USB3.1 TypeC超聲輔助釬焊焊接性研究

賴志偉，許慶仁，舒勝輝，曾 志，范 濤，魏晶慧

（1.清華大學材料科學與工程學院，北京 100084；2.永泰電子（東莞）有限公司，廣東東莞 523583；3.電子科技大學 機械電子工程學院，四川 成都 611731；4.北京新瑪博創超聲波科技有限公司，北京 100085）

USB3.1 TypeC超聲輔助釬焊焊接性研究

賴志偉1，2，許慶仁2，舒勝輝2，曾 志3，范 濤3，魏晶慧4

（1.清華大學材料科學與工程學院，北京 100084；2.永泰電子（東莞）有限公司，廣東東莞 523583；3.電子科技大學 機械電子工程學院，四川 成都 611731；4.北京新瑪博創超聲波科技有限公司，北京 100085）

采用自制的SnXX無鉛釬料代替生產中常用的SnBi釬料，并分別采用超聲波輔助釬焊技術和常規釬焊技術實現USB3.1 Type C中的銅導線和銅端子的可靠焊接互連，以闡明新型超聲輔助釬焊技術在數據線連接領域內的優越性。焊后PIN位焊點錫點飽滿，PIN位的前端未見未融的錫膏，焊杯界面無過多的錫珠。焊點橫截面宏觀形貌呈圓滑過渡，界面結合良好并形成Cu6Sn5化合物，無宏觀缺陷，良品率較高。

USB3.1 Type C；SnXX釬料；超聲輔助釬焊；組織形貌

0 前言

USB[1]（通用串行總線）因其即插即用的便攜性，成為廣泛使用于個人計算機及個人消費電子行業的標準智能型串行接口。USB 3.1 Type C連接器可逆、耐用、占用空間小，大幅縮小了實體外型，更適合用在短小輕薄的手持式裝置上。Type C將取代Micro-AB型連接器（支援USB裝置直接對傳，不需要有主控系統介入），也將取代一般Micro-USB連接器。隨著USB Type C技術的成熟，未來的各種筆記本、平板電腦甚至是智能手機都將普及USB Type C接口[2]。

USB Type C連接器中裸線銅導體與銅端子的連接方法有很多種，而釬焊是最可靠的方法。根據歐盟2003年發布的指令，自2006年7月1日起進入市場的電力電子產品不能含有鉛、汞、鎘、六價鉻、PBB和PBDE六種有害物質[3]。無鉛釬料的開發和推廣是市場發展的必然結果。常規軟釬焊時不可避免的要使用釬劑，釬焊后殘留的釬劑難于清理，造成連接器絕緣阻抗失效[4-5]以及對環境的污染。因此，無鉛釬料、新型助焊劑、相關釬焊設備和釬焊工藝必須做出改進。

本研究采用自制的SnXX無鉛合金作為釬料，應用超聲輔助釬焊技術連接USB 3.1 Type C中的銅導體和銅端子。釬焊過程中施加的超聲波振動會在熔融釬料內產生空化效應，有效去除釬料及母材表面的氧化膜，以期改善無鉛釬料的釬焊工藝性及焊接接頭的可靠性[6-8]。

1 USB3.1 Type C接頭

USB3.1 Type C釬焊部位如圖1所示，銅導體與接頭銅端子的釬焊質量直接影響USB連接線的信號傳輸質量。在生產過程中，由于釬焊工藝、溫度及時間的影響，會造成釬焊接頭銅導體與銅端子釬焊界面出現假焊缺陷。釬焊界面缺陷與釬料、釬焊工藝、母材等相關，因此可通過對釬料、釬焊工藝、釬焊界面缺陷的研究，分析缺陷的產生原因。

2 釬料及釬焊工藝

2.1 釬料

使用自制的SnXX釬料，顯微組織形貌如圖2所示；通過能量色散譜儀（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）檢測接頭成分，如圖3所示。SnXX釬料中w（Ag）約為10%，Sn含量比生產中所用的Sn58Bi增加較多；熔點約為250℃，較Sn58Bi（140℃）有較大提高，其相應的釬焊溫度也將提高。因此，也將使Cu基體在熔融釬料中的溶解速度和擴散速度提高。現采用在Cu基體上鍍一層Ni來防止基體在釬料中的過快溶解[9]。

圖1 USB 3.1 Type C連接器預釬焊部位

圖2 SnXX釬料形貌

圖3 SnXX釬料成分分析

2.2 超聲輔助釬焊工藝

超聲釬焊設備示意如圖4a所示，這也是國內首次將超聲波引入適用于連接線釬焊的設備。采用感應預熱超聲工具頭，再傳導至釬焊位置的方式加熱，施加超聲振動，焊后空冷至室溫，其釬焊示意如圖4b所示。釬焊過程中，超聲波頻率20 kHz，超聲功率20 W，壓接時間5 s，超聲作用時間0.6～3 s。釬焊溫度300℃。

圖4 超聲輔助釬焊示意

焊后焊點冷鑲，經水砂200#、500#和1 000#粗磨，金相砂紙500#和800#精磨后，使用1 μm金剛石拋光劑拋光，以備顯微鏡觀察。通過掃描電子顯微鏡SEM（ZEISS EVO 18 Special Edition）及其能譜設備EDS觀察其接頭組織形貌，定量分析其化學成分。

3 實驗結果及討論

3.1 超聲輔助釬焊工藝與常規釬焊焊點的對比

圖5為采用SnXX超聲輔助釬焊和常規釬焊銅導體和銅端子的宏觀形貌。釬焊后PIN位錫點飽滿，PIN位的前端沒有未熔的錫膏，焊杯界面沒有產生過多的錫珠，如圖5a所示。傳統釬焊條件下，焊點周圍存在飛濺導致的錫珠[10-11]，如圖5b所示。

圖6為采用SnXX超聲輔助釬焊和常規釬焊銅導體和銅端子的橫截面宏觀形貌。常規釬焊容易出現氧化膜未清除干凈導致的未焊合（見圖6a），釬料填充不足導致的縮孔，未排除氣孔以及反應生成化合物層間的裂紋（見圖6b）。相對應的，超聲輔助釬焊的焊點呈圓形圓滑過渡，界面結合良好，未觀察到未焊合、縮孔、氣孔和裂紋等缺陷（見圖6c）。這是因為釬焊過程中加入了超聲波振動，一方面其在液態釬料中的空化作用可以完全去除釬料及母材的氧化膜，實現釬料與母材的冶金結合；另一方面，可以增強釬料的毛細作用，填料更均勻，還能加速氣體的排除[8]。通過控制超聲作用時間可以有效控制界面反應速率和化合物的厚度。

圖5 不同釬焊方法焊點的宏觀形貌

3.2 超聲輔助釬焊焊點顯微組織分析

超聲波輔助釬焊后的接頭界面顯微組織形貌如圖7所示。由圖7a可知，釬料與PCB板和銅導線均發生了化學反應，形成冶金結合。結合EDS分析結果（見表1），圖7a中銅導線界面上形成約2 μm厚的化合物Cu6Sn5相，而PCB板的界面上化合物分布比較疏松，沒有觀察到連續的化合物層，為（Cu，Ni）6Sn5相，固溶了少量的Ni[9]。這是因為鍍Ni層的存在減緩了Cu層與釬料的反應速率。觀察遠離PCB板界面的銅導線界面，如圖7b所示，每根銅導線與釬料均形成了冶金結合，其界面上也形成了數量不同、大小不一的塊狀Cu6Sn5相。圖7c為SnXX釬料在紫銅板上的鋪展潤濕的界面形貌，超聲作用時間為3 s。相比PCB/釬料界面，一方面沒有Ni層阻擋，另一方面超聲作用時間延長，因此紫銅/釬料界面上形成了3.5 μm的化合物反應層，可以分為靠近紫銅板的致密層和靠近釬料側的疏松層，均為Cu6Sn5相。相比銅導線/釬料界面，延長超聲作用時間，可以加速化學元素間的化學反應，增加化合物層的厚度。

圖6 不同釬焊方法焊點的橫截面宏觀形貌

當超聲振動去除氧化膜后，Cu與Sn會反應生成Cu6Sn5，接著通過原子的擴散作用一部分快速的向釬料側生長，一部分緩慢的向母材側生長[12]。PCB/釬料界面線掃描的分析結果如圖8所示。

從圖中可明顯觀察到Cu元素擴散層的存在。界面化合物的存在阻礙了Cu原子進一步擴散，擴散的Cu原子與Cu6Sn5再次發生反應生成Cu3Sn，Cu3Sn在靠近Cu基板一側而Cu6Sn5存在于IMC層的上方。由于Cu3Sn層的厚度非常薄，小于1 μm[13]，因此，在圖7和圖8上未明顯觀察到。

結合焊點的橫截面宏觀形貌和界面顯微組織形貌可以看出，超聲輔助釬焊技術能夠極大提高焊點連接的可靠性。超聲輔助釬焊技術無需助焊劑，綠色環保，產品合格率大大提升，可與計算機連接實現自動化生產。

4 結論

（1）采用SnXX釬料超聲輔助釬焊技術很好地實現了連接銅導線和銅端子的連接，其焊點形貌呈圓滑過渡，界面結合良好，無明顯缺陷。

圖7 接頭界面的顯微組織形貌

表1 圖7中各點的能譜分析結果

圖8 Cu的擴散

（2）SnXX釬料與銅導線和PCB板的界面均形成冶金結合，其反應生成的化合物均為Cu6Sn5。延長超聲作用時間，可以增加化合物層的厚度，合理厚度的化合層可增加焊點的可靠性。

[1]索曉杰，翟正軍，姜紅梅.USB3.0協議分析與框架設計[J].計算機測量與控制，2012，20（8）：2233-2235.

[2]黃騰.USB Type-C及PD設計驗證面面觀[J].中國集成電路，2016（9）：20-25.

[3]錢乙余.電子組裝中的無鉛軟釬焊技術[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2006：1-10.

[4]范彩云.基于連接器失效機理的例行試驗合理性及有效性分析[D].北京：北京郵電大學，2015：20-80.

[5]周建新.淺談電連接器的失效分析及預防[J].機電元件，2014，34（3）：32-35.

[6]Cilalone J H.Ultrasonic soldering and brazing[J].EWI Insight，2007（20）：4-5.

[7]閆久春，楊春利，劉會杰，等.超聲復合釬焊研究現狀及科學問題[J].機械工程學報，2015，51（24）：41-49.

[8]魏晶慧，高興強，閆久春，等.Fe36Ni合金與SiC增強Al基復合材料的超聲波釬焊研究[J].釬焊學報，2014，35（7）：5-8.

[9]Zhu Q S，Guo J J，Shang J K，et al.Shear of Sn-3.8Ag-0.7Cu solder balls on electrodeposited FeNi Layer[C].2008電子封裝技術與高密度集成技術國際會議，2008：1-4.

[10]馮萃峰，周怡琳.失效連接器觸點表面的SEM和EDS分析[J].電子顯微學報，2004，23（4）：490.

[11]肖祥慧，彭敏放，賀建飚，等.磁頭無鉛微焊點液滴飛濺和失效性分析[J].電子學報，2015，43（4）：769-775.

[12]Hwang C W，Suganuma K，Lee J G，et al.Interface microstructure between Fe-42Ni alloy and pure Sn[J].J.Mater. Res.，2003，18（5）：1202-1210.

[13]吳懿平，鮮飛.電子組裝技術[D].武昌：華中科技大學出版社，2006：24-25.

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.

獻

郭吉昌，朱志明，閆國瑞，等.基于UG的弧焊機器人離線編程系統開發[J].電焊機，2017，47（01）：1-6.

2016-07-06；

：2016-12-10

國家自然科學基金（51205047）；廣東省科技支撐計劃

賴志偉（1974—），男，湖南人，在讀博士，主要從事高速互聯技術的研究。