军品元器件镀金引线和焊端的除金-无线电高级技师论文.docx

陕西东方航空仪表有限责任公司

高级技师论文

论文题目：军品元器件镀金引线和焊端的除金

2017年9月28日

目录

摘要
前言
一、 认识除金
二、 认知器件镀金引脚/焊端的除金
三、 金脆化造成的焊接不可靠案例
四、 什么是“金脆化”
五、 产生“金脆化”的几种情况
六、 金脆化产生的机理
七、 镀金引线/焊端的除金规定
八、 除金通用工艺
结论

摘要：

随着武器装备的集成化，高密度化和轻量化的发展，大量的运用了高密度的如BGA,CSP得到了广泛的应用，由此作为武器装备的核心的军用电子组件密度也越来越高，随着电子组件组装密度的提高，对于电子组件的组装技术也提出的更高的要求。然而，由于军品电子组件的种类繁多，导致其电子组件工艺复杂，加上我国的电子组装的工艺水平叫国际先进企业相比还有很大差距，有些军用企业还在沿用三四十年前的 DIP 时代年代的工艺思想或者 片面引用 IPC 标准为军用电子产品电子装联的质量判据，造成军用电子组件存在较多的工艺缺陷和可靠性的问题，大量存在润湿不良，焊点空洞，焊接机械强度差距和疲劳寿命低严重影响了军用电子组件的质量和可靠性。

前言：

随着我国的武器装备设计和制技术的不断的发展，武器装备也走向集成化，高密度化和轻量化。企业设计人员和工艺技术与其他企业还存在一定的差距，由原来的器件失效转移到焊点、PCB等相互失效，导致了一些武器装备性能降低的问题 。电子组件的三大件分别是 器件、 PCB和所有的焊点。其中任何一个部件出现问题将直接导致电子组件的失效，并最终影响到整个武器装备的可靠性。PCBA中各种功能和各种封装的器件都有， 如：电阻、电容、电感、接插件、晶振、集成块等等，每一个电子器件封装的形式也不同，所以对我们工艺要求会更高更细。对元器件管脚的预处理是非常必要的，本文就探讨下镀金引脚/焊端除金的必要性。
一、认识除金
元器件镀金引脚/焊端的除金一直困扰着这工艺人员和操作者。金是一种极好的抗腐蚀和抗化学性且焊接性良好因此电子元器件特别是接插件镀金引脚在电装中经常遇到，是否都要除金呢？所谓除金，就是在锡锅中将镀金引出端子进行搪锡。搪锡除金工艺对于插件元件、导线和各接线端子容易实现，但对于表面贴片元件，由于其引线间距窄而薄，容易变形失去共面性。搪锡除金处理几乎是不可能的，硬要强行操作只能造成批量报废。不除金故障概率低，或者从未遇到所以大家对除金重要性认识都不是很够。
二、金脆化造成的焊接不可靠案例。
1）2017年我单位某捷联航姿产品在做可靠性摸底试验中发现产品没有输出，经过初步判断发现产品的中的DSP不工作。打开产品检查了安装正确性、焊接质量并测试各电压一切正常。发现是DSP不工作造成产品无输入。按照以前的经验我们重新补焊接了DSP 、FALSH、FPGA并做了加胶固定后故障消除重新补做振动试验。试验做到一半发现故障又出现了，这次我们对DSP周边外围电路逐一排查发现没有12.00M频率。解焊下晶振（LCC封装模式管脚镀金），发现晶振四个引脚焊接面发现明显的不润湿和反润湿现象，断裂界面呈现出典型的脆性断裂失效特征。经过归零分析，认为带有加速度的振动条件是金脆焊点失效的最大外部条件，此外，冷热温差的启动环境也会加大失效的可能性。如下图

2）镀金天线簧片广泛应用于通信终端产品中，采用再流焊将其焊接在pcb板子上，如图所示。

镀金天线簧片再流焊后轻轻一敲就掉，焊接面发现明显的不润湿和反润湿现象，断裂界面呈现出典型的脆性断裂失效特征如图3. ，簧片弯曲裂缝非常明显。
3)航天产品金脆化案列
上个世纪八十年代，航天五院所在一个产品故障分析中，出现了“金脆”问题，当时谁都没有意识到是镀金引线没有除金，焊接后焊点产生金脆现象，产品出现严重的质量问题。该现象引起人们的注意，随后航天系统内部提出镀金引线在焊接前要进行搪锡处理问题。
近年来，除金问题在航天以及其他军工产品等需要高可靠性的产品上越来越多的提出来。航天二院706所的实验证明，如果镀金焊端和引线不进行糖锡处理就直接进行焊接，必将残生ausn4，导致焊点脆金。
因为脆金引起的焊接不可靠，我们对他都有个认识的过程；由于种种原因，我们个体人员可能在自己的工作中并没有认识到遇到或者没有认识到金脆化引起焊接不可靠的存在，但不能由此否定它的存在，从而采取错误的步骤导致严重的后果。

三、什么是“金脆化”
金是一种优越的抗腐蚀性材料，它具有化学稳定性高、不易氧化、焊接性好，耐磨、导电性好、接触电阻小、金镀层是抗氧化性很强的镀层，与焊料有很好的润湿性特点，但在需要软钎接的部位上有金确实有害的，会产生“金脆化”。所谓的“金脆化”，就是指在涂有金涂层敷层表面钎焊时，金向焊料中的锡中迅速扩散，形成脆性的金-锡化合物，如ausn4,这种化合物中，当金的含量达到3%时焊点会明显地表现出脆性，而且使焊点产生虚焊，失去光亮，呈现多颗粒状。根据文献称，这种扩散在0.08s就能发生。因此，现在凡是需要焊锡的表面都不允许镀金。
四、产生“金脆化”的几种情况
1）焊点钎料中混入杂质金金属
金在熔化的状态的锡铅合金中属于一种可溶金属，而且溶解速度很快。在手工焊接、波峰焊再流焊焊接过程中焊点钎料中混入杂质金属后，一旦含量3%（wt）焊点将明显出现脆性变得不可靠。IPC-2221A-2003,GJGB362B-2009,IPC-6012C,QJ3103A-2011，QJ831-2011规定0.45um;而GB/T19247.1(按IEC 61191-1)规定为不应超出0.15um。
2）直接焊接金属镀层
在直接焊接金属镀层时，锡/铅合金对镀金层产生强烈的溶解作用，镀金层与焊料中的锡金属结合生成金锡合金，使结合部的性能变得脆，机械强度下降，影响电气连接的可靠性。
3）维修
使用金镀层的表面产生的焊点存在维修时再次焊接困难，受振时容易产生疲劳断裂和容易向焊料的锡中扩散产生“金脆化”。
4）镀金层厚度的影响
（1）镀金层厚度小于1.27μm时，容易产生针孔，不能满足可焊性的要求：而且由于这种镀金层是厚底极薄，附着力差的多孔性镀金层，空气中的氧气能够很容易的深入到底层金属表面，对于基体金属产生锈蚀的作用。一旦用能够熔掉金的锡-铅合金焊接这种表面时金镀层完全被溶解到焊料中去，从而导致反润湿甚至不润湿现象。
(2)镀金厚度在1.27μm时，能在2秒时间内溶于低熔点的锡-铅焊料中。
（3）当镀金厚度大于1.27μm时，有足够的金元素向焊料中扩散而产生脆性。
5）搪锡锅锡料中含有金
五、 金脆化产生的机理
以图10所示的Au-Pb-Sn合金相图（176度等温截面）为例如下图，在含Sn量较多时，焊料中的Sn和Au容易形成针状等金属间化合物,在含金量较小的情况下,生成AuSn4为多数；针状的AuSn4位脆性化合物,在测试、应用及环境条件下极容易脆断,导致焊接断裂失效。

焊接时，Au和Sn-Pb焊料的相容性非常好，金在熔融状态的Sn-Pb合金中属于一种可溶金属而且溶解的非常快。

六、 镀金引线/焊端的除金规定
美国NASA及美国军标DOD-STD-2000-1B，IPC J-STD-001D CN和我们的QJ3012，QJ3117A及SJ20632都相继作出“在需要钎焊部位的金涂敷层，应钎接前全部清除，因为这种脆性的金-锡化合物所构成的连接部位，是特别不可靠，因此现在凡是需要钎焊的表面都有不允许镀金，原来已有的也应该出去“的规定。
GJB128A、GJB548B、QJ3267和由中国国家国防科工局下达、中国电子科技集团牵头，和中国电子集团旗下四十多个科研所电子装联工艺人员集体研究测定，得到国家国防科工局、中国电子科技集团和中兴通讯等著名专家认可，通过了国家鉴定和验收，并以中国电子集团名义下发实施的“电子装联焊接工艺质量控制要求”相继确定镀金引线的搪锡和除金的规定及提出具体实施工艺。
各各标准和文学对镀金表面处理问题明确提出，本文列出国内为军工行业标准有关镀金表面除金的要求:
标准代号
内容
IPC/EIA J-STD-001E
如果在审核时有证据证明金没有导致与焊接加工有关的焊料变脆的存在，那么这些要求可以免除。并且规定大于2.5μm的镀金表面去金，去金面积应该大于95%。
IPC J-STD-001E-2010
情况应当进行除金处理
a）通孔元器件引线至少95%待焊表面上有厚度大于等于2.54μm[100μin]的金层 ；
b）表面贴装元器件95%的待焊表面有金，而无论金层有多厚 ；
c）焊接接线柱的待焊表面有厚度达到2.54μm[100μin]或更厚的金层
d）将元器件安装到组件之前，双上锡工艺或动态焊料波都可用于除金；对于下列情况，可豁免相关要求
e）如果有备作审核的文档化客观证据证明，金没有导致与所采用焊接工艺相关的焊点变脆问题 ，或其他金属表面涂层焊点完整性问题；
f）对于化学镀镍浸金（ENIG）、镍-钯-金（NiPdAu）或化学镀镍镀钯浸金（ENEPIG）涂层；

QJ3012-98
一般情况下，不允许在镀金层上直接进行焊接，引线表面金镀层大于2.5μm 需要经过两次搪锡处理，小于2.5μm应该进行一次搪锡处理。
QJ3011-98
对镀金的元器件应该搪锡处理（高频器件，微波器件除外。）
QJ3267-2006
a）一般不应该在镀金层上直接进行焊接。若表面镀金层厚度小于2.5μm，可以进行一次搪锡处理，否则应二次搪锡处理以达到除金的目的。
b）镀金引线用锡锅搪锡时，第一次应该在专用的镀金锡锅里搪锡。如果需要第二次搪锡，则应在锡铅锡锅里搪锡，两次搪锡分别在两个锡锅中进行，第二次搪锡要待电子元器件冷却后再进行。第一次搪锡的锡锅不可用于非镀金引线的搪锡，锡锅中的焊锡应该经常更换。
c）镀金引线的搪锡一般仅局限于焊接部位的线段。
QJ3117A-2011
镀金的导线线芯、电子元器件的引线及焊端等，应该按QJ3267-2006的规定进行除金与搪锡。
QJ165B-2015
镀金引线或焊端均匀应进行除金处理，不允许在镀金引线或者焊端上直接焊接，镀金引线除金处理应符合QJ3267规定，要求如下：
a)镀金引线除金应该进行两搪锡处理。两次搪锡应该在两个料槽中操作；
b）镀金引线搪锡的焊料槽，应定期分析焊料中的金和铜的总含量不应该超过0.3%，否则应该更换焊料；
c）镀金引线的搪锡一般仅限于焊接部位。
无可争议在高可靠电子装联元器件焊接中规定必须用铅锡合金焊料，特别是在航天军工行业的生产中，为了防止金脆，镀金的引线和接线端子必须经过搪锡处理。
七、 除金通用工艺
7.1手工除金法。
使用恒温烙铁进行手工搪锡，搪锡温度为260对到280度，时间控制在2~3秒，然后用,然后用吸绳加热后吸除表面的搶锡层,若表面度金层大于2.5μm,应该再进行一次搪锡处理。
由于般金层厚度有时很难判断. 一般全部法二次搪锡处理,该方法同样通用连接器锡杯的去金处理。
手工搪锡法,建议使用补温速度快的恒温烙铁,以保证足够温度稳定度。
1)为保证搪锡的度量和器件的安全, 搪锡工艺应采用手工焊接工艺参数，并结合元器件生产厂家提供的元器件温度指标。
2)智能恒温焊台要选用回温速度较快的设备以及合适形状的烙铁头，并配合吸锡绳或吸锡器.对器件进行搪锡处理。
3) 搪锡时要注意对器件采取散热措施，防止器件过熟损坏器件。
搪锡步骤
第一步:按照工艺文件设定焊台温度并给器件引线分别施加焊锡,注意搪锡范围做好器件散热保护。
第二步,使用工具和和设备把器件引线上的焊锡去掉。
搪锡温度、搪锡位置和热保护工艺文件中应该明确规定。若没有规定请遵照QJ3267-2006《电子元器件搪锡工艺技术》执行。
7.2手工锡锅除金法
采用双锡锅除金法,首先将已涂覆助焊剂的金引脚在专用去金锡锅中浸2s~3s。温度可按照QJ3267-2006《电子元器件搪锡工艺技术》执行。
之后再将引线浸入善通锡锅中进行二次搪锡。时间和温度和第一次相同。注意第二次搪锡应当让元器件自然冷却后在进行。操作时应该用纱布对引线根部进行保护，防止焊料沿着引线爬升损坏元器件本体,对玻璃封装二般管等热敏器件要进行散热处理。
7.3 返修工作站再流焊除金方法
利用返修工作站表面贴装器件镀金引线进行除金的技术是一种新型的搪锡工艺技术方法,它是通过设置合理的返修工作站温度曲线, 在印刷有锡膏的专用搪锡工装上法上对器件进行搪锡的技术,。整个工艺过程如下
1）设计专用应搪锡的印制板。
2）在专用器件搪锡的印制板上印制锡膏
3）使用返修工作站把器件安装打到搪锡工装印有锡膏的焊盘上
4）使用设置好的温度曲线对器件进行搪性处理。
5）待焊料熔化一定时间后在降温前把器件有焊盘上取下。
6）采用吸锡枪或者吸锡编带吸除表面焊料
7)最后使用返修工作站对器件进行散热处理,从而达到搪锡的目的.
为了能够使无引线度金表贴装器件返修工作站搪锡技术正确可靠实施.正式生产前总结和优化出一条合理的搪锡温度曲线 ,从而确认搪锡温度曲线的合理。,用返修工作站再流焊搪锡.实除上是“先焊后拆”通过返修工作站进行再流焊接使表面贴装器件镀金焊端搪上一层 sn-Pb合金，达到镀金焊端除金的目的。
在用返修工作站再流得对无引脚表面贴装器件镀金焊端进行搪锡工艺中,返修再流择峰値温度230C~235℃,要求焊点的升温速率要小于
3.0℃/,整-个过程控制在60-80的秒之间。
1.8、有引线表贴器件的除金
目前尚有一部分有引线表贴器件焊端是镀金的。如图是航天二院提供引脚间距为0.5mm的翼型一脚镀金（flash芯片）我们可以采取手工除金法或者返修工作站除金法。

八、无引线表贴器件的除金
目前我们所常见的主要表贴器件镀金的有LCCC、QFN、QFP等封装器件,对于无引脚的镀金表贴器件焊接前不除金危害极大，如案例一表贴晶振的脆金，很难程度上承受温度循环试验和振动试验。这些器件应该经过有效、可靠地除金。可采取返修工作站除金法。对于QFN器件中心有接地焊端，可以采取手工除金法进行二次除金。
九、 连接器锡杯的除金
电连接器镀金锡杯表面金层分析 由于镀金接触件具有良好的耐腐蚀、电阻率低、表面不易受环境影响而变化、接触电阻小且稳定、耐磨损和抗氧化特点，为了得到高可靠性的电连接器故采用镀金插件。
高可靠的电连接器接触偶金镀层厚度存在0.4μm到30μm的巨大差异，（来自厂家信息）而我们电子装联工艺人员既不了解也很难把控，极易给金脆化的留下隐患，造成质量失控。

对高密度电连接器镀金引线除金和镀金锡杯除金在：GJB128A、和GJB548B 做出了明确规定，QJ3267规定了电连接器焊锡杯搪锡的工艺流程、操作方法和质量判据。
结论
实际上，无论是3%的含金量还是2.5μm或1.3μm厚的镀金层，工艺人员都需要获取明确的元器件引脚和端子表面的金层厚度的信息，否则工艺人员和操作人员既不了解也很难把控。是小于0.3μm不除金呢还是大于0.3μm的镀金引线和端面呢；况且无论是电镀金还是化学镀金一个接插件上的电偶上的金层也会有差异。所以我认为在需要焊接部位的金涂覆层，应该在焊接直接全部消除，因为这种脆性的金-锡化合物所构成的连接部，是特别不可靠的。因此按军表所规定的：“凡是需要焊接的表面都允许镀金，原来已经有的必须去除。”
我们不能把“金脆化”误认为是“虚焊”，因此我们不能应为故障概率低，或者从未遇到而忽视镀金引线和焊端除金的重要性和必要性。

参考文献：
IPC/EIA J-STD-001E 焊接的电气和电子组件要求
IPC J-STD-001E-2010 焊接的电气和电子组件要求
QJ3012-98 航天电子电气产品元器件通孔安装技术要求
QJ3011-98 航天电子电气产品焊接通用技术要求
QJ3267-2006 电子元器件搪锡工艺技术要求
QJ3117A-2011 航天电子电气产品手工焊接工艺技术要求
QJ165B-2015 航天电子电气产品安装通用技术要求

陈玉海
2017/9/28

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