关于插装元器件透锡率及IMC层厚度的研究分析

关于插装元器件透锡率及IMC层厚度的研究分析

宋嘉宁

移动通信国家工程研究中心   （中国电科集团第七研究所-广州市弘宇科技有限公司）

摘要：在高可靠性应用的场合，对电路板卡的焊接要求很高。对于插装元器件，其透锡率和IMC层厚度都有严格要求。本文描述了如何选用合适的工艺方法和工艺参数，才能同时保证透锡率和IMC层厚度符合要求。

关键词：透锡率   IMC层厚度  选择性波峰焊

1、焊接原理概述

焊接是用焊料使结合点表面润湿且在两个金属部件之间形成冶金的键合。焊接过程可粗略的分为三个阶段：1）、扩散 ，2）基底金属溶解 3）金属间化合物层（IMC层）的形成。

对于插装元器件的焊接而言，透锡率是指焊料在焊孔内扩散填充的程度，根据标准“QJ 165C-2021 航天电子电气产品安装通用技术要求”，透锡率要达到100%；IMC层形成于锡铅焊料和基底金属铜之间，主要成分是Cu6Sn5和Cu3Sn，行业内通常认为其厚度在1~3um时有比较理想的机械强度【1】。

2、焊接工艺选择

2.1 背景

随着表面贴装和回流焊接技术的应用，元器件的片式化比率逐渐提高，但对于连接器、大功率电感和电容等，仍然以插装元器件为主，其焊接工艺仍不能完全淘汰。对于航空航天等高可靠性应用的场合，电路板卡的焊接要求很高，对于插装元器件，必须选用合适的工艺方法才能满足高可靠的质量要求。

2.2 工艺选择

目前而言，插装元器件的焊接工艺有：手工焊接、波峰焊接、选择性波峰焊接、焊接机器人等。

随着板卡层数的不断增加，要保证透锡率和IMC层厚度两个参数同时满足，工艺窗口很小，难度较大。目前新兴工艺焊接机器人虽然可以部分替代手工焊接，但对于密脚的元器件和大面积接地的场合仍不适用。传统上采用的手工焊接和波峰焊接仍有弊端：手工焊接在大面积接地的情况下，很难保证透锡率100%，要达到透锡率的要求，IMC层厚度就会超出3um的要求，甚至造成焊盘翘起和脱落。传统波峰焊接，虽然能满足质量要求，但对于插装元器件很少的板卡不太适用，一是需要开制专用治具，增加成本；二是整板都需要通过波峰，影响板卡的可靠性。而选择性波峰焊接只针对焊接部位进行波峰焊接，完美利用了波峰焊接的优点，避开其缺点。

3、试验及分析

3.1 材料选用

选用不同封装的插装元器件，然后根据元器件设计专用PCB板（见图1，PCB尺寸：90mm*43mm*2mm， PCB层数：4层，2内层为接地层）。元器件封装包括轴向元器件、径向元器件、单列直插、双列直插以及多列直插；

焊料选用Sn63Pb37有铅焊料。

               图1    PCB装配图  

3.2 工艺参数设定

根据“QJ2600A-99 航天电子电气产品波峰焊接工艺技术要求”中规定，焊接温度应设置为255℃±5℃。但对于选择性波峰焊接来说，热容量较传统波峰焊接较小，另外需考虑不同元器件的接地情况，所以应在标准基础上进行调整。根据焊接理论，保证实测焊盘温度高于熔点30℃~40℃，可形成良好的IMC层厚度，进而保证焊接可靠性。

有铅焊料的熔点为183℃，根据上述，调整合适的设置温度，保证其实际的焊接温度（实测PCB焊盘温度）在213℃~223℃范围内即可（见表1）。

表1  焊接参数及焊盘接地情况

3.3 焊接结果

焊接完成经外观检验合格后，送第三方有资质的检测机构进行切片分析，分析结果：透锡率满足100%要求（个别器件由于引脚氧化没有满足），IMC层厚度满足1~3um的要求（见表2）。部分器件的切片分析图见图2和图3。  

表2  焊接结果

                           图2  连接器部分引脚切片显微镜图片

                          图3  连接器部分引脚切片SEM图片

4、结论

对于高可靠性应用的板卡，如果要保证插件器件100%的透锡率以及IMC层厚度1~3um的要求，尤其对于层数较多的精密板卡，优先选择“选择性波峰焊接”工艺。

针对插装元器件不同的接地情况，需灵活设置参数：没有接地的元器件，可设置245℃~255℃；对于单层接地的元器件，可设置260℃~270℃；对于双层接地的元器件，可设置280℃~290℃。另外此试验板卡尺寸是90mm*42mm，如果实际尺寸有差异，应根据情况灵活调整并测温确认。

参考资料：

【1】IMC太厚or太薄均影响焊点可靠性，厚度到底多少才合适？（美信检测）

https://www.mttlab.com/2018/1108/688.html