IMC 層，是焊點電氣性能和機械強度的保證。若存在溫度過高和焊接時間過長等情況，會呈現(xiàn)高脆性的Cu3Sn 合金。圖10 為樣品IMC 層形貌及界面組分情況，3 組樣品形成的IMC 層厚度處于0.5～4.0 μm 范圍內(nèi)，可以觀察到真空汽相焊接后形成的IMC 層厚度約為1.5 μm。進一步對其IMC 層進行微觀成分分析，EDS 分析如圖11 所示，從EDS 分析可知IMC 層成分僅含有Sn 和Cu 元素，其界面處Sn元素質(zhì)量百分比為45.6%，Cu 元素質(zhì)量百分比為54.4%，為Cu6Sn5和Cu3Sn 兩種合金的混合相，符合通孔元器件合格焊點要求[9-10]。

圖10 焊點IMC 層形貌圖

圖11 真空汽相焊接焊點IMC 層EDS 分析圖

5 結(jié)論

本文對板間連接器裝聯(lián)中常用的3 種焊接技術進行了多方面的焊接質(zhì)量分析，建立了板間連接器通孔焊接的理想焊點模型，依據(jù)焊錫量的理論計算，滿足優(yōu)良且一致性的焊接質(zhì)量要求。基于驗證結(jié)果，本文設計的真空汽相焊接技術結(jié)合預成型焊錫環(huán)焊接板間連接器的焊點實現(xiàn)了厚度均勻的IMC 層、低空洞率以及高達100%的焊透率。