基于鐵鎳基材引出端可焊性空穴問題研究

摘要：鐵鎳基材引出端可焊性試驗(yàn)后出現(xiàn)空穴現(xiàn)象。使用破壞性物理分析（DPA）后，可見該區(qū)域出現(xiàn)電鍍錫鉛鍍層局部剝離，電鍍鎳層完好，基材未見異常。采用純水超聲波對(duì)鍍后引出端進(jìn)行超聲波清洗，發(fā)現(xiàn)形態(tài)相似的空穴現(xiàn)象；對(duì)原鐵鎳基材進(jìn)行超聲清洗，出現(xiàn)形態(tài)相似的空穴現(xiàn)象。其與鐵鎳基材加工過程局部引入雜質(zhì)及再結(jié)晶織構(gòu)存在局部疏松有關(guān)。通過對(duì)基材增加超聲波清洗可使異常區(qū)域提前暴露，在后續(xù)框架電鍍鎳時(shí)，鎳離子填充異常區(qū)域，確?；呐c電鍍鎳層及電鍍錫鉛層間結(jié)合良好，從而有效改善引出端質(zhì)量。

作者簡(jiǎn)介：鄭惠茹（1983—），女，泉州，工程師，主要從事多芯組陶瓷電容器新產(chǎn)品與新工藝開發(fā)工作。

0   引言

科技的進(jìn)步，尤其軍工、航天工業(yè)工程以及高端民用領(lǐng)域等對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，但產(chǎn)品引出端可焊性后偶有空穴現(xiàn)象存在，其位置隨機(jī)分布，無法通過簡(jiǎn)易設(shè)備對(duì)產(chǎn)品引出端外觀進(jìn)行檢測(cè)，也無法通過抽樣破壞性物理分析（DPA）發(fā)現(xiàn)異常；同時(shí)，對(duì)異常樣品的DPA 分析反而會(huì)造成誤導(dǎo)，將問題點(diǎn)集中到電鍍的鎳層與電鍍的錫鉛層間結(jié)合問題，這使得對(duì)空穴的判定陷入困境。本次試驗(yàn)使用純水超聲波清洗發(fā)現(xiàn)成品空穴情況，并通過大膽設(shè)想，對(duì)鐵鎳基材進(jìn)行純水超聲波清洗，從而找到問題源頭，結(jié)合掃描電鏡成分分析，再次印證導(dǎo)致異常的根源，為解決該問題改善鐵鎳基材引出端質(zhì)量提供方案。

1 引出端鍍層質(zhì)量

1.1 常見引出端鍍層質(zhì)量問題

常見引出端鍍層質(zhì)量問題有針孔、空穴、鼓泡、起皮、腐蝕。

1.2 引出端鍍層質(zhì)量考核

通常電子元器件對(duì)引出端鍍層質(zhì)量考核有以下幾點(diǎn)：

1）鍍層外觀質(zhì)量：使用肉眼、放大鏡等或體式顯微鏡觀測(cè)鍍層，鍍層色澤均勻，結(jié)晶細(xì)密，一致性好。

2）鍍層厚度：使用破壞性物理分析方法（DPA）測(cè)量所電鍍的鍍層膜厚，或使用X 射線膜厚測(cè)試儀測(cè)量膜厚，以確認(rèn)膜厚是否符合所需要求。

3）鍍層可焊性：在蒸汽老化、濕熱老化或高溫老化后對(duì)樣品進(jìn)行焊槽浸焊或烙鐵焊，試驗(yàn)后觀察產(chǎn)品被浸漬部分的引出端質(zhì)量是否滿足要求。

4）鍍層結(jié)合力：彎折電鍍后的引出端，確認(rèn)是否出現(xiàn)鍍層起皮或脫落現(xiàn)象，能否滿足要求。

5）鍍層抗腐蝕能力：將產(chǎn)品置于鹽霧試驗(yàn)環(huán)境中，試驗(yàn)后確認(rèn)產(chǎn)品引出端鍍層質(zhì)量是否滿足要求。

2   鐵鎳基材引出端鍍層可焊性試驗(yàn)后的空穴現(xiàn)象再現(xiàn)及改善

2.1 鐵鎳基材引出端鍍層的空穴情況

本次重點(diǎn)研究鐵鎳基材引出端電鍍（鍍鎳鍍錫鉛）后可焊性空穴情況。可焊性試驗(yàn)前使用體式顯微鏡對(duì)所有產(chǎn)品引出端外觀進(jìn)行100% 檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，所有樣品均上鍍良好，但經(jīng)可焊性試驗(yàn)（蒸汽老化1 h，靜置）后偶見局部出現(xiàn)空穴現(xiàn)象，如圖1 所示。

圖1 空穴現(xiàn)象

異常情況經(jīng)破壞性物理分析（DPA）后，可見電鍍鎳層上鍍良好，空穴區(qū)域鎳層與錫鉛層出現(xiàn)分離現(xiàn)象，如圖2 所示。

圖2 空穴區(qū)域破壞性物理分析（DPA）

2.2 鐵鎳基材引出端鍍層空穴現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)

從表面看，可焊性空穴現(xiàn)象源于該區(qū)電鍍鎳層與電鍍錫鉛層間結(jié)合較差，使得該區(qū)域在可焊性試驗(yàn)后局部潤濕性降低，表征出空穴現(xiàn)象；但可焊性試驗(yàn)為破壞性試驗(yàn)，不適用于產(chǎn)品批量檢驗(yàn)。現(xiàn)急需通過有效、可行的方式對(duì)產(chǎn)品狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分，或通過某種方式進(jìn)一步解決該異常，以提高產(chǎn)品質(zhì)量。

超聲波清洗原理“是超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻振蕩信號(hào)，通過換能器轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振蕩而傳播到介質(zhì)。在清洗溶劑中，超聲波疏密相間向前輻射，使液體流動(dòng)而產(chǎn)生數(shù)以萬計(jì)的微小氣泡，存在于液體中的微小氣泡（空化核）在聲場(chǎng)的作用下振動(dòng)。當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡迅速增大，然后突然閉合。并在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，在其周圍產(chǎn)生上千個(gè)大氣壓，破壞不溶性污物而使之分散于清洗液中。當(dāng)團(tuán)體粒子被油污裹著而粘附在清洗件表面時(shí)，油被乳化，固體粒子脫離，從而達(dá)到清洗件凈化的目的?！?sup>[1] 利用超聲波清洗原理，選擇與待清洗元器件相匹配的頻率，一般大型、重型或高密度材料工件選用（20~30）kHz 的較低清洗頻率，而高頻率常用于清洗較小、較精密的零件，或用于清除微小的顆?；?qū)ぜ砻娌辉试S損傷的情況[2-3]。本次對(duì)鍍后樣品選用高頻純水超聲波清洗，清洗頻率53 kHz，時(shí)間1 h；清洗后，引出端鍍層局部異常區(qū)域在超聲波空化作用下表征出來，表面錫鉛鍍層出現(xiàn)局部完全剝離（圖3）或局部剝離（圖4）。

圖3 超聲波清洗后鍍層局部完全剝離（實(shí)物圖）

圖4 超聲波清洗后鍍層局部部分剝離（實(shí)物圖）

對(duì)異常樣品進(jìn)行破壞性物理分析（DPA）后，可見該電鍍異常區(qū)域鍍層剝離變?。ㄒ妶D5）或完全剝離導(dǎo)致缺失（見圖6）。

圖5 超聲波清洗后鍍層局部部分剝離（DPA圖）

圖6 超聲波清洗后鍍層局部完全剝離（DPA圖）

2.3 導(dǎo)致鐵鎳基材引出端鍍層異常的根源

通過電鍍后超聲波清洗可使鍍層異常情況得到有效暴露，但電鍍后超聲波清洗可能對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)、焊點(diǎn)、內(nèi)連線等造成損傷，故還應(yīng)從根源上盡量減少或杜絕該現(xiàn)象的發(fā)生。在電鍍鎳層與電鍍錫鉛層結(jié)合改善試驗(yàn)均毫無頭緒后，我們進(jìn)行了大膽的假設(shè)：?jiǎn)栴}點(diǎn)出現(xiàn)在基材底部，因超聲波清洗時(shí)空氣泡對(duì)引出端的擠壓振動(dòng)使得異常區(qū)域出現(xiàn)輕微振動(dòng)變形，從而導(dǎo)致最外層電鍍的錫鉛層疏松、剝離。我們?cè)俅瓮ㄟ^以下實(shí)驗(yàn)明確導(dǎo)致該異常的根源。

2.3.1 待產(chǎn)鐵鎳基材超聲波清洗確認(rèn)

對(duì)待產(chǎn)鐵鎳基材進(jìn)行純水超聲波清洗（頻率53 kHz）確認(rèn)，清洗后可見基材出現(xiàn)白點(diǎn)異常區(qū)域，該區(qū)域形態(tài)與電鍍后鍍層剝離形態(tài)近似，且超聲波時(shí)間加長至2 h時(shí)，暴露的異常區(qū)域更加明顯，時(shí)間繼續(xù)加長至3 h 后，無明顯異常增加，白點(diǎn)異常如圖7 所示。

圖7 局部白點(diǎn)

使用體式顯微鏡放大45 倍對(duì)異常樣品及正常樣品進(jìn)行外觀對(duì)比，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 超聲波清洗后對(duì)比圖片（放大45倍）

金相顯微鏡作為材料學(xué)中常見的一種分析手段，用于觀察材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)^[4]，故使用使用金相顯微鏡放大100 倍再次對(duì)異常樣品及正常樣品進(jìn)行外觀對(duì)比，發(fā)現(xiàn)材料組織結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常，具體如圖9 所示。

圖9 超聲波清洗后對(duì)比圖片（放大100倍）

為進(jìn)一步觀察材料組織結(jié)構(gòu)，使用掃描電鏡分別放大2 500 倍及5 000 倍對(duì)異常樣品及正常樣品進(jìn)行外觀對(duì)比，如圖10 和圖11 所示。

圖10 超聲波清洗后對(duì)比圖片（放大2 500倍）

圖11 超聲波清洗后對(duì)比圖片（放大5 000倍）

從以上對(duì)比圖可見，異常區(qū)域鐵鎳基材存在較多的細(xì)小孔洞，且表面質(zhì)量凹凸不平。對(duì)該異常樣品進(jìn)行DPA 后，使用掃描電鏡放大5 000 倍觀察異常區(qū)域與正常區(qū)域的斷面質(zhì)量形態(tài)，如圖12 所示。

圖12 DPA后對(duì)比圖片（放大5 000倍）

2.3.2 電鍍后對(duì)比分析

對(duì)超聲異常區(qū)域進(jìn)行標(biāo)識(shí)，進(jìn)行電鍍（鍍鎳鍍錫鉛）后再次進(jìn)行DPA 及掃描電鏡確認(rèn)，結(jié)果如表1。

從兩者成分對(duì)比表可見異常樣品鎳含量明顯升高，即經(jīng)過超聲波清洗后，異常區(qū)域表層剝離，露出微小氣孔，在后續(xù)電鍍的鍍鎳過程中，鎳離子填充了空隙，使該區(qū)域致密，鎳成分有所上升。

2.4 改善鐵鎳基材引出端鍍層質(zhì)量

鐵鎳基材加工過程中存在軋制變形與退火等工藝，該工藝使材料表面織構(gòu)變化或形成再結(jié)晶織構(gòu)，其形成過程使其表面引入雜質(zhì)或出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷等^[5-6]。

通過對(duì)鐵鎳基材的純水超聲波清洗，使原材料織構(gòu)表面雜質(zhì)或結(jié)構(gòu)缺陷提前暴露或去除，在經(jīng)電鍍后二次進(jìn)行超聲波清洗確認(rèn)，該異?，F(xiàn)象消失，未再出現(xiàn)；再次證明了電鍍后原鐵鎳基材異常區(qū)域得到改善，可焊性試驗(yàn)后也未再出現(xiàn)該不良的空穴現(xiàn)象。未經(jīng)過超聲波清洗處理的樣品其材料織構(gòu)表面結(jié)構(gòu)異常區(qū)域經(jīng)電鍍（化學(xué)沉積）后，結(jié)構(gòu)異常區(qū)域被電鍍層包裹，使用體式顯微鏡外觀對(duì)比無法發(fā)現(xiàn)任何異常；因電鍍鎳層硬度高于錫鉛層，經(jīng)超聲波清洗時(shí)，在空化作用的擠壓和振動(dòng)作用，使表面錫鉛層松動(dòng)、剝離，而鎳層完好。

原鐵鎳基材經(jīng)純水超聲波清洗后再電鍍，可暴露原材料表面異常點(diǎn)，在后續(xù)電鍍后，該區(qū)域得到改善，從而提高引出端質(zhì)量。

3   結(jié)論

1）利用純水超聲波清洗鍍后鐵鎳引出端可有效暴露引腳異常問題，達(dá)到剔除不良品的目的；需結(jié)合產(chǎn)品特征，選擇合適的超聲波清洗頻率和時(shí)間；

2）利用純水超聲波清洗未電鍍的鐵鎳原材料可有效暴露原材料表面織構(gòu)異常的區(qū)域，達(dá)到鑒別原材料質(zhì)量的目的；同時(shí)，該異常區(qū)域在后續(xù)電鍍后得以改善，最終到達(dá)提高鐵鎳基材引出端鍍層質(zhì)量的目的。

參考文獻(xiàn)：

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）