釬焊及焊接機(jī)理

1、一一 焊料焊料 1.1 定義凡是用來(lái)熔合兩種或兩種以上的金屬面，使之形成一個(gè)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(shí)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(wú)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(lái)，對(duì)電路來(lái)說(shuō)構(gòu)成一個(gè)通道。常用焊錫具備的條件： 1)熔點(diǎn)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(diǎn)，便于焊接改善機(jī)械特性：抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度對(duì)得到提高。降低界面張力：焊料的擴(kuò)散性，即潤(rùn)濕性，會(huì)因表面張力及粘度的下降得到改善，從而增大了流動(dòng)性。抗氧化：鉛是穩(wěn)定的金屬，不易氧化，使焊點(diǎn)抗氧化性能增加。同時(shí)，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(diǎn)合金不呈半液體狀態(tài)，可以有固體直接變成液體，B點(diǎn)稱為共晶點(diǎn)。按共晶點(diǎn)的配比配制的合金稱為共晶合金。錫鉛合金焊錫的共晶點(diǎn)配比為錫63%鉛37%，這種焊錫稱為共晶焊錫。熔化溫度為183。當(dāng)錫的含量高于63%，溶化溫度升高，強(qiáng)度降低。當(dāng)錫的含量少于10%時(shí)

3、，焊接強(qiáng)度差，接頭發(fā)脆，焊料潤(rùn)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(jī)械特性等都有所不同。 其中含Sn37Pb組分的焊料，其抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均很高，機(jī)械性能也好，從電氣特性來(lái)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(duì)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(huì)影響焊錫的熔點(diǎn)、導(dǎo)電性，抗拉強(qiáng)度等物理、機(jī)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(duì)水、土壤空氣均可產(chǎn)生污染。為了防止鉛的進(jìn)一步污染，國(guó)家在電子學(xué)生產(chǎn)制造業(yè)中實(shí)施無(wú)鉛替代計(jì)劃。1.5 無(wú)鉛焊料無(wú)鉛焊料是相對(duì)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(wú)鉛焊料中絕對(duì)不含鉛，Pb可以作為一種雜質(zhì)元素存在，只不過(guò)要有一個(gè)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(chǔ)量能滿足市場(chǎng)需求。某些元素，如In、Ce等銀儲(chǔ)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(qiáng)

5、度高強(qiáng)度強(qiáng)強(qiáng)氧化氧化低融點(diǎn)低融點(diǎn)低成本低成本Sn-Ag-Cu217 Sn-Zn-Bi199 Sn-Ag-Bi (-Cu)215 Sn-BiSn-Cu227Sn-Zn1.5.4 無(wú)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(guò)焊料合金化來(lái)改善合金性能提高可焊性。.目前常用的無(wú)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(dāng)加入一些銅，除了熔點(diǎn)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(guó)際上標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)鉛焊料。特點(diǎn)：作為Sn-Ag系無(wú)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(zhǎng)期可靠性的機(jī)器中最合適。作為Sn-Pb體系焊錫替代品使用，Sn-Ag系無(wú)鉛焊錫的主要問(wèn)題是熔點(diǎn)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(wú)鉛焊錫的拉伸強(qiáng)度、初期強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)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(wú)鉛焊錫的特點(diǎn)是熔點(diǎn)低，對(duì)于那些耐熱性差的電子元器件焊接有利，另外Sn-Bi系無(wú)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(rùn)濕性好。Sn-Bi系無(wú)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(dāng)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(jī)理焊接機(jī)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(diǎn)或液相線溫度比點(diǎn)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(diǎn)的條件下實(shí)材熔點(diǎn)的條件下實(shí)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(diǎn)低于是將熔點(diǎn)低于450的釬料熔化，依靠毛細(xì)作用填充焊的釬料熔化，依靠毛細(xì)作用填充焊縫，使液態(tài)釬料潤(rùn)濕固體母材表面并產(chǎn)生相互溶解和擴(kuò)散形成縫，使液態(tài)釬料潤(rùn)濕固體母材表面并產(chǎn)生相互溶解和擴(kuò)散形成界面金屬間化合物，隨著溫度的降低，焊縫凝固而實(shí)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(shí)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(diǎn)是元器件與印制電路板電氣連接和機(jī)械連接的連接點(diǎn)。焊點(diǎn)

9、的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)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(rùn)濕、擴(kuò)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(rùn)濕熔錫潤(rùn)濕擴(kuò)散結(jié)合層擴(kuò)散結(jié)合層冷卻后形成焊點(diǎn)冷卻后形成焊點(diǎn)2.2 錫焊機(jī)理2.2.1 潤(rùn)濕又稱浸潤(rùn)，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(lái)金屬表面是光滑的，但是若是在顯微鏡下觀察的話會(huì)發(fā)現(xiàn)，表面會(huì)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(xì)作用，引起漫流潤(rùn)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(rùn)濕性的好壞主要是由潤(rùn)濕角來(lái)衡量的。潤(rùn)濕角潤(rùn)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(rùn)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(rùn)濕 潤(rùn)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(rùn)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(wú)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(rùn)濕力。當(dāng)焊料與被焊金屬之間有氧化層和其它污染物時(shí)，妨礙金屬原子自由接近，不能產(chǎn)生潤(rùn)濕作用。毛細(xì)管現(xiàn)象毛細(xì)管現(xiàn)象焊接過(guò)程中熔融焊料能在很短的時(shí)間內(nèi)

11、浸透到接頭的窄縫中，這種浸透性是由焊料的潤(rùn)濕性所左右的，通常把液體浸透窄縫的現(xiàn)象稱為毛細(xì)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(xì)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(dá)到焊接連接的目的。 表面張力液態(tài)釬料對(duì)固體母材表面的潤(rùn)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(jiàn)，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(rùn)濕力熔融焊料在金屬表面潤(rùn)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(rùn)濕力的方向相反，不利于潤(rùn)濕。表面張力在焊接中的應(yīng)用 再流焊當(dāng)焊膏達(dá)到熔融溫度時(shí)，在平衡的表面張力的作用下，會(huì)產(chǎn)生自定位效應(yīng)（self alignment）。如果表面張力不平衡，焊接后會(huì)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(shí)，由于表面張力與潤(rùn)濕力的方向相反，因此表面張力是不利于潤(rùn)濕的因素之一。SMDSMD波峰焊時(shí)表面張力造成陰影效應(yīng)波峰焊時(shí)表面張力造成陰影效應(yīng) 2.2.2 擴(kuò)散 （擴(kuò)散是一種物質(zhì)傳輸?shù)倪^(guò)程，方向是由

13、高濃度向低濃度進(jìn)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(kuò)散的潤(rùn)濕現(xiàn)象還出現(xiàn)焊料向固體金屬內(nèi)部擴(kuò)散的現(xiàn)象。 四種擴(kuò)散形式：表面擴(kuò)散；晶內(nèi)擴(kuò)散；晶界擴(kuò)散；選擇擴(kuò)散擴(kuò)散條件： (a)相互距離（金屬表面清潔，無(wú)氧化層和其它雜質(zhì)， 兩塊金屬原子間才會(huì)發(fā)生引力） (b)溫度（在一定溫度下金屬分子才具有動(dòng)能） 表面擴(kuò)散表面擴(kuò)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(jìn)行的擴(kuò)散。其原因是由于兩金屬界面進(jìn)行的擴(kuò)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(kuò)散模型圖表面擴(kuò)散模型圖 晶內(nèi)擴(kuò)散晶內(nèi)擴(kuò)散 是液態(tài)釬料原子擴(kuò)散到母是液態(tài)釬料原子擴(kuò)散

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

15、某一種元素?cái)U(kuò)散，其它元素不擴(kuò)散，這只有某一種元素?cái)U(kuò)散，其它元素不擴(kuò)散，這種擴(kuò)散稱為選擇擴(kuò)散。如用種擴(kuò)散稱為選擇擴(kuò)散。如用Sn-Pb合金時(shí)，合金時(shí)，Sn向母材擴(kuò)散，而向母材擴(kuò)散，而Pb不擴(kuò)散。不擴(kuò)散。圖圖2.20 選擇擴(kuò)散模型圖選擇擴(kuò)散模型圖Pb表面擴(kuò)散表面擴(kuò)散晶內(nèi)擴(kuò)散晶內(nèi)擴(kuò)散晶界擴(kuò)散晶界擴(kuò)散選擇擴(kuò)散選擇擴(kuò)散晶粒晶粒 例如，用錫鉛焊料焊接銅件，焊接過(guò)程中既有表面擴(kuò)散，又有晶界擴(kuò)散和晶內(nèi)擴(kuò)散。錫鉛焊料中的鉛只參與表面擴(kuò)散，而錫和锏原子相互擴(kuò)散，這是不同金屬性質(zhì)決定的選擇擴(kuò)散。正是由于這種擴(kuò)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(diǎn)橫截面圖引腳焊點(diǎn)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(shí)間以及釬劑的性質(zhì)。以63Sn/37Pb焊料為例，共晶點(diǎn)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