一种混合厚膜电路引线绕焊技术

周峻霖，夏俊生，侯育增，肖勇兵

（华东光电集成器件研究所，安徽 蚌埠 233042）

1 引言

厚膜电源电路包括航天、航空领域各类固态开关、伺服电机控制电路、雷达组件所用的各类固态功率放大器、大功率电源系统以及其他军用交换机电源系统、DC/DC、DC/AC交换器系统等等，这些电路输出功率密度很大，在常温条件下基本都达到20W/in3，属于大功率电路。随着科学技术的发展，厚膜电源电路越来越向小型化、多功能、大功率方向发展，传统的厚膜工艺技术已无法适应电源电路的大功率要求，因此我们迫切需要进行相关厚膜工艺技术攻关，以满足越来越迫切的市场需求。

材料的连接在微电子器件的封装和组装制造中是关键工艺之一，由于材料尺寸极其微细，连接的过程时间非常短、要求很高的能量控制和尺寸位置控制精度，在连接过程中体现出许多的特殊性，其研究已经成为一门较为独立的学科方向——微连接（微电子焊接）。微电子引线焊接既是电子制造中的关键工艺技术，又是决定电子产品质量的关键一环。而另一方面，引线焊接又是电子生产工艺中研究最为薄弱之处，在电子器件或电子整机的所有故障原因中，约70%以上为焊点失效所导致。随着电子制造继续向高性能、高可靠性、小型化、薄型化、低成本并满足环保要求的方向发展，相关的引线连接技术也必须符合这种趋势。

2 外引线绕焊技术

2.1 外引线绕焊技术研究的迫切性与实际需要

由于功率电源类产品工作温度较高，组件安装时的加工温度也很高，往往达到300℃左右，远远超过低温焊料的加工温度。为提高整件组装及产品工作时外引线的可靠性，应进行低温焊接工艺优化，并有选择地引入高温焊接材料，进行外引线焊接技术研究，保证外引线可耐高温。

当前功率电路基板与功率外壳互连多采用常规镀银铜线焊接，由于焊接熔点低，在用户使用过程中存在可靠性隐患。因此，一方面要对外引线绕焊进行工艺研究，同时要对镀银铜线的高温焊接进行研究，通过工艺试验形成焊接工艺实施方法和要求，以保证功率电路外引线可靠焊接。

2.2 外引线绕焊技术原理

2.2.1 厚膜电路外引线焊接技术

厚膜电路加工关键之一在于外引线焊接加工过程。一般来说，文件对“手工焊接”如此规定：外引线焊接时，应先将待焊接的引线按住固定在焊区上，用少许焊锡镀银铜线截取适当长度，然后进行引线柱的焊接。一般采用高温焊料（如焊接温度约295℃的银锡焊料）的烙铁将引线焊接固定锡焊在焊区内，焊接一端引线后再直接使用焊丝焊接另一端引线，完全熔化后持续时间不超过3秒。焊接后焊锡要求完全包裹住引线，要求两端焊锡点饱满、光亮，无明显突起、毛刺和凹坑；铜线及其两端，以及基板、外壳其他区域均干净无沾污。考虑到大功率电路散热需要，焊接时要求镀锡铜线有一定的弧度，且焊点应圆滑，不应有明显的突起。

2.2.2 外引线绕焊技术原理

考虑到功率厚膜电路在用户处组装使用时，也是采用外部锡焊，所以热量通过管壳外部引线柱传至内引线，有可能导致管壳外引线柱处焊锡熔融，造成管壳内外引线移位；而他们现在采取在引线柱附近将镀银铜线按一定的方向绕几圈（ 2～3周），然后将之与外引线壳内部分使用焊料完成焊接。在功率厚膜产品加工过程中，由于电路工作温度较高，可能外引线焊接使用的低温焊料状态会变得不稳定，但如采用绕焊方式，会在一定程度上弥补低温焊料用于功率电路的固有缺陷。即使用户组装时外部热传导进入腔内，造成部分焊料熔融，引线柱处绕了几圈的镀银铜线仍然会停留在原位置，保证不移位。

3 外引线绕焊研究及工艺试验

3.1 研究背景

厚膜功率电路在用户处焊接时也采用锡焊工艺，外引线焊接处的温度超过300℃，由于组装采用的低温焊料熔点为180℃/焊接温度为210℃，造成引线处焊锡熔融、脱焊、引线脱开等问题，存在可靠性隐患。因此我们进行此项工艺试验，可优选出我所SMT电源电路外引线焊接工艺参数，以保证电路使用可靠。

通过试验找出S n 5 A g 2.5 P b 92.5、Sn96.5Ag3.0Cu0.5和Sn62Pb36Ag2三种焊丝的焊接条件和清洗方法，评价电路筛选后的焊接可靠性，优选出最适合我们焊接使用的焊丝。焊接外引线选用Ф 0.3mm的镀银铜丝，铜丝在引线柱端在引线中点各左、右方向绕制一圈，在出口处扭成一股，保证绕线较紧且有一定环状，以便拉力测试。焊丝型号为Sn5Ag2.5Pb92.5、Sn96.5Ag3.0Cu0.5和Sn62Pb36Ag2，焊接速度分别按1秒、2秒和3秒进行焊接。

3.2 试验设置及内容

3.2.1 试验材料及样品选用

试验中，我们用到的三种型号焊丝熔点如下：Sn5Ag2.5Pb92.5熔点285℃、Sn96.5Ag3.0Cu0.5熔点217℃，Sn62Pb36Ag2熔点183℃。

选用某功率产品为试验样品，管壳内采用双面均印有钯银焊盘的基片加工。使用Sn5Ag2.5Pb92.5、Sn96.5Ag3.0Cu0.5和Sn62Pb36Ag2三种焊丝各组装50只试验样品电路。按照该电路提供焊接曲线完成外引线焊接，清洗合格进行筛选。

3.2.2 外引线绕焊加工过程

用剪刀截取一段长度适量（略长于外引线端面至基板焊区距离）的镀银铜线（φ=0.3mm的镀银铜丝），应用绕焊方法：用镊子使用较细线径（0.3mm）稍长些的镀银铜线（2～3倍于普通引线柱与基板焊区间搭接长度），先把铜线的中间位置靠近引线柱端面焊区处向左逆时针绕线一圈、向右顺时针绕线一圈，然后将两股铜线出头纠集为一股、在此处用焊料快速焊接，此后再与基板焊区完成焊接。要求焊接的外引线中间位置弯成一定弧度，便于拉力测试。从理论上讲，在引线柱端进行绕制两圈，提高了镀银铜线焊接附着效果，而且解决了引线柱一端易造成镀银铜线端头脱开、搭上外壳短路的隐患。

图1 外引线绕焊示意图

首先，我们对引线柱及基板焊接区处理、除去氧化层，以促进焊接效果； 其次，外引线柱焊脚处、基片焊区用智能铬铁熔化少许焊丝，预上锡；然后使用热盘/温控加热台加热（设定150℃～190℃，到温后稳定15min）；最后使用高温智能铬铁焊接。

3.2.3 焊接后清洗

去除引线管脚之间的焊料及助焊剂的残留物以及其他污染物，避免污染物对电路板造成腐蚀，同时提高涂料与电路板的结合强度。1～2组先用酒精棉球擦拭或拨针清除多余的焊料，然后用三氯乙烷（或FC113氟油＋无水乙醇混合清洗液）和无水乙醇分别浸泡3min～5min，再将电路倒扣在盛有无水乙醇的容器内，超声清洗10s～30s。将清洗后的电路放在干净的金属托盘内，连同托盘一起在150℃±10℃的烘箱内烘10min～15min，取出后放在超净工作台内冷却至室温，最后用高纯氮气吹去多余的尘屑和多余物。第三组仅用酒精棉球擦拭去除多余物。第四组不做清洗处理。

3.2.4 检测试验

对已焊铜线进行100%目检，要求两端焊锡点饱满、光亮，无明显突起、毛刺和凹坑；镀银铜线及其两端、基板、外壳其他区域均干净无沾污。

我们对完成焊接的电路，按照正品电路要求进行后续的封前洁净、平行缝焊、筛选试验，并在筛选合格后进行开盖。

表1 试验样品清洗方法和步骤、结果

筛选试验及结果（参照功率电源产品筛选试验条件）如下。

高温贮存：GJB150.3，125℃，48h；结果：合格。

温度循环：GJB548B方法1010.1，-55℃～125℃，10次；结果：合格。

恒定加速度：GJB548B方法2001.1，Y1方向，98000m/s2，1min；结果：合格。

PIND：GJB548B方法2020.1，条件A；结果：合格。

外部目检：GJB548B方法2009.1；结果：合格。

破坏性拉力强度试验参照GJB548B方法2011.1。键合强度：破坏性键合拉力试验，按方法2011试验条件D进行键合强度试验。至少对两个器件的全部引线进行，记录引线断裂或键合脱落时力的大小和断裂位置。对外引线进行100%拉力测试，以验证焊接后附着力，评估选出较好的焊接材料及优化焊接参数。

在完成筛选试验之后，我们对所有样品外引线进行破坏性拉力试验，经过使用2kg、30s和4kg、30s两种试验参数，获得如表2所示的试验结果。

表2 锡焊可靠性工艺试验记录表

下面给出003号、004号片在拉力试验之后的照片（如图2），均使用SnAg3.0Cu0.5焊丝（焊点227℃）完成焊接，其中003号所有引线经过4kg、30s拉力试验后无损，而004号一根引线由于达到材料拉伸极限，经过4kg、30s拉力试验后从中间断开。

图2 可靠性拉力试验后外引线状况比较

3.3 试验结论

通过以上几个方面的对比试验和筛选结果，我们获得了适于镀银铜线外引线绕焊工艺的焊料/焊丝及相应的加工工艺参数。

焊接设备：使用PS-900型90W铬铁/SFV-CN05A焊头或MX-5010型130W铬铁/LOT 0144 STTC 122型铬铁头；预热条件：热盘预热150℃；焊丝型号及规格：SnAg3.0Cu0.5焊丝/Φ0.8，焊剂Li；焊接后清洗：使用三氯乙烷浸泡5min、超声30s，无水乙醇漂洗后氮气枪吹干；要求洁净无多余物。其他在具体电源电路应用时可灵活调整使用。

关于绕焊电路基板上焊盘设计建议：SnAg3.0Cu0.5焊丝/Φ0.8，焊剂Li，熔点为227℃。

通过组织大量工艺试验，反复摸索外引线绕焊工艺的方法并优化工艺参数，并对试验样品按照国军标GJB548B-2005规定的试验方法，参照进行引线拉力强度的相关测试，证明外引线绕焊的加工效果完全满足航天及高端军品引线焊接强度要求，提高了功率及航天电路外引线焊接可靠性。

[1] 杨邦朝，张经国主编. 多芯片组件（MCM）技术及其应用（第1版）[M]. 成都：电子科技大学出版社，2001.

[2] 混合微电路技术手册——材料、工艺、设计、试验和生产（第2版）[Hybrid Microcircuit Technology Handbook – Materials，Processes，Design，Testing and Production (2nd Edition)]. 第1版[M]. 北京：电子工业出版社，2004.

[3] GJB548B-2005 微电子器件试验方法和程序 [Z].

[4] GJB2438A-95 混合集成电路总规范[Z].