何 棋，郭绍雄，万伟超，李伟超，张家涛

(云南锡业集团(控股)有限责任公司研发中心，云南 昆明 650101)

1 引言

随着信息技术、高端装备制造、新能源等产业的持续高速发展，对电子产品提出更为苛刻的适应性、可靠性、稳定性等要求。在电子元器件的生产过程中经常会碰到普通焊料不能接触或无法连接的情况，如果不能有效解决，将直接影响到电子产品甚至是整台装备的工况。预成型焊片就是用来解决这类问题的具有特殊形状的钎料部件，其优点是定位精确，钎料含量稳定、焊接空洞率低和助焊剂残留少，特别适合于高品质要求的焊接场合。预成型焊片的正确设计和使用，是电子产品和装备获得高效率、低成本、高可靠性连接效果的保证。

预成型焊片是一种重要的封装材料，其形状有圆片、环片、垫圈、球状、矩形、螺纹管状、斜纹状等，成分包含Sn-Ag-Cu、Sn-Pb、Au-Sn[1]、In-Ag[2]、Ag-Cu[3]等，主要用于集成电路的封装，包括IGBT(绝缘栅双极型晶体管)封装、SMT封装(表面贴装)、DIP封装(双列直插式封装)、QFN封装(方形扁平无引脚封装)[4]、MEMS传感器器封装[5，6]等，可用于PCB电路板，金属壳体，金属-玻璃封装，半导体集成电路、滤波器件、微波器件、大功率器件、连接器、传感器、光电器件的金属外壳或陶瓷外壳气密封装等，涉及到5G通讯、雷达、医疗、手机、汽车、高通/电车、电缆等行业。因此，预成型焊片与焊锡膏、BGA焊锡球同被誉为最具发展前景电子封装用产品。全球高端预成型焊锡核心关键制造技术基本由美国、日本等掌握，导致长期以来国内高端预成型焊片主要依赖进口，关键材料受制于人，制约着我国精密电子产品的发展。

目前，预成型焊片的制备方法有铸造拉拔法[7，8]、叠层复合法[9～11]、电镀沉积法[12]等方法，本文结合上述多种方法，采用熔锡→浇注/挤压→轧制→冲压→清洗/烘干→涂覆/烘干→包装的新型制备工艺，成功批量生产出垫圈型预成型焊片，并获得使用方认可，该焊片的使用性能达到了所需要求。

2 实验过程

2.1 试验原料及研究对象

2.1.1 试验原料

试验所用原料为云锡生产的SnPb40的锡条，成分如表1所示，具体物理参数见表2。可以看到，SnPb40具有良好塑性、较低的抗拉强度和屈服强度。

表1 SnPb40的化学成分

表2 SnPb40的物理参数

2.1.2 研究对象

本文以垫圈形预成型焊片为研究对象，该焊片已有成熟使用方，垫圈型预成型焊片规格如图1、表3。

图1 垫圈型预成型焊片

表3 垫圈型预成型焊片规格

2.1.3 试验设备

电阻炉：采用DL-1型电阻加热炉(北京中兴伟业世纪仪器有限公司，中国)进行SnPb40合金进行熔炼。

挤压机：采用TXCJ-800型挤压机(无锡市伟特机械设备制造厂，中国)对SnPb40板坯进行挤压。

轧机：采用户县嘉泓机械设备有限公司生产的两种型号的精密压延机对SnPb40焊带进行轧制，设备参数见表4。

表4 试验设备 mm

高速冲床：采用MS-18A-H型高速冲床(深圳市小精灵紧密机械有限公司，中国)对SnPb40焊带进行冲压。

其它设备：超声清洗机、恒温干燥箱、真空包装机。

2.1.4 分析检测设备

金相显微镜：采用Axio Vert Al型倒置金相显微镜(ZEISS，德国)对样品微观组织进行分析。

SEM：采用SU-70型场发射扫描电子显微镜(Hitachi，日本)对样品微观形貌进行分析。

真空回流焊机：采用KD-V20型真空回流焊机(北京诚联恺达科技有限公司，中国)对试验样品进行真空回流焊试验。

2.2 制备工艺流程

经过前期调研及探索试验，垫圈预成型焊片的制备所采用的工艺路线为合金熔炼→浇注/挤压成形→粗轧→精轧→冲切(压)→清洗→烘干→包装。

2.2.1 合金熔炼

根据锡铅合金(SnPb40)的特点，采用电阻加热炉进行合金熔炼。熔炼过程中通过控制电阻炉功率及加热温度，并对合金熔体进行持续搅拌，以保证合金熔体成分均匀。

2.2.2 挤压/浇铸

采用有倒角、薄盖板、有倾斜角的模具浇注，浇注合金熔体的温度分别控制在液相线上150 ℃、170 ℃。用乙炔火焰在模具表面喷碳并预热，将盖板盖上后，浇注熔体，熔体凝固后，开模取出板坯。采用350 t挤压机进行挤压，挤压温度为70 ℃。

2.2.3 轧制

2.2.3.1 轧制温度

对工业金属，经强烈冷变形后的最低再结晶温度TR(K)约等于其熔点Tm(K)的0.4倍，通过初步计算SnPb40合金的再结晶温度约为-91.69 ℃，因此，轧制温度选择为常温。

2.2.3.2 压下规程

压下规程作为影响SnPb40锡板轧制过程的重要因素，对SnPb40锡板的组织变化、变形抗力和塑性均有较大影响[13]。压下规程过大容易引起应力集中致使板材开裂，过小会影响生产效率和产品质量[14]。目前Al合金板材轧制大多以多道次小压下的方式进行，即每道次压下量不超过5%，8-10道次压下量不超过1%[15]。由于应变速率提高会导致SnPb40锡板塑性下降，SnPb40锡板的轧制速度相对于其它合金来说较低。因此，设计了从3 mm到1.17 mm的SnPb40压下规程，总压下为0.61，如表5所示。

表5 SnPb40锡板轧制压下规程

2.2.4 冲压

开启整平机电源，将 SnPb40焊带放进整平机，调整辊缝，启动整平机对焊带进行整平，整平后的焊带送入送料机，在模具中调整焊带位置，启动冲床电源，启动空压机，待压力达到额定值后，将冲床调整到手动模式，手动冲压正常后，将冲床调整到自动模式，设置冲压速率，启动冲床，进行冲压，对样品进行收集。

2.2.5 清洗/烘干

使用超声清洗机对收集好的SnPb40样品进行清洗，首先用无水乙醇超声清洗3次，每次间隔10 min，然后用去离子水超声清洗两次，每次间隔10 min，最后使用恒温干燥箱对样品干燥，干燥温度70 ℃，干燥时间为3 h。

2.2.6 包装

用铝膜袋将干燥好的SnPb40样品进行真空包装、封袋，并注明产品型号、规格。

3 结果与分析

3.1 金相分析

对轧制的焊锡带进行了金相分析，共进行5次轧制，金相结果见图2，其中(a)为轧制前，(b)为第一次轧制，(c)为第二次轧制，(d)为第三次轧制，(e)为第四次轧制，(f)为第五次轧制，从图中可以看出，轧制前和轧制后的合金的晶粒变化不大。

图2 合金轧制的金相

3.2 尺寸分析

表6是实验样品的尺寸、厚度、重量、密度数据，可以看到，实验样品的外径、内径、开口的尺寸公差在±0.5 mm，厚度公差在±10%以内，重量在±0.1 g以内，获得了外形完美、密度均匀的垫圈形预成型焊片。

表6 实验样品进行对比数据

3.3 形貌分析

图3为实验样品的SEM图，从图中可以看出样品的形貌表面质量较好。

图3 实验样品的形貌

3.4 真空回流焊分析

试验样品进行了真空回流焊，测试结果见图4，其中图4(a)：未对焊片和焊盘清洗，在充甲酸的条件下进行了真空回流焊；图4(b)：对焊片和焊盘进行超声清洗，在充甲酸条件下真空回流焊；图4(c):对焊片和焊盘进行超声清洗，不通入甲酸，充氮气条件下进行回流焊。通过真空回流焊。通过图片看出，在3种条件下，样品焊接缺陷基本没有，说明制备的垫圈型焊片达到了焊接要求。

4 结论

通过实验和测试结果表明，开发出合金熔炼→浇注/挤压成形→粗轧→精轧→冲切(压)→清洗→烘干→包装的垫圈型预成型焊片新型制备工艺，该工艺工序精简，制作出的焊片成分精准、外形完美。通过对该焊片进行形貌和焊接性能分析，其表面质量较好，无焊接缺陷。采用该工艺成功制备了垫圈形预成型焊片，焊片的使用性能达到了所需要求，并获得使用方认可。

图4 实验样品的真空回流焊分析