QFN元器件去金搪锡工艺技术研究

齐 林 杨京伟 杜 爽 李佳宾



QFN元器件去金搪锡工艺技术研究

齐 林 杨京伟 杜 爽 李佳宾

（北京空间机电研究所，北京 100094）

针对QFN器件的结构特点，研究了其去金搪锡工艺技术，研制了一种专用搪锡工装，使用局部波峰焊机去金搪锡后，器件焊盘中金元素质量分数小于1%，可保证QFN器件焊接后无金脆隐患，极大提高产品可靠性。

QFN；去金；搪锡

1 引言

金元素由于化学稳定性好、不易氧化等特点，被广泛应用于电子元器件的电极或焊盘的表面镀层。航天产品印制板组件生产中，电子元器件通常采用锡铅共晶合金（Sn63Pn37）软钎焊的方法装联到印制板上。在焊接镀金元器件过程中，焊点中会形成Au-Sn金属间化合物（IMC, intermetallic compound），其维氏硬度高达750，呈现明显脆硬性，这种化合物的存在将导致焊点力学性能大幅下降，严重影响电气连接的可靠性。一般焊点中由于存在Au-Sn化合物而发生脆性断裂失效的现象称为“金脆”[1]。研究认为，Au-Sn化合物中当金的含量达到3%时，“金脆”现象会十分明显[2]。

对于航天产品，环境要求苛刻且可靠性要求很高，“金脆”现象严重影响产品服役期间的可靠性和使用寿命。目前，国内外军工标准中，为防止“金脆”现象，都规定了镀金的元器件必须经过去金搪锡处理后方可焊接[3～8]。对镀金表面的处理问题已经明确提出，并作为禁（限）用工艺项目重点关注。

QFN（Quad Flat No-lead）封装芯片是一种典型的无引线表贴元器件，其结构特点有别于FP/QFP芯片等带有引线的元器件，去金搪锡工作目前存在以下难点：

a.在没有特殊工具夹持情况下，无法直接使用锡锅进行去金搪锡；

b. 手工搪锡，依赖于操作人员的熟练程度，去金搪锡效果一致性差，生产率低；

c. 焊盘密度高、间距小，手工去金搪锡易产生桥连。

因此，选取具有代表性的QFN封装芯片，对其去金搪锡工艺技术进行研究，设计不依赖操作人员个体技术水平的去金搪锡工艺方法，对提高生产效率及产品可靠性具有重要意义。

2 去金搪锡工艺方法研究

在电子装联行业中，焊盘（或电极）带有镀金层的无引线表贴元器件进行去金搪锡主要有三种方法：电烙铁手工搪锡、锡锅搪锡和返修工作站搪锡，三种方法对比如表1所示。

表1 去金搪锡方法对比[9]

从表1中的对比可以看出，使用手工电烙铁对镀金焊盘的去金搪锡缺点很多，但目前仍是无引线表贴元器件去金搪锡的主要方法；而使用返修工作站进行去金搪锡的方法，尽管存在对元器件热冲击小等优点，但是对于宇航产品使用的元器件来说，多次经历再流焊却将极大程度降低元器件的可靠性。因此，根据元器件尺寸和结构研制合适的工装夹持并保护元器件，使用锡锅对镀金焊盘去金搪锡，是航天产品更为合适的工艺方法。

图1 QFN封装芯片

图1为典型的QFN封装芯片，是六面体结构，底面有阵列焊盘。根据器件结构特点研制的搪锡工装如图2所示，工装采用不锈钢材料制成，主要由导轨、下托机构、立柱、元器件托板和施压手柄等组成。其中，元器件托板采用上下夹持芯片的结构形式，下托机构可在导轨上移动，立柱使器件能悬于锡锅上方，向下按施压手柄可使元器件浸入锡锅，完成去金搪锡。

图2 搪锡工装

使用工装夹持QFN器件浸入锡锅进行去金搪锡，搪锡温度、时间等参数参考元器件手册设定。搪锡结果如图3所示，有部分焊盘未能上锡。

图3 浸入锡锅搪锡结果

分析原因，两方面因素造成这种结果。首先，由于不锈钢材料不与熔融铅锡合金反应，在表面张力作用下，熔融铅锡合金不能在凸台附近铺展；其次，在对施压手柄施加压力使器件托板浸入液面过程中，必然导致液面下残留少量空气，同时，助焊剂受热过程中产生少量气体，影响部分焊盘的去金搪锡。

为解决去金搪锡过程中，气体因素对焊盘上锡的影响，需要保证焊接过程中及时排出气体，以免气体堆积影响焊盘去金搪锡。根据这一要求，采用局部波峰焊机，并设计尺寸合适的喷嘴，使得形成的焊料波峰足以接触QFN封装芯片的两排焊盘。在搪锡过程中，匀速移动元器件，依靠波峰喷涌的力量使去金搪锡过程中产生的气体及时排出，从而实现所有焊盘的上锡。

搪锡工装改进后配合局部波峰焊机进行去金搪锡，如图4所示。搪锡结果如图5所示，使用局部波峰焊搪锡后，几乎所有焊盘均上锡，仅有在凸台位置的几个焊盘未能上锡。证明这种方法应是可行的，对于未能上锡的少数焊盘，可以在去金搪锡过程中使凸台附近的焊盘在波峰停留短暂时间，以便于焊盘上锡。

图4 使用局部波峰焊机进行去金搪锡

图5 使用局部波峰焊机搪锡结果

3 去金搪锡效果检测

在元器件去金搪锡试验后，使用光学显微镜仅能从宏观上检查是否有未除尽的金元素，无法量化金元素质量分数，需要采用能谱分析的方法，测量金元素质量分数。

3.1 光学显微镜检验

图6 使用局部波峰焊机搪锡试样

使用局部波峰焊机进行去金搪锡制备的试样如图6所示，使用光学显微镜检查结果：

a. 焊盘完全上锡，无金黄色未去除干净的部位；

b. 搪锡焊盘表面润湿良好，无毛刺、无拉尖现象，锡层厚度均匀，无残渣和焊剂粘附；

c. 焊盘间无搪锡桥连；

d. 搪锡的元器件外观无损伤、无刻痕，漆层完好，无烧焦、脱落现象，元器件的型号、规格、标志应清晰。

3.2 能谱分析检测金元素质量分数

样件进行金相剖切后，显微照片与扫描电镜照片如图7所示。

图7 芯片剖切照片

对焊盘合金层检测如图8所示，去金后，可能含有Au元素的是Sn/Ni合金层和Sn/Pb层，对焊盘这两层的能谱分析如图9所示。

图8 焊盘合金层金相组织

图9 芯片焊盘Sn/Ni/Co合金层和Sn/Pb层能谱分析

对试验样件中任选的不少于10个焊盘进行检测，结果表明所测焊盘中Au元素重量百分比均在1%以下。

4 结束语

本文介绍了QFN封装芯片无引线表贴元器件去金搪锡的工艺方法，可有效去除焊盘的镀金层，使金元素质量分数控制在1%以下，达到各军用标准中的要求，为避免焊接后焊点中出现“金脆”现象提供保证，可极大提高产品在服役期间的可靠性。

1 王晓明，范燕平. 锡-铅共晶焊料与镀金层焊点的失效机理研究[J]. 航天器工程，2013，22(2)：108

2 IPC-D-279, Design guidelines for reliable surface mount technology printed board assemblies [S].

3 QJ3012—98 航天电子电子产品元器件通孔安装技术要求[S].

4 QJ3011—98 航天电子电子产品焊接通用技术要求[S].

5 QJ3117A—2011 航天电子电子产品手工焊接工艺技术要求[S].

6 QJ3267—2006 电子元器件搪锡工艺技术要求[S].

7 IPC-J-STD-001E-2010, Requirements for soldered electrical and electronic assemblies [S].

8 ECSS-Q-ST-70-08C, Manual soldering of high-reliability electrical connections [S].

9 王继林，白磊，李珍珍，等. 无引线镀金表面贴装器件搪锡技术[J]. 航天制造技术，2011(5)：33～34

Research on Process Method of Degolding and Tin-coating for QFN Components

Qi Lin Yang Jingwei Du Shuang Li Jiabin

(Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity, Beijing 100094)

The process method of degolding and tin-coating for QFN components was studied according to its structural feature. A special fixture was designed to clamp QFN components when they were tinning using a local wave soldering machine. The mass fraction of gold in the pad of QFN components could be reduced to less than 1%. As a result, gold-embrittlement could be avoided so that the reliability of products could be improved.

QFN；degolding；tin-coating

齐林（1987），工程师，材料加工工程专业；研究方向：航天产品电子装联工艺研究。

2017-12-12