供稿人：王林、张航 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2023-02-13
电气连接焊盘，例如金属焊盘，是电子中印刷电路板封装的关键部分。它们在电子电路和电子元件之间提供电气连接。当暴露在空气环境中时，这种电连接垫的会发生氧化，因此在运输或储存过程中，焊盘上会覆盖一层金属氧化物，从而导致电焊盘的可焊性降低甚至无法使用。因此，为了克服这种缺陷，应考虑对其添加保护层。例如，使用银或金等贵金属层，在运输或储存过程中覆盖电气连接垫，以避免其直接暴露于空气环境中发生氧化。然而，添加保护层需要在印刷电路板过程中增加专用的设备和步骤，这使得生产难度和生产成本大幅度增加。
由于电焊盘的可焊性对于电子设备的耐用性、性能和可靠性等方面起着关键作用，在欧洲有害物质限制条例（RoHS）的推动下，对于无铅焊料的需求上升，并使得锡基无铅焊料的的需求提高。然而，由于该材料的熔融温度较高，仍然难以大规模应用于实际。总之，在不使用额外表面涂层的情况下，对电气连接焊盘的可焊性及其制造的技术改进仍需要进一步的研究。
通过激光抛光改变电焊盘的表面结构有可能实现无涂层的表面，特别是微米级和纳米级的结构。由超短激光脉冲产生的激光诱导周期性表面结构（LIPSS），由于其多功能的应用前景而备受关注，在最近的研究中，基于LIPSS的表面功能研究分别在结构颜色、可再生能源、细胞生长、摩擦学和润湿性等领域得到证明。例如在摩擦学领域，通过应用多层微米和纳米级结构使表面发生化学改性，从而实现疏水和亲水两种润湿状态。 基于此，2021年12月，阿沙芬堡应用科学大学应用激光和光子学小组通过激光诱导的周期性表面结构来提高印刷电路板焊盘的可焊性。通过设定激光脉冲间距10 、扫描速度1000mm/s、能量密度0.8 在铜基板上产生LIPSS，通过原子力显微镜观察到到结构如图1所示，表面结构波纹的波长大约为992nm，比激光波长1030nm略低，这些结构的平均深度大概在120nm。
图1. 原子力显微镜下的表面结构。
首先对铜基板表面抛光，并使用超声波和丙酮对进行清洁处理，初始抛光步骤的目的是去除天然氧化层，分别对初始表面和激光处理后的表面进行观察，结果如图2所示。可以看到这两种表面对于含铅和无铅焊料都表现出非常好的润湿性。
然而在实际生产中，电路板经过一段时间的存放后，会在焊盘表面会表现出一定的氧化层，从而降低焊盘的可焊性，将初始铜基板和激光处理后的铜基板分别在室温下的空气环境中储存14天，并对其进行可焊性试验，结果如图3所示，铜基板的氧化降低了表面的润湿性。对于含铅的焊料，初始表面与抛光表面相比，润湿面积减少约14%。
图2. (a).初始和LIPSS表面上含铅和无铅焊膏焊料的表面覆盖情况;(b).含铅焊膏在参考表面的覆盖情况； (c).含铅焊膏在LIPSS表面的覆盖情况。
而对于无铅焊料，对其进行焊接性试验，初始表面和激光处理后表面的情况分别如图3（b）和（c）所示，初始表面的焊料从圆形模板几何形状中坍塌，从而清晰地显示了基板材料氧化的问题，焊料覆盖面积减小到22.8mm²左右。而激光处理后的基板覆盖面积仍在30mm²左右，下降的较少，这表面激光诱导的周期性表面结构，可以对老化的表面进行改性，从而恢复表面的增湿性，并且适用于无铅和无铅焊料。
图3. (a).14天氧化后初始和LIPSS表面上含铅和无铅焊膏焊料的表面覆盖情况;(b).无铅焊膏在参考表面的覆盖情况；(c).无铅焊膏在LIPSS表面的覆盖情况。
使用基于超短激光脉冲的表面功能化可以提高铜可焊性的可能性，通过确保在环境条件下自然氧化的情况下有足够的润湿性，可以在储存后显着提高可焊性。
通过使用含铅和无铅焊锡膏进行可焊性试验，测试了不同表面条件下的可焊性。对焊料覆盖表面的测量意味着通过激光诱导的周期性表面结构可以增强电气焊盘表面的润湿性。