赖志伟，许庆仁，舒胜辉，曾 志，范 涛，魏晶慧

（1.清华大学材料科学与工程学院，北京 100084；2.永泰电子（东莞）有限公司，广东东莞 523583；3.电子科技大学 机械电子工程学院，四川 成都 611731；4.北京新玛博创超声波科技有限公司，北京 100085）

USB3.1 TypeC超声辅助钎焊焊接性研究

赖志伟1，2，许庆仁2，舒胜辉2，曾 志3，范 涛3，魏晶慧4

（1.清华大学材料科学与工程学院，北京 100084；2.永泰电子（东莞）有限公司，广东东莞 523583；3.电子科技大学 机械电子工程学院，四川 成都 611731；4.北京新玛博创超声波科技有限公司，北京 100085）

采用自制的SnXX无铅钎料代替生产中常用的SnBi钎料，并分别采用超声波辅助钎焊技术和常规钎焊技术实现USB3.1 Type C中的铜导线和铜端子的可靠焊接互连，以阐明新型超声辅助钎焊技术在数据线连接领域内的优越性。焊后PIN位焊点锡点饱满，PIN位的前端未见未融的锡膏，焊杯界面无过多的锡珠。焊点横截面宏观形貌呈圆滑过渡，界面结合良好并形成Cu6Sn5化合物，无宏观缺陷，良品率较高。

USB3.1 Type C；SnXX钎料；超声辅助钎焊；组织形貌

0 前言

USB[1]（通用串行总线）因其即插即用的便携性，成为广泛使用于个人计算机及个人消费电子行业的标准智能型串行接口。USB 3.1 Type C连接器可逆、耐用、占用空间小，大幅缩小了实体外型，更适合用在短小轻薄的手持式装置上。Type C将取代Micro-AB型连接器（支援USB装置直接对传，不需要有主控系统介入），也将取代一般Micro-USB连接器。随着USB Type C技术的成熟，未来的各种笔记本、平板电脑甚至是智能手机都将普及USB Type C接口[2]。

USB Type C连接器中裸线铜导体与铜端子的连接方法有很多种，而钎焊是最可靠的方法。根据欧盟2003年发布的指令，自2006年7月1日起进入市场的电力电子产品不能含有铅、汞、镉、六价铬、PBB和PBDE六种有害物质[3]。无铅钎料的开发和推广是市场发展的必然结果。常规软钎焊时不可避免的要使用钎剂，钎焊后残留的钎剂难于清理，造成连接器绝缘阻抗失效[4-5]以及对环境的污染。因此，无铅钎料、新型助焊剂、相关钎焊设备和钎焊工艺必须做出改进。

本研究采用自制的SnXX无铅合金作为钎料，应用超声辅助钎焊技术连接USB 3.1 Type C中的铜导体和铜端子。钎焊过程中施加的超声波振动会在熔融钎料内产生空化效应，有效去除钎料及母材表面的氧化膜，以期改善无铅钎料的钎焊工艺性及焊接接头的可靠性[6-8]。

1 USB3.1 Type C接头

USB3.1 Type C钎焊部位如图1所示，铜导体与接头铜端子的钎焊质量直接影响USB连接线的信号传输质量。在生产过程中，由于钎焊工艺、温度及时间的影响，会造成钎焊接头铜导体与铜端子钎焊界面出现假焊缺陷。钎焊界面缺陷与钎料、钎焊工艺、母材等相关，因此可通过对钎料、钎焊工艺、钎焊界面缺陷的研究，分析缺陷的产生原因。

2 钎料及钎焊工艺

2.1 钎料

使用自制的SnXX钎料，显微组织形貌如图2所示；通过能量色散谱仪（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）检测接头成分，如图3所示。SnXX钎料中w（Ag）约为10%，Sn含量比生产中所用的Sn58Bi增加较多；熔点约为250℃，较Sn58Bi（140℃）有较大提高，其相应的钎焊温度也将提高。因此，也将使Cu基体在熔融钎料中的溶解速度和扩散速度提高。现采用在Cu基体上镀一层Ni来防止基体在钎料中的过快溶解[9]。

图1 USB 3.1 Type C连接器预钎焊部位

图2 SnXX钎料形貌

图3 SnXX钎料成分分析

2.2 超声辅助钎焊工艺

超声钎焊设备示意如图4a所示，这也是国内首次将超声波引入适用于连接线钎焊的设备。采用感应预热超声工具头，再传导至钎焊位置的方式加热，施加超声振动，焊后空冷至室温，其钎焊示意如图4b所示。钎焊过程中，超声波频率20 kHz，超声功率20 W，压接时间5 s，超声作用时间0.6～3 s。钎焊温度300℃。

图4 超声辅助钎焊示意

焊后焊点冷镶，经水砂200#、500#和1 000#粗磨，金相砂纸500#和800#精磨后，使用1 μm金刚石抛光剂抛光，以备显微镜观察。通过扫描电子显微镜SEM（ZEISS EVO 18 Special Edition）及其能谱设备EDS观察其接头组织形貌，定量分析其化学成分。

3 实验结果及讨论

3.1 超声辅助钎焊工艺与常规钎焊焊点的对比

图5为采用SnXX超声辅助钎焊和常规钎焊铜导体和铜端子的宏观形貌。钎焊后PIN位锡点饱满，PIN位的前端没有未熔的锡膏，焊杯界面没有产生过多的锡珠，如图5a所示。传统钎焊条件下，焊点周围存在飞溅导致的锡珠[10-11]，如图5b所示。

图6为采用SnXX超声辅助钎焊和常规钎焊铜导体和铜端子的横截面宏观形貌。常规钎焊容易出现氧化膜未清除干净导致的未焊合（见图6a），钎料填充不足导致的缩孔，未排除气孔以及反应生成化合物层间的裂纹（见图6b）。相对应的，超声辅助钎焊的焊点呈圆形圆滑过渡，界面结合良好，未观察到未焊合、缩孔、气孔和裂纹等缺陷（见图6c）。这是因为钎焊过程中加入了超声波振动，一方面其在液态钎料中的空化作用可以完全去除钎料及母材的氧化膜，实现钎料与母材的冶金结合；另一方面，可以增强钎料的毛细作用，填料更均匀，还能加速气体的排除[8]。通过控制超声作用时间可以有效控制界面反应速率和化合物的厚度。

图5 不同钎焊方法焊点的宏观形貌

3.2 超声辅助钎焊焊点显微组织分析

超声波辅助钎焊后的接头界面显微组织形貌如图7所示。由图7a可知，钎料与PCB板和铜导线均发生了化学反应，形成冶金结合。结合EDS分析结果（见表1），图7a中铜导线界面上形成约2 μm厚的化合物Cu6Sn5相，而PCB板的界面上化合物分布比较疏松，没有观察到连续的化合物层，为（Cu，Ni）6Sn5相，固溶了少量的Ni[9]。这是因为镀Ni层的存在减缓了Cu层与钎料的反应速率。观察远离PCB板界面的铜导线界面，如图7b所示，每根铜导线与钎料均形成了冶金结合，其界面上也形成了数量不同、大小不一的块状Cu6Sn5相。图7c为SnXX钎料在紫铜板上的铺展润湿的界面形貌，超声作用时间为3 s。相比PCB/钎料界面，一方面没有Ni层阻挡，另一方面超声作用时间延长，因此紫铜/钎料界面上形成了3.5 μm的化合物反应层，可以分为靠近紫铜板的致密层和靠近钎料侧的疏松层，均为Cu6Sn5相。相比铜导线/钎料界面，延长超声作用时间，可以加速化学元素间的化学反应，增加化合物层的厚度。

图6 不同钎焊方法焊点的横截面宏观形貌

当超声振动去除氧化膜后，Cu与Sn会反应生成Cu6Sn5，接着通过原子的扩散作用一部分快速的向钎料侧生长，一部分缓慢的向母材侧生长[12]。PCB/钎料界面线扫描的分析结果如图8所示。

从图中可明显观察到Cu元素扩散层的存在。界面化合物的存在阻碍了Cu原子进一步扩散，扩散的Cu原子与Cu6Sn5再次发生反应生成Cu3Sn，Cu3Sn在靠近Cu基板一侧而Cu6Sn5存在于IMC层的上方。由于Cu3Sn层的厚度非常薄，小于1 μm[13]，因此，在图7和图8上未明显观察到。

结合焊点的横截面宏观形貌和界面显微组织形貌可以看出，超声辅助钎焊技术能够极大提高焊点连接的可靠性。超声辅助钎焊技术无需助焊剂，绿色环保，产品合格率大大提升，可与计算机连接实现自动化生产。

4 结论

（1）采用SnXX钎料超声辅助钎焊技术很好地实现了连接铜导线和铜端子的连接，其焊点形貌呈圆滑过渡，界面结合良好，无明显缺陷。

图7 接头界面的显微组织形貌

表1 图7中各点的能谱分析结果

图8 Cu的扩散

（2）SnXX钎料与铜导线和PCB板的界面均形成冶金结合，其反应生成的化合物均为Cu6Sn5。延长超声作用时间，可以增加化合物层的厚度，合理厚度的化合层可增加焊点的可靠性。

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Research on weldability of ultrasonic-assisted soldering on USB3.1 Type C connector

LAI Zhiwei1，2，XU Qingren2，SHU Shenghui2，ZENG Zhi3，FAN Tao3，WEI Jinghui4
（1.School of Materials Science and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2.Yong Tai Electronic (Dongguan)Ltd.，Dongguan 523583，China；3.University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China；4.Beijing Xinma Bochuang Ultrasonic Technology Ltd.，Beijing 100085，China）

In this paper，customed SnXX lead-free solder was used instead of SnBi solder which was normally used in the electronic packaging production.The advantages of the new ultrasonic-assisted soldering（UAS）technology in the data line connection field were illustrated through comparing the joints structure of copper wire and copper terminal in USB3.1 Type C by UAS and conventional soldering.After soldering，the joints of PIN position were full filled with solder.There were no solder pastes in the front of the PIN position，and the joints interface did not generate too many solder beads.The macroscopic morphology of the cross section appeared a smooth hemispheroid，with a fine bonding interface and no macroscopic defects.And so the product yield was highly increased.The metallurgical reaction occurred on the interface of the UAS joints，where Cu6Sn5 compounds mainly formed.

USB3.1 Type C；SnXX solder；ultrasonic assisted soldering；microstructure

TG456.7

C

1001－2303（2017）04－00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

献

郭吉昌，朱志明，闫国瑞，等.基于UG的弧焊机器人离线编程系统开发[J].电焊机，2017，47（01）：1-6.

2016-07-06；

：2016-12-10

国家自然科学基金（51205047）；广东省科技支撑计划

赖志伟（1974—），男，湖南人，在读博士，主要从事高速互联技术的研究。