CN103752970B - 一种引线框架的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种引线框架的焊接方法，其特征在于，焊接前先在所述引线框架的表面镀一层镍底层，再在镍底层的表面镀一层锡表层，然后进行涂抹焊膏、再流焊的后续操作。本发明通过镀一层锡表层作为镍底层的保护层，可以防止镍底层氧化，提高引线框架的可焊性；防止黑盘、金脆现象的发生，降低界面空洞的发生几率，提高焊点可靠性；本发明在现有引线框架焊接的基础上通过改变引线框架的镀层及焊料铅（Pb）含量，即可达到表贴器件焊点要求，无需增加其它工序；整个方法简单，易于实施推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种引线框架的焊接方法，属于SMD表面贴装器件领域。
背景技术
在微电子制造领域，表面贴装SMD封装器件一般都采用引线框架塑封封装技术。用于软钎焊的引线框架一般选用铜或磷青铜材质。为了使SMD表贴器件能满足260℃回流焊的要求，一般都采用高熔点高铅焊料Sn10Pb88Ag02以防止焊点受热熔化。Sn10Pb88Ag02熔点为：268℃（固相线）～290℃（液相线）。固相线大于260℃，并且Pb含量大于85wt%而满足RoHS豁免要求。由于该合金熔点较高，高温钎焊时会氧化引线框架基材，所以必须对引线框架进行表面处理。用于软钎焊的表面涂覆物常见的有镀锡。在PCB树脂电路板中的焊盘广泛的采用表面涂覆锡的方式。表面涂覆锡能增加焊料的润湿性能，提高焊料的钎焊性能。但是，SMD表贴器件由于采用的是Pb含量只有88wt%的Sn10Pb88Ag02焊料，引线框架采用镀锡的方式会引发如下问题：由于Sn的熔点为231.9℃，在引线框架焊接时引线框架镀层中的锡重新熔化，并与Sn10Pb88Ag02焊料重融，使焊点中的Sn含量增加，Pb含量降低；焊点合金成分的改变会导致焊点的熔点发生变化，一旦熔点固相线低于260℃，SMD表贴器件将不能满足260℃回流焊的要求；另外，当Pb含量由88wt%下降到85wt%以下的时候，SMD表贴器件将不满足RoHS豁免的要求。由于镀锡层重融的问题，所以引线框架一般都采用耐高温的镍（Ni）、镍金（Ni/Au）或镍钯金（Ni/Pd/Au）镀层。此三种镀层一方面能防止引线框架铜基材氧化，另一方面提高钎焊性。为方便后面阐述此三种镀层各自的优缺点，先介绍两个专业名词。
名词一：焊膏
焊膏是软钎焊中非常重要的一种焊接材料，是一种由焊料合金与助焊剂均匀搅拌形成的膏状混合物。其中，助焊剂中主要的助焊成分为松香和活性物质。焊接时，松香在焊料熔融之前将母材铜（Cu）及焊料表面的金属氧化膜清除。微量的活性物质能促进强化松香清除氧化膜的能力。松香对铜氧化物的清除作用可以用如下化学反应式描述：
2C19H20COOH+Cu2O→2C19H20COOCu+H2O↑
焊料及母材洁净的表面有助于焊料在熔融状态时与母材发生润湿、扩散、溶解、冶金反应，进一步形成金属间化合物IMC，实现软钎焊接。目前行业中软钎焊料以锡（Sn）基最为常见。熔融状态下软钎焊料中的锡（Sn）与母材中的铜（Cu）能够迅速发生冶金反应形成良性η-Cu6Sn5的锡铜合金IMC层。若此时继续对IMC结合部加热，母材中的Cu原子将继续快速向界面合金IMC层中扩散，最终形成恶性的ε-Cu3Sn合金。
名词二：再流焊。
再流焊是SMT(表面贴装技术)工艺中一种比较常见的的焊接技术。在温度曲线上再流焊的特点是一般温度分布为四个区。
①预热区：对基板及器件进行预热，减少基板及器件间的温差；同时焊膏中的溶剂挥发。
②浸润区：此温区的温度达到松香熔点及活性剂的活性温度，助焊剂中活性物质活化，清除基材及钎料氧化物，为后面的钎料焊接做准备。
③再流区：此温区温度达到钎料的熔点，熔融的焊料与洁净的基材发生冶金反应。
④冷却区：此温区快速降温，焊点冷却。
名词介绍完毕，下面对三种镀层其各自优缺点一一解析。
镀镍（Ni）：
Ni涂覆层具有表面较平、稳定性较高、货架寿命长、成本低等优点，但其焊接性能表现并非十分突出。Ni镀层与Sn基焊料能发生冶金反应形成Ni-Sn合金。但是相比Cu而言，Ni在Sn中的溶解速度非常慢，所以Ni镀层界面生成的合金IMC相当薄。由于这一特点，Ni可以作为可焊接的阻挡层阻挡Cu原子向钎料中扩散。另外，Ni并非极其稳定，在空气中，Ni与氧反应，在其表面会生成一层极薄的钝化膜。此钝化膜的主要成分为Ni的氢氧化物和氧化物，在一些场合下就是利用该极薄的钝化膜防止空气、酸、碱的腐蚀。也正是因为Ni钝化膜的“钝性”，焊膏中的助焊剂对钝化膜起不了作用。因为环保焊膏中助焊剂活性一般为低活性，其主要清除的氧化物对象为铜氧化物和锡氧化物。这样，Ni镀层在焊接上就带来了一个比较大的问题：如果基材镀Ni层被钝化，焊接时容易出现润湿不良，带来虚焊、假焊问题；并且，容易形成界面空洞，最终引发焊点可靠性问题。
为了解决引线框架Ni镀层可焊性差问题，中国发明专利201010293732.6《一种引线框架的焊接方法》公开了一种方法：用激光将引线框架表面Ni镀层打磨掉，使引线框架裸露Cu基材，焊接时Sn基焊料直接与Cu基材冶金反应生成IMC，以此提高焊点结合强度。该发明能解决Ni层钝化润湿不良的问题，但是同时会带来另外两个问题：
①激光瞬间高温会氧化Cu基材；
②Ni阻挡层被清除，Cu原子将不断往钎料中扩散，容易导致IMC生成过厚、ε-Cu3Sn恶性IMC。
镀镍金（Ni/Au）
Au镀层属于贵金属镀层，价格非常昂贵。Au是惰性金属，所以其表面不会形成氧化物，也因此具有很低的电阻率。利用Au镀层的惰性，在Ni镀层表面再镀一层Au，则可解决Ni层钝化问题。在焊接的过程中，由于Au在Sn中的溶剂速度比较快，Au镀层会迅速溶解在熔融焊料里，形成Au-Sn合金，并从界面层移出最终浮在焊点里面，因此Au镀层不会形成界面合金物。Au镀层溶解后，焊料进一步与Ni底层冶金结合形成Ni-Sn界面合金IMC。因此，镀镍金最终形成界面合金IMC的仍然是Ni-Sn，Au镀层仅仅起保护Ni镀层不被氧化的作用。镍金镀层由于金的防氧化性能为其提供非常好的可焊性。但是，其最大的缺点就是成本高。因为成本问题，一般镀金层都比较薄。较薄的镀金层又会带来第二个问题：黑盘（黑镍）现象。薄而多孔的Au层会导致Ni底层氧化，形成黑镍，也即黑盘现象。黑盘的形成将会带来非常大的焊点失效风险。为了防止黑盘现象的发生，只能将Au层镀厚。这样除了增加成本外又会带来第三个问题：金脆现象。Au溶解悬浮在焊点里面，Au在焊点里面成分比例超过一定范围会增加焊点脆性。因此，IPC J-S-001D联合工业标准中第3.9.3节就提到关于除金的处理。在此引用其中一条“表面贴装元器件95%的待焊表面有金,而无论金层有多厚”都需要除金处理，以防金脆问题。除金也即搪锡、浸锡。这样镀厚金除增加材料成本外还会增加人工成本。
镀镍钯（Ni/Pd）或镍钯金（Ni/Pd/Au）
Pd同样属于贵金属镀层。价格较Au便宜，但是成本仍然比较高。Pd镀层由TexasInstr μment于1989年在发明专利89302939.7中公开。在焊接性能方面，相比于Ni镀层及Au镀层，Pd镀层有如下优点：
①Pd溶解速度比Au慢，但比Ni快，这有利于界面IMC的生成；
②Pd镀层的针孔率远远低于Au，可以防止黑盘现象。
以上两个优点使得Ni/Pd镀层表现良好的可焊接性和稳定性。在Ni/Pd镀层表面再镀一层很薄的Au层能进一步提高存储的稳定性。但尽管如此，Pd的高成本使其在钎焊方面未能得到很大的推广。
发明内容
本发明目的旨在提供一种引线框架焊接方法，该焊接方法以较低的成本实现引线框架焊接，提高焊点结合强度，提高器件的可靠性；并使焊点满足RoHS豁免要求和260℃回流焊不熔化的要求。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种引线框架的焊接方法，其特征在于，焊接前先在所述引线框架的表面镀一层镍底层，再在镍底层的表面镀一层锡表层，然后进行涂抹焊膏、再流焊的后续操作。
镀一层镍底层一方面可以作为可焊接的阻挡层，阻挡铜原子扩散，防止IMC生产过厚，另一方面可以减缓锡晶须的产生；而在焊接时，焊膏中的助焊剂将锡表层及焊料合金颗粒表面的氧化膜清除，当再流焊温度达到焊料合金的熔点后，洁净的锡表层与焊料重融，接着焊料中的锡与镍底层扩散、冶金形成IMC。
进一步地，所述的焊膏中焊料合金为锡铅二元合金。
进一步地，所述的焊膏中焊料合金为锡铅银三元合金。
进一步地，所述焊膏中焊料合金中的铅（Pb）含量为89.5wt%～95wt%。因为引线框架上的锡表层与焊料重融会增加锡（Sn）含量，从而降低铅（Pb）含量，但只需控制锡表层的厚度就能保证最终焊点里面的铅（Pb）含量大于88wt%，即可使得焊点的熔点在260℃以上，满足260℃回流焊要求。铅含量不易过高，过高一方面会增加焊料的熔点，另一方面会加重铅（Pb）偏析现象的产生，铅（Pb）偏析现象的出现会致使界面结合强度急剧下降。
进一步地，所述的锡铅银三元合金中银含量小于5wt%，添加量不为0，添加少量的银可以提高焊料的润湿性及焊点的气密性，银含量过多一方面会增加焊膏的成本，另一方面容易引发银（Ag）的相变化问题而导致焊点失效。
进一步地，所述镍底层的厚度为0.5～3μm，镍底层过厚会降低引线框架的延展性，引脚折弯时容易出现镀层剥落或引脚断裂现象；镍底层过薄容易露底材，同时会降低其作为阻挡层的效果。
进一步地，所述锡表层厚度为1～3μm，一方面可以保证镍底层不会被氧化，提高钎焊性；另一方面当焊膏中焊料合金的铅（Pb）含量在89.5wt%～95wt%时，此厚度范围内的锡表层与焊料重融后不会使焊点最终的铅（Pb）含量低于88wt%。
进一步地，所述引线框架的镀镍方式为化学镀或者电镀。
进一步地，所述引线框架的镀锡方式为化学镀或者电镀。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、镀一层锡表层作为镍底层的保护层，可以防止镍底层氧化，提高引线框架的可焊性；防止黑盘、金脆现象的发生，降低界面空洞的发生几率，提高焊点可靠性；
2、相比于贵金属镀层，镍锡镀层价格低廉，较低的成本却可实现引线框架高结合强度、高可靠性的焊接；
3、本发明在保证高可靠性焊接的同时也能满足焊点260℃回流焊不熔融的要求；
4、本发明在现有引线框架焊接的基础上只需通过改变引线框架的镀层及焊料铅（Pb）含量，即可达到表贴器件焊点要求，无需增加其它工序；整个方法简单，易于实施推广。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面将结合实施例对本发明进行进一步描述。
实施例1
本实施例的引线框架的焊接方法，焊接前先在引线框架的表面电镀一层0.5μm厚的镍底层，再在镍底层的表面电镀一层1μm厚的锡表层，然后进行涂抹焊膏、再流焊的后续操作；其中，焊接过程中使用的焊膏，其焊料合金为铅（Pb）含量为92wt%、银含量为4wt%的锡铅银（Sn/Pb/Ag）三元合金。
实施例2
本实施例的引线框架的焊接方法，焊接前先在引线框架的表面化学镀一层3μm厚的镍底层，再在镍底层的表面化学镀一层3μm厚的锡表层，然后进行涂抹焊膏、再流焊的后续操作；其中，焊接过程中使用的焊膏，其焊料合金为铅（Pb）含量为89.5wt%的锡铅（Sn/Pb）二元合金。
实施例3
本实施例的引线框架的焊接方法，焊接前先在引线框架的表面电镀一层2μm厚的镍底层，再在镍底层的表面电镀一层2μm厚的锡表层，然后进行涂抹焊膏、再流焊的后续操作；其中，焊接过程中使用的焊膏，其焊料合金为铅（Pb）含量为95wt%的锡铅（Sn/Pb）二元合金。
以上所述实施例仅表达了本发明的部分种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出的变形和改进都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种引线框架的焊接方法，其特征在于，焊接前先在所述引线框架的表面镀一层镍底层，再在镍底层的表面镀一层锡表层，然后进行涂抹焊膏、再流焊的后续操作；
所述焊膏中焊料合金的铅含量在89.5wt％～95wt％范围内；所述锡表层厚度为1～3μm；所述镍底层的厚度为0.5～3μm；通过控制锡表层的厚度，保证锡表面与焊料重融后的焊点的铅含量大于88wt％，以使焊点的熔点在260℃以上。
2.根据权利要求1所述的引线框架的焊接方法，其特征在于：所述的焊膏中焊料合金为锡铅二元合金。
3.根据权利要求1所述的引线框架的焊接方法，其特征在于：所述的焊膏中焊料合金为锡铅银三元合金。
4.根据权利要求3所述的引线框架的焊接方法，其特征在于：所述的锡铅银三元合金，银含量为5wt％以内。
5.根据权利要求1所述的引线框架的焊接方法，其特征在于：所述引线框架的镀镍方式为化学镀或者电镀。
6.根据权利要求1所述的引线框架的焊接方法，其特征在于：所述引线框架的镀锡方式为化学镀或者电镀。
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