供稿人：王林、張航 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2023-02-13
電氣連接焊盤(pán)，例如金屬焊盤(pán)，是電子中印刷電路板封裝的關(guān)鍵部分。它們?cè)陔娮与娐泛碗娮釉g提供電氣連接。當(dāng)暴露在空氣環(huán)境中時(shí)，這種電連接墊的會(huì)發(fā)生氧化，因此在運(yùn)輸或儲(chǔ)存過(guò)程中，焊盤(pán)上會(huì)覆蓋一層金屬氧化物，從而導(dǎo)致電焊盤(pán)的可焊性降低甚至無(wú)法使用。因此，為了克服這種缺陷，應(yīng)考慮對(duì)其添加保護(hù)層。例如，使用銀或金等貴金屬層，在運(yùn)輸或儲(chǔ)存過(guò)程中覆蓋電氣連接墊，以避免其直接暴露于空氣環(huán)境中發(fā)生氧化。然而，添加保護(hù)層需要在印刷電路板過(guò)程中增加專用的設(shè)備和步驟，這使得生產(chǎn)難度和生產(chǎn)成本大幅度增加。
由于電焊盤(pán)的可焊性對(duì)于電子設(shè)備的耐用性、性能和可靠性等方面起著關(guān)鍵作用，在歐洲有害物質(zhì)限制條例（RoHS）的推動(dòng)下，對(duì)于無(wú)鉛焊料的需求上升，并使得錫基無(wú)鉛焊料的的需求提高。然而，由于該材料的熔融溫度較高，仍然難以大規(guī)模應(yīng)用于實(shí)際?？傊诓皇褂妙~外表面涂層的情況下，對(duì)電氣連接焊盤(pán)的可焊性及其制造的技術(shù)改進(jìn)仍需要進(jìn)一步的研究。
通過(guò)激光拋光改變電焊盤(pán)的表面結(jié)構(gòu)有可能實(shí)現(xiàn)無(wú)涂層的表面，特別是微米級(jí)和納米級(jí)的結(jié)構(gòu)。由超短激光脈沖產(chǎn)生的激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)（LIPSS），由于其多功能的應(yīng)用前景而備受關(guān)注，在最近的研究中，基于LIPSS的表面功能研究分別在結(jié)構(gòu)顏色、可再生能源、細(xì)胞生長(zhǎng)、摩擦學(xué)和潤(rùn)濕性等領(lǐng)域得到證明。例如在摩擦學(xué)領(lǐng)域，通過(guò)應(yīng)用多層微米和納米級(jí)結(jié)構(gòu)使表面發(fā)生化學(xué)改性，從而實(shí)現(xiàn)疏水和親水兩種潤(rùn)濕狀態(tài)。 基于此，2021年12月，阿沙芬堡應(yīng)用科學(xué)大學(xué)應(yīng)用激光和光子學(xué)小組通過(guò)激光誘導(dǎo)的周期性表面結(jié)構(gòu)來(lái)提高印刷電路板焊盤(pán)的可焊性。通過(guò)設(shè)定激光脈沖間距10 、掃描速度1000mm/s、能量密度0.8 在銅基板上產(chǎn)生LIPSS，通過(guò)原子力顯微鏡觀察到到結(jié)構(gòu)如圖1所示，表面結(jié)構(gòu)波紋的波長(zhǎng)大約為992nm，比激光波長(zhǎng)1030nm略低，這些結(jié)構(gòu)的平均深度大概在120nm。
圖1. 原子力顯微鏡下的表面結(jié)構(gòu)。
首先對(duì)銅基板表面拋光，并使用超聲波和丙酮對(duì)進(jìn)行清潔處理，初始拋光步驟的目的是去除天然氧化層，分別對(duì)初始表面和激光處理后的表面進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖2所示?？梢钥吹竭@兩種表面對(duì)于含鉛和無(wú)鉛焊料都表現(xiàn)出非常好的潤(rùn)濕性。
然而在實(shí)際生產(chǎn)中，電路板經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的存放后，會(huì)在焊盤(pán)表面會(huì)表現(xiàn)出一定的氧化層，從而降低焊盤(pán)的可焊性，將初始銅基板和激光處理后的銅基板分別在室溫下的空氣環(huán)境中儲(chǔ)存14天，并對(duì)其進(jìn)行可焊性試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示，銅基板的氧化降低了表面的潤(rùn)濕性。對(duì)于含鉛的焊料，初始表面與拋光表面相比，潤(rùn)濕面積減少約14%。
圖2. (a).初始和LIPSS表面上含鉛和無(wú)鉛焊膏焊料的表面覆蓋情況;(b).含鉛焊膏在參考表面的覆蓋情況； (c).含鉛焊膏在LIPSS表面的覆蓋情況。
而對(duì)于無(wú)鉛焊料，對(duì)其進(jìn)行焊接性試驗(yàn)，初始表面和激光處理后表面的情況分別如圖3（b）和（c）所示，初始表面的焊料從圓形模板幾何形狀中坍塌，從而清晰地顯示了基板材料氧化的問(wèn)題，焊料覆蓋面積減小到22.8mm2左右。而激光處理后的基板覆蓋面積仍在30mm2左右，下降的較少，這表面激光誘導(dǎo)的周期性表面結(jié)構(gòu)，可以對(duì)老化的表面進(jìn)行改性，從而恢復(fù)表面的增濕性，并且適用于無(wú)鉛和無(wú)鉛焊料。
圖3. (a).14天氧化后初始和LIPSS表面上含鉛和無(wú)鉛焊膏焊料的表面覆蓋情況;(b).無(wú)鉛焊膏在參考表面的覆蓋情況；(c).無(wú)鉛焊膏在LIPSS表面的覆蓋情況。
使用基于超短激光脈沖的表面功能化可以提高銅可焊性的可能性，通過(guò)確保在環(huán)境條件下自然氧化的情況下有足夠的潤(rùn)濕性，可以在儲(chǔ)存后顯著提高可焊性。
通過(guò)使用含鉛和無(wú)鉛焊錫膏進(jìn)行可焊性試驗(yàn)，測(cè)試了不同表面條件下的可焊性。對(duì)焊料覆蓋表面的測(cè)量意味著通過(guò)激光誘導(dǎo)的周期性表面結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)電氣焊盤(pán)表面的潤(rùn)濕性。