USB电连接器激光钎焊工艺

曾 志, 崔江梅, 沈丹平, 黄月双, 何际军

(1. 电子科技大学 机械与电气工程学院, 四川 成都 611731;2. 成都工业学院 材料工程学院, 四川 成都 611730)

现代电子产品制造业中,电子连接器的元器件管脚(pin)与芯线之间的连接通常采用焊接技术实现.目前,电子产品的生产制造技术正朝着小、微型化的方向发展.传统的连接技术[1],如锡焊接、热风焊接、热压熔锡焊接(hot bar)等,通常都会损伤微小元器件和线材,难以满足微小型电连接器的焊接作业.在诸多改进的工艺中,使用激光进行微连接是一项富有特色的研究方向,近年来有引入激光软钎焊(laser soldering)的趋势[2].常用的连接技术通常会造成较高的废品率,而使用激光软钎焊获得的焊点具有结构完整、坚固耐用、传导性较好等优点[3-4].激光焊接过程中的热源通过激光束给工件局部集中加热,且熔融后可以迅速冷却.因此激光软钎焊接技术能够满足细小芯线的焊点的连接要求,而且可以促进焊点的组织细化,大幅增强了焊点的力学性能[5-6].

USB电连接器激光焊接中,铜芯线与金属管脚之间的焊后连接质量将很大程度影响USB的信号传输质量.焊点处铜芯线和金属管脚之间的界面常出现焊接缺陷,这些缺陷与焊料、焊接工艺参数、母材成分等因素有关[7].因此,可以通过研究焊接工艺和焊接界面的缺陷来分析其产生的原因,并有针对性地对整个流程加以优化,提高产品质量.对于电连接器的激光焊接,影响着芯线焊点质量的主要因素是各类焊接工艺参数[8-9],其中最重要的工艺参数就是激光能量和焊接时间[10].激光能量由激光电流和脉宽所决定,其中脉宽指激光能量维持的时长,脉宽越大则焊接过程的热输入越大,焊点尺寸随之变大[11-12].激光离焦量和焊接保护气也会对焊接质量产生影响,其中离焦量决定了激光束光斑的直径和能量[13-14].因此有必要对USB电连接器做激光软钎焊接的工艺试验研究.

本论文设计了装卡USB电连接器与导线的焊接夹具,并对电连接器做了芯线与金属管脚焊接后的拉伸试验,研究了激光参数对焊接效果的影响,对比得到了最优的焊接工艺参数.同时也对最优工艺参数下的焊接接头进行了微观组织结构分析,以探究其获得良好接头性能的机理.

1 激光软钎焊夹具设计

USB电连接器的激光软钎焊接是极其精细的工艺,激光束和芯线均为毫米级.为了确保激光焊接过程的精确度与稳定性,设计了焊接夹具以固定电子连接器和芯线.其具体设计要求如下:

1) 夹具必须能够有效固定连接器与芯线,让金属管脚和芯线前端接触以便于焊接;

2) 有一定的稳固性,能保证焊接时芯线不会松动、错位;

3) 为激光束的入射预留一个约1 mm×7 mm的窗口,方便激光束作用于芯线;

4) 电连接器和芯线的装卡、拆卸简单易行,以提高效率.

根据上述要求设计了焊接夹具,如图1所示.整体结构由6个部分组成,即芯线槽、线缆压板、上下板、电连接器压板、卡线槽、推动装置.芯线槽用于卡放线材;线缆压板用于保持线缆平整;上下板可以调整芯线和金属管脚的竖直方向的位置;电连接器压板可以确保连接器稳固;卡线槽用于分离各个芯线,并使每根线的前部和金属管脚接触并加以固定;推动装置有助于在焊接后移出电连接器.

图1激光焊接夹具
Fig.1Laserweldingfixture
(a)—焊接夹具与工作台; (b)—夹具主体结构.

2 激光软钎焊试验

本次试验选用了武汉楚天激光(集团)股份有限公司生产的Nd:YAG JHM-1GX-400E脉冲激光器.激光器的激光直径、工作电流和脉冲宽度连续可调,主要参数如表1所示.试验采用的USB电连接器尺寸为14.2 mm×7.0 mm×4.5 mm,每个电连接器需要进行焊接的金属管脚共有10个.试验需要将与电连接器配对的10根同轴线缆依次与管脚进行焊接操作.电连接器的金属管脚宽度为0.6 mm,间距为0.8 mm.激光束作用于极窄的金属管脚,因此焊接过程中需要调整激光直径使之介于0.4～0.6 mm,这样既保证了焊接效果,而且不会烧蚀金属管脚附近的PCB板材.试验用的同轴线缆为铜质的七芯线,每根七芯线的直径约0.5～0.6 mm,且被绝缘胶皮包裹构成一股细小的线缆.

表1 JHM-1GX-400E激光器的主要参数Table 1 Main parameters of JHM-1GX-400E laser soldering machine

进行焊接前,需要将线缆前端10 mm可能存在杂质的部分切除,然后对线缆进行人工剥线处理.对已剥好的芯线和电连接器金属管脚用酒精进行清洗,以去除表面的杂质和油污.将上述待焊材料进行焊前镀锡处理,再将每根芯线分别用夹具固定好并与金属管脚接触且填充助焊剂.利用同轴视觉监测系统判断激光光斑是否与芯线充分接触,调节好焊接参数即可实施焊接操作.对焊后的接头进行有效性判断,接头有效性判断的标准为:①焊接后管脚锡点饱满;②焊接后管脚的前端不存在未融的锡膏;③焊接后焊接界面不产生过多的锡珠;④接头不存在连锡及少锡缺陷.

试验分为A、B组,每组10个有效焊接接头,分别采用不同的激光软钎焊工艺参数.选取的2组试验参数分别为:A组,离焦量27.5 mm,电流120 A,变量为脉宽,ms;B组,离焦量27.5 mm,脉宽2.0 ms,变量为电流,A.对2组试验的焊接接头做拉伸试验,采用全自动液压伺服万能试验机测试焊点的力学性能,拉伸试验中样品拉伸速率均设置成10 mm·min-1.对焊接接头进行扫描电镜(SEM)分析,以观查研究其显微组织结构.

3 结果及分析

3.1 接头力学性能分析

拉伸试验旨在测量出2组焊接接头的最大拉伸力,以此判断该工艺参数下的焊后接头力学性能是否满足行业标准.依据USB电连接器行业所规定的标准,需要接头能够承受的拉伸力应≥20 N,且静悬挂时间不少于1 min.经拉伸试验测试A、B组接头所承受的最大拉伸力(每组工艺参数下10个试样).

图2为A、B组试验中工艺参数对焊点最大拉伸力的影响.由图2可知,A组中,在离焦量与电流不变而脉宽改变的情形下, 能够使焊点的力学性能满足行业标准的脉宽范围为1.4～2.0 ms,因而在该脉宽范围内的焊点都能承受不小于20 N的拉伸力.如果逐渐提升脉宽的数值, 焊点最大拉伸力将随之提升, 当脉宽提升到1.7 ms 时, 焊点最大拉伸力增大到最高29.63 N; 随后继续提升脉宽值, 焊点的最大拉伸力会逐渐下降, 直到激光能量过高,打断芯线. 在B组中,离焦量与脉宽不变,电流改变的情形下, 能够使焊点的力学性能满足行业标准的电流范围为130～150 A,该范围内的焊点都能承受不小于20 N的拉伸力. 若逐渐增大电流数值,在电流达到130 A 时, 芯线的焊点将获得的最佳的力学性能; 若继续提高电流值, 焊点最大拉伸力将会逐渐下降, 甚至当电流大于150 A时激光束能量过大而直接熔断芯线.

图2 2组试验中工艺参数对最大拉伸力的影响Fig.2 The effect of parameters on the maximum tensile force(a)—脉宽的影响; (b)—电流的影响.

综上所述,A、B组试验得到了可激光软钎焊的最优工艺参数,即离焦量为27.5 mm, 电流为120 A,脉宽为1.7 ms,接头焊点的最大拉伸力为29.63 N.

3.2 接头形貌分析

焊接试验中发现某些工艺参数下的焊接接头存在焊接缺陷,通过对这些焊接接头处的焊点进行观测分析,发现焊点具有钎料飞溅、少锡和连锡等缺陷[15].图3a为工艺参数在离焦量27.5 mm、电流120 A、脉宽2.1 ms下的接头的焊接缺陷,且该参数下的接头力学性能不合格.图3b为该参数下的焊接接头在拉伸试验中的断口形貌,可以发现焊接接头在拉伸试验中断裂于界面层,表明该接头界面金属间化合物(intermetallic compound,IMC)层抗拉强度过小.由于激光软钎焊中激光束能量高度集中,使焊件温度迅速提高,这将使金属管脚中的Cu在熔融焊料中的溶解和扩散速度提高[16];且本研究中使用的无铅焊料中Sn含量比Sn-Pb 焊料高,Cu的熔解和扩散率会增大.这两者都增大了焊料和金属管脚之间的界面形成 IMC 的速率.一般说来,钎料和金属管脚间形成少量的IMC能增加焊料对基体的润湿,增强焊料的结合力,但由于IMC的本征脆性,随IMC的厚度增加,接头的力学性能将被严重削弱,导致焊点提前失效[17].因此该工艺参数下较厚的IMC界面层削弱了接头的抗拉性能,导致接头力学性能不合格.

图3焊接工艺缺陷
Fig.3Weldingdefects

(a)—焊接成型缺陷; (b)—拉伸试验中接头断口SEM图像.

图4所示为最优工艺参数下(离焦量27.5 mm,电流120 A,脉宽1.7 ms)的电连接器焊接试样.如图4a所示,焊接后金属管脚锡点均匀饱满,PCB板上几乎没有钎料飞溅、少锡和连锡现象,接头的焊接效果较好.如图4b所示,内部铜线分布状况良好,位于接头整体中间,未发生明显偏移,完全熔化后的钎料包裹着铜线,且与钎料紧密结合界面贴合完整,整体呈半圆形或者近似圆形的状态.在IMC界面处,金属管脚与钎焊材料界面完整清晰,未发现未焊接或未熔化现象,表明金属管脚和芯线在焊接中被熔融的钎料充分润湿,与钎料粘合良好.

图4 改善工艺后的电连接器的激光焊接试样Fig.4 The laser welding samples after improving the process(a)—焊接效果图; (b)—接头的结构SEM电镜图像.

4 结 论

1) 设计了合理的定位机构与焊接夹具,其起到了有效地固定USB电连接器与芯线的作用,防止芯线在焊接时松动.

2) 在激光器的离焦量和电流为定值的情况下(离焦量27.5 mm、电流120 A),脉宽范围为1.4～2.0 ms时接头强度满足行业标准,当脉宽为1.7 ms时接头的最大拉伸力达到最大的29.63 N.在激光器的离焦量和脉宽为定值的情况下(离焦量27.5 mm、脉宽2.0 ms),电流范围为130～150 A时接头强度满足行业标准.

3) 最优焊接工艺参数(离焦量27.5 mm,电流120 A,脉宽1.7 ms)下的电连接器焊接效果较好,接头处的金属Pin和芯线被钎料充分润湿,且较少出现钎料飞溅、少锡和连锡缺陷.而不合格的工艺参数下焊接缺陷较严重,且焊点在拉伸试验中断于IMC界面层.