釬焊及焊接機理

1、一一 焊料焊料 1.1 定義凡是用來熔合兩種或兩種以上的金屬面，使之形成一個整體的金屬的合金都叫焊料。1.2 分類根據(jù)焊接溫度不同，常分為以下兩大類：硬釬焊料：焊接溫度大于450時所用的焊料，稱為“硬釬料”。軟釬焊料：焊接溫度小于450是所用的焊料，稱為“軟釬料”。由于該類焊料均屬錫基焊料（錫焊料）。在錫基焊料中現(xiàn)分成有鉛和無鉛兩大類。1.3 條件焊料的主要作用就是把被焊物連接起來，對電路來說構(gòu)成一個通道。常用焊錫具備的條件： 1)熔點低于被焊工件。 2)易于與被焊物連成一體，要具有一定的抗壓能力。 3)要有較好的導(dǎo)電性能。 4)要有較快的結(jié)晶速度。1.4 錫鉛焊料在錫中加入鉛可獲得的優(yōu)良性能

2、：降低熔點，便于焊接改善機械特性：抗拉強度和剪切強度對得到提高。降低界面張力：焊料的擴散性，即潤濕性，會因表面張力及粘度的下降得到改善，從而增大了流動性?？寡趸恒U是穩(wěn)定的金屬，不易氧化，使焊點抗氧化性能增加。同時，錫中加入鉛可以免灰錫的影響。避免產(chǎn)生晶須：隨著金屬鉛的加入，含錫量70以下的各種鉛錫焊料，都可以避免錫須的產(chǎn)生。從圖中可以看出，在B點合金不呈半液體狀態(tài)，可以有固體直接變成液體，B點稱為共晶點。按共晶點的配比配制的合金稱為共晶合金。錫鉛合金焊錫的共晶點配比為錫63%鉛37%，這種焊錫稱為共晶焊錫。熔化溫度為183。當錫的含量高于63%，溶化溫度升高，強度降低。當錫的含量少于10%時

3、，焊接強度差，接頭發(fā)脆，焊料潤滑能力變差。最理想的是共晶焊錫。在共晶溫度下，焊錫固體與液體之間相互轉(zhuǎn)化，也減少了虛焊現(xiàn)象。所以共晶焊錫應(yīng)用得非常的廣泛。B 1.4.1 共晶焊錫鉛錫共晶二相圖ABCDEFG如表所示，由于錫和鉛的密度不同，故焊料的熔化溫度、密度、電導(dǎo)率及機械特性等都有所不同。 其中含Sn37Pb組分的焊料，其抗拉強度和抗剪強度均很高，機械性能也好，從電氣特性來看，隨著錫成分的增加，其導(dǎo)電性能也就更好。 1.4.2 有鉛焊錫合金的特性1.4.3 雜質(zhì)對有鉛焊錫的影響錫焊中往往含有少量其它元素，這些元素，會影響焊錫的熔點、導(dǎo)電性，抗拉強度等物理、機械性能。1.4.4 鉛產(chǎn)生的不良影響

4、CO2 NOX SOXHCl HF鉛是一種多親和性毒素，主要損害神經(jīng)系統(tǒng)、造血系統(tǒng)和消化系統(tǒng)。鉛毒對水、土壤空氣均可產(chǎn)生污染。為了防止鉛的進一步污染，國家在電子學(xué)生產(chǎn)制造業(yè)中實施無鉛替代計劃。1.5 無鉛焊料無鉛焊料是相對于有鉛焊料而言的，在有鉛焊料中，鉛是作為一種基體元素存在的，但并不意味著無鉛焊料中絕對不含鉛，Pb可以作為一種雜質(zhì)元素存在，只不過要有一個上限。一般規(guī)定，Pb的含量CuNiAgAlSnAu可以再循環(huán)利用，成本低地球上的儲量能滿足市場需求。某些元素，如In、Ce等銀儲量小，只能作為添加成分能加工成工業(yè)上所需的棒料，線料及粉料等各種形狀Sn-CuSn-AgSnAgCuBiZn高強

5、度高強度強強氧化氧化低融點低融點低成本低成本Sn-Ag-Cu217 Sn-Zn-Bi199 Sn-Ag-Bi (-Cu)215 Sn-BiSn-Cu227Sn-Zn1.5.4 無鉛焊料的組合最有可能替代Sn/Pb焊料的元毒合金是Sn為主，添加Ag、Zn、Cu、Sb、Bi、In等金屬元素，通過焊料合金化來改善合金性能提高可焊性。.目前常用的無鉛焊料主要是以Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Bi為基體，添加適量其它金屬元素組成三元合金和多元合金。1.5.5 Sn-Ag系Sn-Ag系與Sn-Pb體系焊錫的很多情況較接近，應(yīng)用比較多。在Sn-Ag體系中，適當加入一些銅，除了熔點有所降低外，還提高了焊接可靠

6、性，而且添加Cu以后，能夠減少所焊材料中銅的溶蝕，因此逐漸成為國際上標準的無鉛焊料。特點：作為Sn-Ag系無鉛焊錫的最大特征，是耐熱疲勞性明顯優(yōu)于Sn-Pb體系焊錫。使用在要求接合部長期可靠性的機器中最合適。作為Sn-Pb體系焊錫替代品使用，Sn-Ag系無鉛焊錫的主要問題是熔點偏高，另外與Sn-Pb體系焊錫比成本也較高。 1.5.6 Sn-Zn系Sn-Zn系無鉛焊錫的拉伸強度、初期強度、長時間強度變化都比Sn-Pb系焊錫優(yōu)越，延展性也與Sn-Pb系焊錫具有相同值，另外，Zn的毒性也弱，成本也低。但Sn-Zn系焊錫也存在不足之處：Zn穩(wěn)定性不好，易氧化；需選用有效助焊劑。1.5.7 Sn-Bi系

7、 Sn-Bi系無鉛焊錫的特點是熔點低，對于那些耐熱性差的電子元器件焊接有利，另外Sn-Bi系無鉛焊錫的保存穩(wěn)定性也好，可使用與Sn-Pb焊錫大體相同的助焊劑在大氣中焊接，潤濕性好。Sn-Bi系無鉛焊錫的不足之處在于隨著Bi的加入量增大，使焊錫變得硬、脆、加工性能大幅度下降，焊接可靠性變壞。因此，必須控制加入量在適當范圍內(nèi)。 熔焊熔焊焊接種類焊接種類 壓焊壓焊 釬焊釬焊釬焊釬焊壓焊壓焊熔焊熔焊超聲壓焊超聲壓焊金絲球焊金絲球焊激光焊激光焊二二 焊接機理焊接機理2.1 焊接電弧焊、氣焊硬釬焊（Brazing）軟釬焊(Solering) 釬焊釬焊:是指采用熔是指采用熔點或液相線溫度比點或液相線溫度比母

8、材低的填充材料，母材低的填充材料，在加熱溫度低于母在加熱溫度低于母材熔點的條件下實材熔點的條件下實現(xiàn)金屬間冶金結(jié)合現(xiàn)金屬間冶金結(jié)合的技術(shù)的技術(shù) 軟釬焊軟釬焊: 是將熔點低于是將熔點低于450的釬料熔化，依靠毛細作用填充焊的釬料熔化，依靠毛細作用填充焊縫，使液態(tài)釬料潤濕固體母材表面并產(chǎn)生相互溶解和擴散形成縫，使液態(tài)釬料潤濕固體母材表面并產(chǎn)生相互溶解和擴散形成界面金屬間化合物，隨著溫度的降低，焊縫凝固而實現(xiàn)金屬鍵界面金屬間化合物，隨著溫度的降低，焊縫凝固而實現(xiàn)金屬鍵合的一類技術(shù)。合的一類技術(shù)。電子裝配的核心連接技術(shù)：焊接技術(shù)焊接技術(shù)的重要性 焊點是元器件與印制電路板電氣連接和機械連接的連接點。焊點

9、的結(jié)構(gòu)和強度就決定了電子產(chǎn)品的性能和可靠性。釬焊技術(shù)手工烙鐵焊接浸焊波峰焊再流焊助焊劑焊料母材潤濕、擴散、母材溶蝕、合金層形成除去氧化膜，表面張力，置換反應(yīng)焊料的氧化，表面張力，粘度構(gòu)成軟釬焊的基本要素是：母材（基底金屬）、焊料和助焊劑表面清潔表面清潔焊件加熱焊件加熱熔錫潤濕熔錫潤濕擴散結(jié)合層擴散結(jié)合層冷卻后形成焊點冷卻后形成焊點2.2 錫焊機理2.2.1 潤濕又稱浸潤，是指熔融焊料在金屬表面形成均勻、平滑、連續(xù)并附著牢固的焊料層。（粗看來金屬表面是光滑的，但是若是在顯微鏡下觀察的話會發(fā)現(xiàn)，表面會有很多凹凸不平和劃痕等，融化的焊料就是隨著這些劃痕和凹凸，產(chǎn)生毛細作用，引起漫流潤濕的。）它是液體

10、在固體表面漫流的一種物理現(xiàn)象，屬于物體固有的性質(zhì)，它是焊接的首要條件。潤濕性的好壞主要是由潤濕角來衡量的。潤濕角潤濕角=焊料和母材之間的界面與焊料表面切線之間的夾角潤濕程度主要決定于焊件表面的清潔程度及焊料的表面張力。反潤濕 潤濕條件（a）液態(tài)焊料與母材之間有良好的親和力，能互相溶解。 互溶程度取決于：原子半徑和晶體類型。因此潤濕是物質(zhì)固有的性質(zhì)。(b)液態(tài)焊料與母材表面清潔，無氧化層和其它污染物。 清潔的表面使焊料與母材原子緊密接近，產(chǎn)生引力，稱為潤濕力。當焊料與被焊金屬之間有氧化層和其它污染物時，妨礙金屬原子自由接近，不能產(chǎn)生潤濕作用。毛細管現(xiàn)象毛細管現(xiàn)象焊接過程中熔融焊料能在很短的時間內(nèi)

11、浸透到接頭的窄縫中，這種浸透性是由焊料的潤濕性所左右的，通常把液體浸透窄縫的現(xiàn)象稱為毛細管現(xiàn)象。DBACDBAC焊料將三種部件材料焊在一起，在確保焊料和足夠的熱量供給的情況下，熔融焊料就由于毛細管現(xiàn)象驅(qū)使沿著 的方向浸透，如果材料間的間隙適宜，則熔融焊料能在瞬間浸透各縫隙，從而達到焊接連接的目的。 表面張力液態(tài)釬料對固體母材表面的潤濕和填縫與表面張力密切相關(guān)。產(chǎn)生原因：受液相和氣相相鄰分子的引力不同定義 ：表面分子受到的指向液相內(nèi)部的引力（內(nèi)聚力）矢量：既有大小，又有方向（指向內(nèi)部）作用：使液體收縮成球形 由此可見，表面張力是液體表面分子所受到的內(nèi)聚力，其方向指向液體內(nèi)部。表面張力促使液體收縮

12、成球形。熔融焊料在金屬表面也有表面張力現(xiàn)象。表面張力與潤濕力熔融焊料在金屬表面潤濕的程度除了與液態(tài)焊料與母材表面清潔程度有關(guān)，還與液態(tài)焊料的表面張力有關(guān)。表面張力與潤濕力的方向相反，不利于潤濕。表面張力在焊接中的應(yīng)用 再流焊當焊膏達到熔融溫度時，在平衡的表面張力的作用下，會產(chǎn)生自定位效應(yīng)（self alignment）。如果表面張力不平衡，焊接后會出現(xiàn)元件位置偏移、吊橋、橋接、等焊接缺陷。波峰焊波峰焊時，由于表面張力與潤濕力的方向相反，因此表面張力是不利于潤濕的因素之一。SMDSMD波峰焊時表面張力造成陰影效應(yīng)波峰焊時表面張力造成陰影效應(yīng) 2.2.2 擴散 （擴散是一種物質(zhì)傳輸?shù)倪^程，方向是由

13、高濃度向低濃度進行，平衡條件是濃度梯度為零）伴隨著熔融焊料在被焊面上擴散的潤濕現(xiàn)象還出現(xiàn)焊料向固體金屬內(nèi)部擴散的現(xiàn)象。 四種擴散形式：表面擴散；晶內(nèi)擴散；晶界擴散；選擇擴散擴散條件： (a)相互距離（金屬表面清潔，無氧化層和其它雜質(zhì)， 兩塊金屬原子間才會發(fā)生引力） (b)溫度（在一定溫度下金屬分子才具有動能） 表面擴散表面擴散 是液態(tài)釬料原子沿著母材表是液態(tài)釬料原子沿著母材表面進行的擴散。其原因是由于兩金屬界面進行的擴散。其原因是由于兩金屬界面處原子之間的引力引起的。面處原子之間的引力引起的。圖圖2.17 表面擴散模型圖表面擴散模型圖 晶內(nèi)擴散晶內(nèi)擴散 是液態(tài)釬料原子擴散到母是液態(tài)釬料原子擴散

14、到母材表面后，繼續(xù)擴散到晶粒中去的過程。材表面后，繼續(xù)擴散到晶粒中去的過程。它沿著不同的方向其擴散程度不同。通它沿著不同的方向其擴散程度不同。通過晶內(nèi)擴散在母材內(nèi)部生成新的合金。過晶內(nèi)擴散在母材內(nèi)部生成新的合金。 2.18 晶內(nèi)擴散模型圖晶內(nèi)擴散模型圖 晶界擴散晶界擴散 是液態(tài)釬料原子擴散到母材表是液態(tài)釬料原子擴散到母材表面后，繼續(xù)沿母材晶界向內(nèi)部擴散。實際上，面后，繼續(xù)沿母材晶界向內(nèi)部擴散。實際上，在高溫下將同時發(fā)生晶界擴散和晶內(nèi)擴散。在高溫下將同時發(fā)生晶界擴散和晶內(nèi)擴散。 圖圖2.19 晶界擴散模型圖晶界擴散模型圖 選擇擴散選擇擴散 釬料中某一種元素先擴散，或釬料中某一種元素先擴散，或只有

15、某一種元素擴散，其它元素不擴散，這只有某一種元素擴散，其它元素不擴散，這種擴散稱為選擇擴散。如用種擴散稱為選擇擴散。如用Sn-Pb合金時，合金時，Sn向母材擴散，而向母材擴散，而Pb不擴散。不擴散。圖圖2.20 選擇擴散模型圖選擇擴散模型圖Pb表面擴散表面擴散晶內(nèi)擴散晶內(nèi)擴散晶界擴散晶界擴散選擇擴散選擇擴散晶粒晶粒 例如，用錫鉛焊料焊接銅件，焊接過程中既有表面擴散，又有晶界擴散和晶內(nèi)擴散。錫鉛焊料中的鉛只參與表面擴散，而錫和锏原子相互擴散，這是不同金屬性質(zhì)決定的選擇擴散。正是由于這種擴散作用，在兩者界面形成新的合金，從而使焊料和焊件牢固地結(jié)合。金屬間結(jié)合層Cu3Sn和Cu6Sn5放大放大1,000倍的倍的QFP引腳焊點橫截面圖引腳焊點橫截面圖 焊縫的組織：母材區(qū)新生合金層區(qū)焊料金屬區(qū)。 其界面合金層的厚度、形狀和成分取決于釬料與被焊金屬的材質(zhì)、釬焊溫度、時間以及釬劑的性質(zhì)。以63Sn/37Pb焊料為例，共晶點為183 焊接后（210-230）生成金屬間結(jié)合層：Cu6Sn5和Cu3Sn（軟釬料中主要使用的是錫金合金，Sn能與不同的金屬反應(yīng)生成金屬間化