一种降低连接器、绝缘子空洞率的金锡共晶焊接方法与流程

本发明涉及电子元器件封装焊接，具体涉及一种降低连接器、绝缘子空洞率的金锡共晶焊接方法。

背景技术：

1、共晶焊技术是采用特定配比共晶合金焊料，加热至共晶温度，焊料由固相直接转变为液相，润湿基体冷却后形成冶金结合的焊接工艺。金锡（ausn）共晶焊具备焊接强度高、气密性优异、耐高温、无焊剂残留等优势，广泛用于连接器、绝缘子气密性封装。

2、随着5g通信、航空航天以及军用电子设备朝着高频、集成、高可靠方向发展，连接器与绝缘子的封装质量直接决定整机信号传输、功率承载与环境适应能力。现有传统真空共晶焊接工艺仍存在多项技术痛点：连接器、绝缘子、焊料表面存在微观氧化层与污染物，单纯依靠机械打磨、溶剂清洗仅能去除表面可见污染物，无法消除亚表层氧化；焊接工装依靠预设弹簧压缩行程施加压力，高温工况下弹簧易发生蠕变，焊料熔融阶段实际界面压力衰减，熔融焊料内部包裹的微小气泡难以有效排出；现有方案常采用普通绿油作为爬锡阻挡围堰，但ausn共晶温度高达340℃，普通有机绿油高温热裂解会释放气体，反而引入新的空洞气源；传统共晶焊炉采用静态真空工艺，狭小的连接器、绝缘子焊接界面处被焊料包裹的微气泡难以逃逸。

3、上述问题造成焊接后焊层空洞率普遍处于10%～20%，焊点导热能力、机械强度下降，增大介质损耗与信号衰减，降低功率承载能力；同时空洞会在温度循环、振动试验过程中发生扩张，造成气密性失效，难以满足gjb548c-2021高等级气密性封装要求，制约产品良率提升。

4、现有技术中，等离子还原、交变脉冲真空、弹簧加压、可焊性检测等技术手段零散应用于半导体芯片、igbt功率器件焊接领域，但并未针对微矩形连接器、射频绝缘子狭小装配空间、金锡共晶高温工况进行系统性适配。多数量产真空共晶产线以氮气作为惰性保护气体，现有技术缺少适配现有气源、完整闭环的工艺解决方案。因此亟需开发一套兼顾预处理、工装约束、炉内气氛压力协同、前置筛选、焊后稳定化处理的完整工艺，从源头抑制空洞产生，提升焊接良率与产品环境可靠性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种降低连接器、绝缘子空洞率的金锡共晶焊接方法，解决现有工艺中亚表层氧化去除不彻底、高温加压压力衰减、围堰材料产气、狭小界面气泡难以排出、高氧化工件流入工序、亚表面微空洞环境试验后扩张等问题，有效降低焊接空洞率，提升焊点气密性与环境可靠性。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、本发明提供了一种降低连接器、绝缘子空洞率的金锡共晶焊接方法，包括如下步骤：

4、对预先制备的金锡焊料片的表面进行机械打磨处理，得到打磨后的金锡焊料片；

5、对打磨后的金锡焊料片、壳体、连接器和绝缘子、依次进行等离子还原、清洗和烘干处理，得到烘干后的金锡焊料片、壳体、连接器和绝缘子；

6、对烘干后的连接器和绝缘子进行表面氧化程度测试，筛选出符合预设要求的连接器和绝缘子；

7、在烘干后的壳体上制备围堰，得到制备处理后的壳体；

8、完成符合预设要求的连接器和绝缘子、烘干后的金锡焊料片和制备处理后的壳体的工装装配夹持，得到装配后的金锡焊料片、壳体、连接器和绝缘子；

9、对装配后的金锡焊料片、壳体、连接器和绝缘子进行共晶焊接，得到焊接后的工件；

10、对焊接后的工件进行时效稳定化处理，完成金锡共晶焊接。

11、进一步的，所述等离子还原处理的功率为80-120w，处理时间为40-90s，等离子腔体工作压力为15-60pa。

12、进一步的，所述等离子还原处理与工装装配夹持之间间隔不超过15min。

13、进一步的，所述清洗为无水乙醇超声清洗，其中连接器、绝缘子的超声清洗频率为28-40khz，超声功率密度为20-40w/l，单次清洗时间3-5min。

14、进一步的，所述烘干，烘干温度设置80±5℃，烘干时间5-10min。

15、进一步的，所述表面氧化程度测试为表面接触角测试，若接触角＜30°，则判定符合预设要求，工件进入下一工序；若接触角为30°～60°，工件返回上一工序，若接触角＞60°，剔除工件。

16、进一步的，所述围堰制备于外壳上，距离插座口3-5mm位置，围堰厚度为0.08-0.12mm，材料选用热分解温度大于400℃的聚酰亚胺基阻焊绿油，点胶完成后进行氮气气氛阶梯固化：以3℃/min速率升温；升温至120℃保温30min，升温至190℃保温35min，升温至260℃保温50min；固化完成随炉冷却。

17、进一步的，进行工装装配夹持时，还需要在连接器与夹具螺丝之以及绝缘子与夹具螺丝之间安装锥形弹簧，并在夹具螺丝与锥形弹簧之间嵌入耐温≥350℃的压力传感器，以测试金锡焊料熔融相变区间的界面压力；

18、所述锥形弹簧的材料为沉淀强化型镍基高温合金，预留0.5-2.5mm工作压缩行程；

19、所述金锡焊料熔融相变区间的界面压力维持在0.15-0.3mpa。

20、进一步的，所述共晶焊接中，焊接炉在甲酸气氛下由25℃升至180℃，对工件进行一次保温还原处理，由180℃升至260℃，对工件进行二次保温还原处理，在金锡焊料片的熔融温度区间，进行脉冲震荡排气处理，真空保持3-6s，回充氮气至500pa保持2-4s，循环3-5次，脉冲震荡排气处理复用设备氮气回路完成压力交变。

21、进一步的，所述时效稳定化处理在真空条件下进行，温度为120-150℃，保温时间30-60min。

22、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

23、本发明提供的降低连接器、绝缘子空洞率的金锡共晶焊接方法，采用机械打磨耦合低压等离子微还原复合预处理工艺，不仅去除工件表面肉眼可见氧化，还可清除亚表层薄氧化层；通过限定等离子处理后装配时间窗口，避免工件二次氧化，改善焊料-母材界面可焊性；同时限定等离子功率与时间，规避薄ausn焊料发生组分偏析问题，从源头减少氧化诱发的初生焊接空洞；

24、本发明提供的降低连接器、绝缘子空洞率的金锡共晶焊接方法，工装采用沉淀强化型镍基高温合金（如inconel718）锥形弹簧搭配高温薄膜压力传感器，能够在焊接全过程实时采集界面压力，补偿高温环境弹簧蠕变带来的压力损失；实现金锡熔融相变区间压力稳定可控，既避免压力过小气泡无法挤出，又防止压力过大熔融焊料被全部挤出焊接区域；锥形结构适配微矩形连接器狭小装配空间，受力均匀不易侧偏打滑；

25、本发明提供的降低连接器、绝缘子空洞率的金锡共晶焊接方法，摒弃传统普通绿油，采用高耐热聚酰亚胺阻焊围堰或者激光熔覆镍基金属围堰，解决普通绿油340℃高温裂解产气引入新空洞气源的技术问题；围堰起到物理阻挡爬锡作用，节约焊料，降低产品短路风险。

26、本发明提供的降低连接器、绝缘子空洞率的金锡共晶焊接方法，熔融相变区间脉冲交变负压排气工艺，直接复用产线标配氮气回路实现压力交变，无需额外增设供气硬件；低温段保留甲酸气氛完成母材氧化还原，进入焊料熔融区间关闭甲酸，采用“高真空-氮气回充至500pa低真空”交替脉冲，利用压力交变促使包裹在熔融焊料内部微小气泡胀缩逸出，显著改善狭小连接器焊接界面排气效果。

27、本发明提供的降低连接器、绝缘子空洞率的金锡共晶焊接方法，增加焊前接触角分级筛选工序，将实验室可焊性评价手段转化为流水线前置筛选步骤，将高氧化工件直接剔除，中等氧化工件进行增强还原处理，避免不合格工件流入焊接工序，降低报废率；

28、本发明提供的降低连接器、绝缘子空洞率的金锡共晶焊接方法，焊后增加真空低温时效工序，释放焊接残余应力，抑制亚显微空洞在温度循环、环境试验过程扩张，保证产品经过环境试验之后气密性不快速劣化，提升整机可靠性；

29、本发明提供的降低连接器、绝缘子空洞率的金锡共晶焊接方法，整套工艺可基于现有真空共晶焊设备改造实现，复用现有氮气供气系统，兼顾工艺先进性与量产可行性；采用本工艺后产品空洞率可以控制在3%以内，氦质谱漏率稳定优于5×10-5pa・cm³/s，满足gjb548c-2021高等级气密性封装要求。