一種引線框架的焊接方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種引線框架的焊接方法，其特征在于，焊接前先在所述引線框架的表面鍍一層鎳底層，再在鎳底層的表面鍍一層錫表層，然后進行涂抹焊膏、再流焊的后續(xù)操作。本發(fā)明通過鍍一層錫表層作為鎳底層的保護層，可以防止鎳底層氧化，提高引線框架的可焊性；防止黑盤、金脆現(xiàn)象的發(fā)生，降低界面空洞的發(fā)生幾率，提高焊點可靠性；本發(fā)明在現(xiàn)有引線框架焊接的基礎(chǔ)上通過改變引線框架的鍍層及焊料鉛（Pb）含量，即可達到表貼器件焊點要求，無需增加其它工序；整個方法簡單，易于實施推廣。
【專利說明】一種引線框架的焊接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種引線框架的焊接方法，屬于SMD表面貼裝器件領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在微電子制造領(lǐng)域，表面貼裝SMD封裝器件一般都采用引線框架塑封封裝技術(shù)。用于軟釬焊的引線框架一般選用銅或磷青銅材質(zhì)。為了使SMD表貼器件能滿足260°C回流焊的要求，一般都采用高熔點高鉛焊料Snl0Pb88Ag02以防止焊點受熱熔化。Snl0Pb88Ag02熔點為:268°C (固相線)~290°C (液相線)。固相線大于260°C，并且Pb含量大于85被％而滿足RoHS豁免要求。由于該合金熔點較高，高溫釬焊時會氧化引線框架基材，所以必須對引線框架進行表面處理。用于軟釬焊的表面涂覆物常見的有鍍錫。在PCB樹脂電路板中的焊盤廣泛的采用表面涂覆錫的方式。表面涂覆錫能增加焊料的潤濕性能，提高焊料的釬焊性能。但是，SMD表貼器件由于采用的是Pb含量只有88wt%的Snl0Pb88Ag02焊料，引線框架采用鍍錫的方式會引發(fā)如下問題:由于Sn的熔點為231.9°C，在引線框架焊接時引線框架鍍層中的錫重新熔化，并與Snl0Pb88Ag02焊料重融，使焊點中的Sn含量增加，Pb含量降低；焊點合金成分的改變會導(dǎo)致焊點的熔點發(fā)生變化，一旦熔點固相線低于260°C，SMD表貼器件將不能滿足260°C回流焊的要求；另外，當(dāng)Pb含量由88wt%下降到85wt%以下的時候，SMD表貼器件將不滿足RoHS豁免的要求。由于鍍錫層重融的問題，所以引線框架一般都采用耐高溫的鎳(Ni)、鎳金(Ni/Au)或鎳鈀金(Ni/Pd/Au)鍍層。此三種鍍層一方面能防止引線框架銅基材氧化，另一方面提高釬焊性。為方便后面闡述此三種鍍層各自的優(yōu)缺點，先介紹兩個專業(yè)名詞。
[0003]名詞一:焊膏
[0004]焊膏是軟釬焊中非常重要的一種焊接材料，是一種由焊料合金與助焊劑均勻攪拌形成的膏狀混合物。其中，助焊劑中主要的助焊成分為松香和活性物質(zhì)。焊接時，松香在焊料熔融之前將母材銅(Cu)及焊料表面的`金屬氧化膜清除。微量的活性物質(zhì)能促進強化松香清除氧化膜的能力。松香對銅氧化物的清除作用可以用如下化學(xué)反應(yīng)式描述:
[0005]2C19H20C00H+Cu20 — 2C19H20C00Cu+H20 ?
[0006]焊料及母材潔凈的表面有助于焊料在熔融狀態(tài)時與母材發(fā)生潤濕、擴散、溶解、冶金反應(yīng)，進一步形成金屬間化合物MC，實現(xiàn)軟釬焊接。目前行業(yè)中軟釬焊料以錫(Sn)基最為常見。熔融狀態(tài)下軟釬焊料中的錫(Sn)與母材中的銅(Cu)能夠迅速發(fā)生冶金反應(yīng)形成良性η -Cu6Sn5的錫銅合金IMC層。若此時繼續(xù)對IMC結(jié)合部加熱，母材中的Cu原子將繼續(xù)快速向界面合金MC層中擴散，最終形成惡性的ε -Cu3Sn合金。
[0007]名詞二:再流焊。
[0008]再流焊是SMT(表面貼裝技術(shù))工藝中一種比較常見的的焊接技術(shù)。在溫度曲線上再流焊的特點是一般溫度分布為四個區(qū)。
[0009]①預(yù)熱區(qū):對基板及器件進行預(yù)熱，減少基板及器件間的溫差；同時焊膏中的溶劑揮發(fā)。[0010]②浸潤區(qū):此溫區(qū)的溫度達到松香熔點及活性劑的活性溫度，助焊劑中活性物質(zhì)活化，清除基材及釬料氧化物，為后面的釬料焊接做準備。
[0011]③再流區(qū):此溫區(qū)溫度達到釬料的熔點，熔融的焊料與潔凈的基材發(fā)生冶金反應(yīng)。
[0012]④冷卻區(qū):此溫區(qū)快速降溫，焊點冷卻。
[0013]名詞介紹完畢，下面對三種鍍層其各自優(yōu)缺點一一解析。
[0014]鍍鎳(Ni):
[0015]Ni涂覆層具有表面較平、穩(wěn)定性較高、貨架壽命長、成本低等優(yōu)點，但其焊接性能表現(xiàn)并非十分突出。Ni鍍層與Sn基焊料能發(fā)生冶金反應(yīng)形成N1-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鍍層界面生成的合金MC相當(dāng)薄。由于這一特點，Ni可以作為可焊接的阻擋層阻擋Cu原子向釬料中擴散。另外，Ni并非極其穩(wěn)定，在空氣中，Ni與氧反應(yīng)，在其表面會生成一層極薄的鈍化膜。此鈍化膜的主要成分為Ni的氫氧化物和氧化物，在一些場合下就是利用該極薄的鈍化膜防止空氣、酸、堿的腐蝕。也正是因為Ni鈍化膜的“鈍性”，焊膏中的助焊劑對鈍化膜起不了作用。因為環(huán)保焊膏中助焊劑活性一般為低活性，其主要清除的氧化物對象為銅氧化物和錫氧化物。這樣，Ni鍍層在焊接上就帶來了一個比較大的問題:如果基材鍍Ni層被鈍化，焊接時容易出現(xiàn)潤濕不良，帶來虛焊、假焊問題；并且，容易形成界面空洞，最終引發(fā)焊點可靠性問題。
[0016]為了解決引線框架Ni鍍層可焊性差問題，中國發(fā)明專利201010293732.6《一種引線框架的焊接方法》公開了一種方法:用激光將引線框架表面Ni鍍層打磨掉，使引線框架裸露Cu基材，焊接時Sn基焊料直接與Cu基材冶金反應(yīng)生成MC，以此提高焊點結(jié)合強度。該發(fā)明能解決Ni層鈍化潤濕不良的問題，但是同時會帶來另外兩個問題:
[0017]①激光瞬間高溫會氧化Cu基材；
[0018]②Ni阻擋層被清除，Cu原子將不斷往釬料中擴散，容易導(dǎo)致MC生成過厚、ε -Cu3Sn 惡性 IMC0
[0019]鍍鎳金(Ni/Au)
[0020]Au鍍層屬于貴金屬鍍層，價格非常昂貴。Au是惰性金屬，所以其表面不會形成氧化物，也因此具有很低的電阻率。利用Au鍍層的惰性，在Ni鍍層表面再鍍一層Au，則可解決Ni層鈍化問題。在焊接的過程中，由于Au在Sn中的溶劑速度比較快,Au鍍層會迅速溶解在熔融焊料里，形成Au-Sn合金，并從界面層移出最終浮在焊點里面，因此Au鍍層不會形成界面合金物。Au鍍層溶解后，焊料進一步與Ni底層冶金結(jié)合形成N1-Sn界面合金MC。因此，鍍鎳金最終形成界面合金MC的仍然是N1-Sn，Au鍍層僅僅起保護Ni鍍層不被氧化的作用。鎳金鍍層由于金的防氧化性能為其提供非常好的可焊性。但是，其最大的缺點就是成本高。因為成本問題，一般鍍金層都比較薄。較薄的鍍金層又會帶來第二個問題:黑盤(黑鎳)現(xiàn)象。薄而多孔的Au層會導(dǎo)致Ni底層氧化，形成黑鎳，也即黑盤現(xiàn)象。黑盤的形成將會帶來非常大的焊點失效風(fēng)險。為了防止黑盤現(xiàn)象的發(fā)生，只能將Au層鍍厚。這樣除了增加成本外又會帶來第三個問題:金脆現(xiàn)象。Au溶解懸浮在焊點里面，Au在焊點里面成分比例超過一定范圍會增加焊點脆性。因此，IPC J-S-001D聯(lián)合工業(yè)標(biāo)準中第3.9.3節(jié)就提到關(guān)于除金的處理。在此引用其中一條“表面貼裝元器件95%的待焊表面有金，而無論金層有多厚”都需要除金處理，以防金脆問題。除金也即搪錫、浸錫。這樣鍍厚金除增加材料成本外還會增加人工成本。[0021]鍍鎳鈀(Ni/Pd)或鎳鈀金(Ni/Pd/Au)
[0022]Pd同樣屬于貴金屬鍍層。價格較Au便宜,但是成本仍然比較高。Pd鍍層由TexasInstr μ ment于1989年在發(fā)明專利89302939.7中公開。在焊接性能方面，相比于Ni鍍層及Au鍍層，Pd鍍層有如下優(yōu)點:
[0023]①Pd溶解速度比Au慢，但比Ni快，這有利于界面MC的生成；
[0024]②Pd鍍層的針孔率遠遠低于Au，可以防止黑盤現(xiàn)象。
[0025]以上兩個優(yōu)點使得Ni/Pd鍍層表現(xiàn)良好的可焊接性和穩(wěn)定性。在Ni/Pd鍍層表面再鍍一層很薄的Au層能進一步提高存儲的穩(wěn)定性。但盡管如此，Pd的高成本使其在釬焊方面未能得到很大的推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0026]本發(fā)明目的旨在提供一種弓丨線框架焊接方法，該焊接方法以較低的成本實現(xiàn)弓I線框架焊接，提高焊點結(jié)合強度，提高器件的可靠性；并使焊點滿足RoHS豁免要求和260°C回流焊不熔化的要求。
[0027]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0028]一種引線框架的焊接方法，其特征在于，焊接前先在所述引線框架的表面鍍一層鎳底層，再在鎳底層的表面鍍一層錫表層，然后進行涂抹焊膏、再流焊的后續(xù)操作。
[0029]鍍一層鎳底層一方面可以作為可焊接的阻擋層，阻擋銅原子擴散，防止MC生產(chǎn)過厚，另一方面可以減緩錫晶須的產(chǎn)生；而在焊接時，焊膏中的助焊劑將錫表層及焊料合金顆粒表面的氧化膜清除，當(dāng)再流焊溫度達到焊料合金的熔點后，潔凈的錫表層與焊料重融，接著焊料中的錫與鎳底層擴散、冶金形成nc。
[0030]進一步地，所述的焊膏中焊料合金為錫鉛二元合金。
[0031]進一步地，所述的焊膏中焊料合金為錫鉛銀三元合金。
[0032]進一步地，所述焊膏中焊料合金中的鉛(Pb)含量為89.5wt%?95wt%。因為引線框架上的錫表層與焊料重融會增加錫(Sn)含量，從而降低鉛(Pb)含量，但只需控制錫表層的厚度就能保證最終焊點里面的鉛(Pb)含量大于88wt%，即可使得焊點的熔點在260°C以上，滿足260°C回流焊要求。鉛含量不易過高，過高一方面會增加焊料的熔點，另一方面會加重鉛(Pb)偏析現(xiàn)象的產(chǎn)生，鉛(Pb)偏析現(xiàn)象的出現(xiàn)會致使界面結(jié)合強度急劇下降。
[0033]進一步地,所述的錫鉛銀三元合金中銀含量小于5wt%,添加量不為O,添加少量的銀可以提高焊料的潤濕性及焊點的氣密性，銀含量過多一方面會增加焊膏的成本，另一方面容易引發(fā)銀(Ag)的相變化問題而導(dǎo)致焊點失效。
[0034]進一步地，所述鎳底層的厚度為0.5?3μπι，鎳底層過厚會降低引線框架的延展性，引腳折彎時容易出現(xiàn)鍍層剝落或引腳斷裂現(xiàn)象；鎳底層過薄容易露底材，同時會降低其作為阻擋層的效果。
[0035]進一步地，所述錫表層厚度為I?3μπι，一方面可以保證鎳底層不會被氧化，提高釬焊性；另一方面當(dāng)焊膏中焊料合金的鉛(Pb)含量在89.5wt%?95wt%時，此厚度范圍內(nèi)的錫表層與焊料重融后不會使焊點最終的鉛(Pb)含量低于88wt%。
[0036]進一步地，所述引線框架的鍍鎳方式為化學(xué)鍍或者電鍍。
[0037]進一步地，所述引線框架的鍍錫方式為化學(xué)鍍或者電鍍。[0038]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為:
[0039]1、鍍一層錫表層作為鎳底層的保護層，可以防止鎳底層氧化，提高引線框架的可焊性；防止黑盤、金脆現(xiàn)象的發(fā)生，降低界面空洞的發(fā)生幾率，提高焊點可靠性；
[0040]2、相比于貴金屬鍍層，鎳錫鍍層價格低廉，較低的成本卻可實現(xiàn)引線框架高結(jié)合強度、高可靠性的焊接；
[0041]3、本發(fā)明在保證高可靠性焊接的同時也能滿足焊點260°C回流焊不熔融的要求；
[0042]4、本發(fā)明在現(xiàn)有引線框架焊接的基礎(chǔ)上只需通過改變引線框架的鍍層及焊料鉛(Pb)含量，即可達到表貼器件焊點要求，無需增加其它工序；整個方法簡單，易于實施推廣。
【具體實施方式】
[0043]為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，下面將結(jié)合實施例對本發(fā)明進行進一步描述。
[0044]實施例1
[0045]本實施例的引線框架的焊接方法，焊接前先在引線框架的表面電鍍一層0.5μπι厚的鎳底層，再在鎳底層的表面電鍍一層I μ m厚的錫表層，然后進行涂抹焊膏、再流焊的后續(xù)操作；其中，焊接過程中使用的焊膏，其焊料合金為鉛(Pb)含量為92wt%、銀含量為4wt%的錫鉛銀(Sn/Pb/Ag)三元合金。
[0046]實施例2
[0047]本實施例的引線框架的焊接方法，焊接前先在引線框架的表面化學(xué)鍍一層3μπι厚的鎳底層，再在鎳底層的表面化學(xué)鍍一層3 μ m厚的錫表層，然后進行涂抹焊膏、再流焊的后續(xù)操作；其中，焊接過程中使用的焊膏，其焊料合金為鉛(Pb)含量為89.5wt%的錫鉛(Sn/Pb) 二元合金。
[0048]實施例3
[0049]本實施例的引線框架的焊接方法，焊接前先在引線框架的表面電鍍一層2μπι厚的鎳底層，再在鎳底層的表面電鍍一層2 μ m厚的錫表層，然后進行涂抹焊膏、再流焊的后續(xù)操作；其中，焊接過程中使用的焊膏，其焊料合金為鉛(Pb)含量為95wt%的錫鉛(Sn/Pb)
二元合金。
[0050]以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的部分種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，做出的變形和改進都屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種引線框架的焊接方法，其特征在于，焊接前先在所述引線框架的表面鍍一層鎳底層，再在鎳底層的表面鍍一層錫表層，然后進行涂抹焊膏、再流焊的后續(xù)操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的引線框架的焊接方法，其特征在于:所述的焊膏中焊料合金為錫鉛二元合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的引線框架的焊接方法，其特征在于:所述的焊膏中焊料合金為錫鉛銀三元合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的引線框架的焊接方法，其特征在于:所述焊膏中焊料合金中的鉛(Pb)含量為89.5wt%?95wt%。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的引線框架的焊接方法，其特征在于:所述的錫鉛銀三元合金中銀含量小于5wt%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的引線框架的焊接方法，其特征在于:所述鎳底層的厚度為0.5 ?3 μ m0
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的引線框架的焊接方法，其特征在于:所述錫表層厚度為I?3μ m0
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的引線框架的焊接方法，其特征在于:所述引線框架的鍍鎳方式為化學(xué)鍍或者電鍍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的引線框架的焊接方法，其特征在于:所述引線框架的鍍錫方式為化學(xué)鍍或者電鍍。
【文檔編號】B23K1/20GK103752970SQ201310720184
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】金亮 申請人:廣州金升陽科技有限公司