1 元器件元器件镀金镀金引线引线/ /焊端除金搪锡终结篇焊端除金搪锡终结篇（四）（四） 中国电子科技集团公司第十研究所 陈正浩 五五.镀金镀金 PCB 焊接中产生的金脆化案例焊接中产生的金脆化案例 “除金”问题不但涉及到元器件，也涉及到电路板。 在 PCB 焊接中，大量的元器件的引线和焊端的镀层都不镀金，但如果 PCB 焊盘表面是镀金的，也同样会产生金脆化现象。 例如，PCB 焊盘表面的镀层是化学镀 Ni-Au（ENIG）会怎么样？ 1.试验证明：当 PBGA 在化学镀镍/金焊盘表面贴装并按常规再流焊接后， 再在 150温度下烘烤 2 周后进行第二次再流焊接也将产生 AuSn4，并进 入焊点，从而产生金脆化。 2 图 42焊点在不同条件下的切面 SEM 图 图 42（a）表示刚再流焊后的试样，在焊料和 PCB 基板焊盘界面仅有 一层薄的 Ni3Sn4 层，在焊料中有 AuSn4 颗粒； 图 42（b）表示经过烘烤的试样，Ni3Sn4 层长大，AuSn4 从焊料内部 向焊料和 PCB 基板的界面迁移。 由于金属间化合物中 Au 和 Sn 的比为 1:4， 所以即使很少量的 Au 也会生成较厚的 AuSn4。 图 42（c）表示经过烘烤再进行再流焊的试样焊点，AuSn4 化合物从 界面溶解进入焊点。 2.试验证明：PBGA 组件在 150老化两周后的金脆，表明主裂纹在 Au-Sn 化合物和 Ni-Sn 化合物间扩展，裂纹穿过了 Ni3Sn4 和 Ni（P）+层，如图 43（a）所示。 3 图 43PBGA 组件在 150老化两周后的金脆 图 43（a） （b）所示为 PBGA 一侧的 SEM 图。图中亮的区域为 AuSn4 化合物，暗的区域为 Ni3Sn4 化合物，亮的斑点为富 Pb 焊料。 图 43（c） （d）所示为 PCB 一侧的 SEM 图。图中亮的区域为 Ni3Sn4 化合物，暗的区域为 Ni-P，亮的斑点为富 Pb 焊料。 老化后 PBGA 组装件的断裂位置如图 44 所示，其断裂方式与上两种 不同，它是在界面处的分层断裂而不是焊料的脆性断裂。 图 44老化后 PBGA 组装件的断裂位置 这些镀金的这些镀金的 PCB 焊盘都存在金镀层是否需要焊盘都存在金镀层是否需要“除金除金” ，应该引起我们应该引起我们 的高度重视。的高度重视。 六六.镀金引线除金的争议镀金引线除金的争议 4 1.“镀金引线的除金处理镀金引线的除金处理”事关大局事关大局 目前业界个别人对镀金引线的除金处理的必要性和可行性颇有微词。 中国工程物理研究院电子工程研究所董义和尹桂荣两位工艺人员在 板级装配中电子元器件镀金引线处理 一文中指出： “目前国内电子行业 中对镀金引线的“去金”要求执行很差，争议也很大。有些工艺人员甚至 不知道有镀金引线的“去金”要求。有些单位也从未组织过相关问题的讨 论，在工艺文件中也没有“去金”工艺要求。行业内对“金脆”的认识肤 浅，相关的“去金”工艺要求更加薄弱，总以为数十年的产品并没有“去 金”要求，焊点的质量也没有出过问题。有的工艺人员认为自己搞了几十 年，也并没有遇见过“金脆” ” 。 航天二院 706 研究所张永忠研究员说：“很多单位因为间距太密认为去 金没有必要，其实这是个误区，实际上是把必要性和可行性混杂了” 。 航天产品和民用手机由于“金脆”暴露的巨大隐患给工艺人员敲响了 警钟。为了满足广大电路设计人员和电装工艺人员的需求，笔者在航天五 院和航天九院的协助下对此进行了长达 4 年的专题研究和分析，依据现有 试验数据和国内外标准详细研究了镀金引线的除金处理方法。 实施 “镀金引线的除金处理”绝非小事；航天五院总工艺师范燕平曾 与我通电话，说到中国电科某研究所一位已经退休的工艺人员发表一篇题 为试论电子装联禁（限）用工艺的应用论文，文章中否认“元器件镀 金引线/焊端除金处理” 的必要性和可行性， 问我知不知道此事， 我说知道。 范总说该文几经转载流传国外， 对我国航天/航空等高可靠电子产品的 可靠性提出了质疑，造成了工作上的被动局面，也对国内电子装联技术业 5 界起到了误导作用。 我对范总说，针对试论电子装联禁（限）用工艺的应用中的错误 观点，我从 2011 年 11 月起陆续在百度文库和深圳现代表面贴装咨询 发表了 再论镀金引线除金处理的必要性与可行性 三论电子元器件镀金 引线的“除金”处理等三篇论文，受到高度关注，浏览者众多，下载者 踊跃；为了满足广大业内朋友的要求，笔者在 2013 年第七届中国 SMT 高 端论坛上发表了SMD 与 HDI 电连接器镀金引线/焊杯去金处理论文， 对五年来有关“除金”问题的争论进行全面的总结。 禁限用工艺的实施事关高可靠电子产品的可靠性。范总对我说，他已 电告该所质量处长，强调必须坚持禁限用工艺规定的要求，镀金引线/焊端 在用铅锡合金焊接前必须按要求进行“除金”处理。 2.对对 GJB/Z163印制电路组件装焊工艺技术指南印制电路组件装焊工艺技术指南第 第 4.1.5 条条“关于镀金关于镀金 引脚器件的处理要求引脚器件的处理要求”的剖析的剖析 业界内有人对元器件镀金引脚“除金”处理的必要性提出质疑，并以 元器件镀金引脚“除金”的难度为由否定元器件镀金引脚“除金”处理的 必要性。 有人反复提到所谓“已经得到业界专家、从业人员、学者的广泛认可” 的新的国军标 “对元器件镀金引脚给出的有条件进行除金要求” 。 这个 “新” 的国军标就是“GJB/Z163印制电路组件装焊工艺技术指南 ” 。 禁止在镀金引线/焊端进行锡铅合金焊接是禁限用工艺的重要内容。 GJB/Z163-2012 第 4.1.5 条“关于镀金引脚器件的处理要求”规定： 1） “当元器件引脚或引出端是镀金时，其金的镀层小于 1.3m 的，采用手 6 工焊接时，不需要除金” 。 “当元器件引脚处的金含量小于 3%时，不需要引脚除金”。 第一句话“当元器件引脚或引出端是镀金时，其金的镀层小于 1.3m 的，采用手工焊接时，不需要除金”的规定是不正确的： （1） 无论设计人员、 工艺人员和操作人员都很难掌握元器件引脚或引出端 金镀层的厚度； （2）当镀金引线（包括与印制电路板相匹配的微矩形连接器）应用于波峰 焊接时（包括选择型波峰焊接） ，由于波峰焊本身是动态焊料波，又是两次 焊接（第一次是紊乱波等，第二波为宽平波） ，因此不需要预先除金， （IPC J-STD-001D-2005） 。 （3） “金的镀层小于 1.3m 的，采用手工焊接时，不需要除金”的依据是 什么？手工焊接是二次焊接吗？手工焊接可以避免金脆化吗？但手工焊接 不属于动态焊料波，因此需要对镀金引线预先除金。 2） “当元器件引脚处的金含量小于 3%时，不需要引脚除金”。 （1） “元器件引脚处的金含量小于 3%”的提法不妥：按照 GB/T19247.1 和 IEC 61191-1 的规定： “为符合为了使焊料在金镀层上脆裂最小，任何焊 点上的金总体积不应超过现有焊料体积的 1.4%（即质量的 3%） ” 。 （2）这个数据是由元器件的生产厂商提供还是由元器件的使用方检测？ （3）元器件引脚处的金含量小于 3%如何控制？是不是首先要对每一个元 器件引脚镀金层的金含量进行定量分析，然后对每一个被焊端子焊料量进 行定量分析，最后计算出它们之间的百分比？上述规定没有可操作性。 如果把这两个数据作为是否需要进行引脚除金的依据，按照军品装机 7 用元器件必须 100%进行筛选的规定，不管元器件的生产厂商能否提供上 述依据，元器件的使用方仍然必须复验；那么是否每一个元器件的使用方 都必须在入库检验时增加一道元器件引脚镀金层厚度的检验？即使做到了 这一条，那么对于元器件引脚的镀金层的金含量与被焊端子焊料之比小于 2%又如何控制？是不是首先要对每一个元器件引脚镀金层的金含量进行 定量分析，然后对每一个被焊端子焊料量进行定量分析，最后计算出它们 之间的百分比？没有可操作性。 2009 年，航天五院总工艺师范燕平在访德期间就此事咨询了德国科研 人员，德国科研人员向来以技术上的严谨而闻名，他们说：3%金含量很难 控制，也不了解，因此应严格执行镀金引线的除金规定。 实际上，无论是 3%金含量还是 2.5m 或 1.3m 厚的镀金层，工艺人 员都需要获取明确的元器件引线和焊端表面金镀层厚度的信息，否则工艺 人员和操作工人既不了解也很难把控，要么以为金镀层小于 1.3m 而不除 金，要么金镀层有多厚全部作除金搪锡处理。甚至于个别时候对是否是镀 Au 引线/焊端都难以确定和把握。 而要获取明确的元器件引线和焊端表面金镀层厚度的信息也有不少难 度，即使是电装工艺人员也必须“有心” ，设计人员和管理人员就更难了。 在这种情况下在这种情况下，高可靠电子产品的工艺人员和操作人员唯一能做的是高可靠电子产品的工艺人员和操作人员唯一能做的是 对所有不应用对所有不应用“双上锡工艺和动态焊料波工艺双上锡工艺和动态焊料波工艺”即波峰焊工艺的元器件即波峰焊工艺的元器件 镀金引线和焊端一律进行镀金引线和焊端一律进行 2 次搪锡除金处理。次搪锡除金处理。 相比之下， QJ165B-2014 和 QJ3117A-2011 的规定就明确得多， 好得多， 容易操作得多。 8 QJ3117A-2011 规定： “镀金的导线芯线、电子元器件的引线及焊端等， 应按 QJ 3267-2006 的规定进行除金与搪锡” 。 QJ165B-2014 规定：镀金引线或焊端均应进行除金处理，不允许在镀 金引线或焊端上直接焊接，镀金引线除金处理应符合 QJ3267 规定，要求 如下： a）镀金引线除金应进行两次搪锡处理。两次搪锡应分别在两个焊料槽 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 超过 0.3%，否则应更换焊料； c）镀金引线的搪锡一般仅局限于焊接部位。 七七.结语结语 “在需要钎接部位的金涂敷层在需要钎接部位的金涂敷层，应在钎接之前全部消除应在钎接之前全部消除，因为这种脆因为这种脆 性的金性的金-锡化合物所构成的连接部锡化合物所构成的连接部，是特别不可靠的是特别不可靠的。因此现在凡是需要锡因此现在凡是需要锡 焊的表面都不允许镀金焊的表面都不允许镀金，原来已有的也必须除去原来已有的也必须除去”是国内外众多军品和民是国内外众多军品和民 品锡焊时的标准规定；品锡焊时的标准规定；然而人们对“金脆化”的危害性认识严重不足，有 的甚至把“金脆化”误认为是“虚焊” ，从而对已经在国内外各类标准中反 复强调的除金要求重视不够。 对于普通民用电子产品，例如上面详细叙述的发生在手机镀金天线簧 片，由于未除金，导致焊接面发现存在明显的不润湿或反润湿现象，断裂 界面呈现出典型的脆性断裂失效特征， 严重影响产品质量， 甚至失去市场。 而对于航天军用电子产品，如果产生金脆化，则可能导致弹毁人亡、 星毁人亡、机毁人亡的严重后果！ 9 本文是整个镀金元器件引线/焊端和镀金的 PCB 焊盘“除金”工艺的 一个部分， 是笔者历时五、 六年与航天五院总工艺师范燕平、 航天九院 539 厂总工艺师李其隆、中兴通信樊融融教授以及其他工艺人员共同研究的成 果。 例如元器件中的电连接器的焊杯，QFN 的接地面，有铅元器件引线/ 焊端的 Ni-Au 镀层，无铅元器件引线/焊端的 Ni-Pd-Au 镀层；这些元器件 引线/焊端镀金层中的含金量如果超过 3%又不除金会怎么样？ 关于金脆的问题，贝尔研究所的弗高尔顿福克勒和马尔丁-欧兰德公 司的杰德凯列尔等的研究报告中都有详细的分析。 一般情况下， 焊接的时 间短，几秒内即可完成，所以金不能在焊料中均匀地扩散，这样就会在局 部形成高浓度层。如果焊料中的金含量超过 3%，焊出来的焊点就会变脆， 机械强度下降。 国内外航天军工系统对于元器件镀金引脚“除金” ”是做的最好的，我 们从表 1