錫焊機理與焊點可靠性分析

1、一一. 概述概述 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電子裝配的核心電子裝配的核心連接技術(shù)：焊接技術(shù)連接技術(shù)：焊接技術(shù)焊接技術(shù)的重要性焊接技術(shù)的重要性 焊點是元器件與印制電路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。焊點的結(jié)構(gòu)和強板電氣連接和機械連接的連接點。焊點的結(jié)構(gòu)和強度就決定了電子產(chǎn)品的性能和可靠性。度就決定了電子產(chǎn)品的性能和可靠性。焊接方法（釬焊技術(shù)）焊接方法（釬焊技術(shù)） 手工烙鐵焊接手工烙鐵焊接 浸焊浸焊 波峰焊波峰焊 再流焊再流焊軟釬焊軟釬焊 焊接學中，把焊接溫度低于焊接學中，把焊接溫度低于450

2、的焊的焊接稱為軟釬焊，所用焊料為軟釬焊料。接稱為軟釬焊，所用焊料為軟釬焊料。 軟釬焊特點軟釬焊特點 釬料熔點低于焊件熔點。釬料熔點低于焊件熔點。 加熱到釬料熔化，潤濕焊件。加熱到釬料熔化，潤濕焊件。 焊接過程焊件不熔化。焊接過程焊件不熔化。 焊接過程需要加焊劑。（清除氧化層）焊接過程需要加焊劑。（清除氧化層） 焊接過程可逆。（解焊）焊接過程可逆。（解焊） 電子焊接電子焊接是通過熔融的焊料合金與是通過熔融的焊料合金與兩個被焊接金屬表面之間生成金屬間合金層兩個被焊接金屬表面之間生成金屬間合金層（焊縫），從而實現(xiàn)兩個被焊接金屬之間電（焊縫），從而實現(xiàn)兩個被焊接金屬之間電氣與機械連接的焊接技術(shù)。氣與機

3、械連接的焊接技術(shù)。 當焊料被加熱到熔點以上，焊接金屬表面在助焊劑當焊料被加熱到熔點以上，焊接金屬表面在助焊劑的活化作用下，對金屬表面的氧化層和污染物起到清洗的活化作用下，對金屬表面的氧化層和污染物起到清洗作用，同時使金屬表面獲得足夠的激活能。熔融的焊料作用，同時使金屬表面獲得足夠的激活能。熔融的焊料在經(jīng)過助焊劑凈化的金屬表面上進行浸潤、發(fā)生擴散、在經(jīng)過助焊劑凈化的金屬表面上進行浸潤、發(fā)生擴散、溶解、冶金結(jié)合，在焊料和被焊接金屬表面之間生成金溶解、冶金結(jié)合，在焊料和被焊接金屬表面之間生成金屬間結(jié)合層（焊縫），冷卻后使焊料凝固，形成焊點。屬間結(jié)合層（焊縫），冷卻后使焊料凝固，形成焊點。焊點的抗拉強

4、度與金屬間結(jié)合層的結(jié)構(gòu)和厚度有關。焊點的抗拉強度與金屬間結(jié)合層的結(jié)構(gòu)和厚度有關。二二. 錫焊機理錫焊機理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潤濕、黏度、毛細管現(xiàn)象、熱傳導、擴散、溶解潤濕、黏度、毛細管現(xiàn)象、熱傳導、擴散、溶解潤濕角潤濕角焊點的最佳潤濕角焊點的最佳潤濕角 Cu-Pb/Sn 1545 當當=0時，完全潤濕時，完全潤濕；當當=180時，完全不潤濕時，完全不潤濕；=焊料和母材之間的界面焊料和母材之間的界面 與焊料表面切線之間的夾角與焊料表面切線之間的夾角分子運動分子運動（1 1）潤濕）潤濕液體在固體表面漫流的物理現(xiàn)象液體在固體

5、表面漫流的物理現(xiàn)象潤濕是物質(zhì)固有的性質(zhì)潤濕是物質(zhì)固有的性質(zhì) 分子運動分子運動潤濕潤濕條件條件（a a）液態(tài)焊料與）液態(tài)焊料與母材之間有良好的親和力，能互相溶解。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。因此互溶程度取決于：原子半徑和晶體類型。因此潤濕是潤濕是物質(zhì)固有的性質(zhì)。物質(zhì)固有的性質(zhì)。（b b）液態(tài)焊料與）液態(tài)焊料與母材母材表面清潔，無氧化層和其它污染物。表面清潔，無氧化層和其它污染物。 清潔的表面使焊料與清潔的表面使焊料與母材原子緊密接近，產(chǎn)生引力，母材原子緊密接近，產(chǎn)生引力，稱為潤濕力。稱為潤濕力。 當當焊料與焊料與被焊金屬之間有被焊金屬之間有氧化層和其

6、它污染物時，妨氧化層和其它污染物時，妨礙金屬原子自由礙金屬原子自由接近，不能產(chǎn)生潤濕作用。這是形成虛焊接近，不能產(chǎn)生潤濕作用。這是形成虛焊的原因之一。的原因之一。分子運動分子運動表面張力表面張力 表面張力表面張力在不同相共同存在的體系中，由于在不同相共同存在的體系中，由于相界面分子與體相內(nèi)分子之間作用力不同，導致相相界面分子與體相內(nèi)分子之間作用力不同，導致相界面總是趨于最小的現(xiàn)象。界面總是趨于最小的現(xiàn)象。 由于液體內(nèi)部分子受到四周分子的作用力是對由于液體內(nèi)部分子受到四周分子的作用力是對稱的，作用彼此抵消，合力稱的，作用彼此抵消，合力=0=0。但是液體表面分子。但是液體表面分子受到液體內(nèi)分子的引

7、力大于大氣分子對它的引力，受到液體內(nèi)分子的引力大于大氣分子對它的引力，因此液體表面都有自動縮成最小的趨勢。因此液體表面都有自動縮成最小的趨勢。 熔融焊料在金屬表面也有表面張力現(xiàn)象。熔融焊料在金屬表面也有表面張力現(xiàn)象。大氣大氣大氣大氣液體內(nèi)部分子受力合力液體內(nèi)部分子受力合力=0=0液體表面分子受液體內(nèi)分子的引力大氣分子引力液體表面分子受液體內(nèi)分子的引力大氣分子引力分子運動分子運動表面張力與潤濕表面張力與潤濕力力 熔融焊料在金屬表面潤濕的程度除了與液態(tài)焊料與熔融焊料在金屬表面潤濕的程度除了與液態(tài)焊料與母材母材表面清潔程度有關，還與液態(tài)焊料的表面張力有關。表面清潔程度有關，還與液態(tài)焊料的表面張力有關

8、。 表面張力與潤濕力的方向相反，不利于潤濕。表面張力與潤濕力的方向相反，不利于潤濕。 表面張力是物質(zhì)的本性，不能消除，但可以改變。表面張力是物質(zhì)的本性，不能消除，但可以改變。分子運動分子運動 再流焊再流焊當焊膏達到熔融溫度時，在當焊膏達到熔融溫度時，在的表面張的表面張力的作用下，會產(chǎn)生自定位效應（力的作用下，會產(chǎn)生自定位效應（self alignmentself alignment）。表）。表面張力使再流焊工藝對貼裝精度要求比較寬松，比較容易面張力使再流焊工藝對貼裝精度要求比較寬松，比較容易實現(xiàn)高度自動化與高速度。同時也正因為實現(xiàn)高度自動化與高速度。同時也正因為“再流動再流動”及及“自定位效應

9、自定位效應”的特點，再流焊工藝對焊盤設計、元器件的特點，再流焊工藝對焊盤設計、元器件標準化有更嚴格的要求。如果表面張力標準化有更嚴格的要求。如果表面張力，焊接后會，焊接后會出現(xiàn)元件位置偏移、吊橋、橋接、等焊接缺陷。出現(xiàn)元件位置偏移、吊橋、橋接、等焊接缺陷。波峰焊波峰焊波峰焊時，由于表面張力與潤濕力的方向波峰焊時，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。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波峰焊時表面張力造成陰影效應 熔融熔融合金的粘度與表面張力是焊料的重要性能。合金的粘度與表面張力是焊料的重要性能。 優(yōu)良的焊料熔融時應具

10、有低的粘度和表面張力，以增優(yōu)良的焊料熔融時應具有低的粘度和表面張力，以增加焊料的流動性及被焊金屬之間的潤濕性。加焊料的流動性及被焊金屬之間的潤濕性。 錫鉛合金的粘度和表面張力與合金的成分密切相關。錫鉛合金的粘度和表面張力與合金的成分密切相關。配比（配比（W%）表面張力表面張力(N/cm)粘度（粘度（mPas)SnPb20804.6710-32.7230704.710-32.4550504.7610-32.1963374.910-31.9780205.1410-31.92錫鉛合金配比與表面張力及粘度的關系（錫鉛合金配比與表面張力及粘度的關系（280測試）測試）粘度與表面張粘度與表面張力力分子運動

11、分子運動提高溫度提高溫度升溫可以降低黏度和表面張力的作用。升溫可以降低黏度和表面張力的作用。 升高溫度可以增加熔融焊料內(nèi)的分子距離，減小焊料內(nèi)升高溫度可以增加熔融焊料內(nèi)的分子距離，減小焊料內(nèi)分子對表面分子的引力。分子對表面分子的引力。適當?shù)慕饘俸辖鸨壤m當?shù)慕饘俸辖鸨壤齋nSn的表面張力很大，增加的表面張力很大，增加PbPb可以降可以降低表面張力。低表面張力。63Sn/37Pb63Sn/37Pb表面張力明顯減小。表面張力明顯減小。 表表 mn/m 粘粘 面面 度度 張張 540 力力 520 500 T（） 480 10 20 30 40 50 Pb含量含量% 溫度對黏度的影響溫度對黏度的影響

12、 250時時Pb含量與表面張力的關系含量與表面張力的關系 增加活性劑增加活性劑能有效地降低焊料的表面張力，還能有效地降低焊料的表面張力，還可以去掉焊料的表面氧化層?？梢匀サ艉噶系谋砻嫜趸瘜?。改善焊接環(huán)境改善焊接環(huán)境采用氮氣保護焊接可以減少高溫采用氮氣保護焊接可以減少高溫氧化。提高潤濕性氧化。提高潤濕性 金屬原子以結(jié)晶排列，原子間作金屬原子以結(jié)晶排列，原子間作用力平衡，保持晶格的形狀和穩(wěn)定。用力平衡，保持晶格的形狀和穩(wěn)定。 當金屬與金屬接觸時，界面上晶當金屬與金屬接觸時，界面上晶格紊亂導致部分原子從一個晶格點陣格紊亂導致部分原子從一個晶格點陣移動到另一個晶格點陣。移動到另一個晶格點陣。擴散條件：

13、相互距離擴散條件：相互距離（金屬表面清潔，無氧化層和其它雜質(zhì)，（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）兩塊金屬原子間才會發(fā)生引力） 溫度溫度（在一定溫度下金屬分子才具有動能）（在一定溫度下金屬分子才具有動能）四種擴散形式：四種擴散形式：表面擴散；晶內(nèi)擴散；晶界擴散；選擇擴散。表面擴散；晶內(nèi)擴散；晶界擴散；選擇擴散。Pb表面擴散表面擴散向晶粒內(nèi)擴散向晶粒內(nèi)擴散分割晶粒擴散分割晶粒擴散選擇擴散選擇擴散晶粒晶粒 金屬間結(jié)合層金屬間結(jié)合層 Cu3Sn和和Cu6Sn5金屬間結(jié)合層金屬間結(jié)合層Cu3Sn和和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

14、圖以以63Sn/37Pb焊料為例，焊料為例，共晶點為共晶點為183 焊接后（焊接后（210-230）生成金屬間結(jié)合層：生成金屬間結(jié)合層： （1 1）金屬間合金層（金屬間結(jié)合層）質(zhì)量與厚度）金屬間合金層（金屬間結(jié)合層）質(zhì)量與厚度（2 2）焊接材料的質(zhì)量）焊接材料的質(zhì)量（3 3）焊料量）焊料量（4 4）PCBPCB設計設計 當溫度達到當溫度達到210-230時，時， Sn向向Cu表面擴散，而表面擴散，而Pb不擴散。初不擴散。初期生成的期生成的Sn-Cu合金為：合金為：Cu6Sn5（相）相）。其中。其中Cu 的重量百分比含的重量百分比含量約為量約為40%。 隨著溫度升高和時間延長，隨著溫度升高和時間

15、延長， Cu 原子滲透（溶解）到原子滲透（溶解）到Cu6Sn5 中，局部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹校植拷Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)镃u3Sn（相）相）， Cu 含量由含量由40%增加到增加到66%。當溫度繼續(xù)升高和時間進一步延長，當溫度繼續(xù)升高和時間進一步延長， Sn/Pb焊料中的焊料中的Sn不斷向不斷向Cu表面擴散，在焊料一側(cè)只留下表面擴散，在焊料一側(cè)只留下Pb，形成，形成富富Pb層層。 Cu6Sn5和和富富Pb層層之間的的界面結(jié)合力非常脆弱，當受到溫度、振動等沖擊，就會在之間的的界面結(jié)合力非常脆弱，當受到溫度、振動等沖擊，就會在焊接界面處發(fā)生裂紋。焊接界面處發(fā)生裂紋。焊縫焊縫(結(jié)合層結(jié)合層)結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖PbCu

16、焊端表面焊端表面CuCu3名稱名稱分子分子式式形成形成位置位置顏色顏色結(jié)晶結(jié)晶性質(zhì)性質(zhì)相相Cu6Sn5焊料潤濕焊料潤濕到到Cu時時立即生成立即生成Sn與與Cu之間的界之間的界面面白色白色球狀球狀珊貝狀珊貝狀良性，強良性，強度高度高相相Cu3Sn溫度高、溫度高、焊接時間焊接時間長引起長引起Cu與與Cu6Sn5之之間間灰色灰色骨針狀骨針狀惡性，強惡性，強度差，脆度差，脆性性 CuCu3SnCu6Sn5富富Pb層層 Sn/Pb拉伸力拉伸力（千（千lbl/in2）*4m時，由于金屬間合金層時，由于金屬間合金層太厚，使連接處失去彈性，由于太厚，使連接處失去彈性，由于金屬間結(jié)合層的結(jié)構(gòu)疏松、發(fā)脆，金屬間結(jié)

17、合層的結(jié)構(gòu)疏松、發(fā)脆，也會使強度小。也會使強度小。*厚度為厚度為0.5m時抗拉強度最佳；時抗拉強度最佳；*0.54m時的抗拉強度可接受；時的抗拉強度可接受；*0.5m時，由于金屬間時，由于金屬間 合金層太薄，幾乎沒有強度；合金層太薄，幾乎沒有強度； 金屬間合金層厚度（金屬間合金層厚度（m）金屬間合金層厚度與抗拉強度的關系金屬間合金層厚度與抗拉強度的關系(a)焊料的合金成份和氧化程度焊料的合金成份和氧化程度 （要求焊膏的合金組分盡量達到共晶或近共晶；（要求焊膏的合金組分盡量達到共晶或近共晶； 含氧量應小于含氧量應小于0.5%，最好控制在，最好控制在80ppm以下）以下）(b) 助焊劑質(zhì)量（凈化表

18、面，提高浸潤性）助焊劑質(zhì)量（凈化表面，提高浸潤性）(c) 被焊接金屬表面的氧化程度（只有在凈化表面，才能發(fā)被焊接金屬表面的氧化程度（只有在凈化表面，才能發(fā)生化學擴散反應）生化學擴散反應）(d) 焊接溫度和焊接時間焊接溫度和焊接時間 焊點和元件受熱的熱量隨溫度和時間的增加而增加。焊點和元件受熱的熱量隨溫度和時間的增加而增加。 金屬間結(jié)合層的厚度與焊接溫度和時間成正比。金屬間結(jié)合層的厚度與焊接溫度和時間成正比。 例如例如183以上，但沒有達到以上，但沒有達到210230時在時在Cu和和Sn之間的擴散、溶解，不能生成足夠的金屬間結(jié)合層。只有之間的擴散、溶解，不能生成足夠的金屬間結(jié)合層。只有在在220

19、 維持維持2秒鐘的條件下才能生成良性的結(jié)合層。但秒鐘的條件下才能生成良性的結(jié)合層。但焊接溫度更高時，擴散反應率就加速，就會生成過多的惡焊接溫度更高時，擴散反應率就加速，就會生成過多的惡性金屬間結(jié)合層。焊點變得脆性而多孔。性金屬間結(jié)合層。焊點變得脆性而多孔。Sn-Pb系焊料金相圖系焊料金相圖A-B-C線線液相線液相線A-D、C-E線線固相線固相線D-F、E-G線線溶解度曲線溶解度曲線D-B-E線線共晶點共晶點L區(qū)區(qū)液體狀態(tài)液體狀態(tài)L+ 、L+ 區(qū)區(qū)二相混合狀態(tài)二相混合狀態(tài) + 區(qū)區(qū)凝固狀態(tài)凝固狀態(tài)最佳焊接最佳焊接溫度線溫度線液態(tài)液態(tài)固態(tài)固態(tài)（3）與焊料量有關）與焊料量有關合金成分合金成分熔點（熔

20、點（ ）Sn-58BiSn-58Bi138138Sn-20In-2.8AgSn-20In-2.8Ag179-189179-189Sn-10Bi-5ZnSn-10Bi-5Zn168-190168-190Sn-8.8ZnSn-8.8Zn198.5198.5Sn-3.5Ag-4.8BiSn-3.5Ag-4.8Bi205-210205-210Sn-7.5Bi-2Ag-0.5CuSn-7.5Bi-2Ag-0.5Cu213-218213-218Sn-3.5Ag-1.5InSn-3.5Ag-1.5In218218Sn-3.5AgSn-3.5Ag221221Sn-2AgSn-2Ag221-226221-226

21、Sn-5SbSn-5Sb232-240232-240合金合金成分成分密度密度g/mm2熔點熔點膨脹膨脹系數(shù)系數(shù)10-6熱傳導熱傳導率率Wm-1K-1電導率電導率%IACS電阻電阻系數(shù)系數(shù)M-cm表面表面張力張力260mNm-18.518323.95011.5154817.521723.573.215.611548 Pb是不擴散的，是不擴散的， Pb在焊縫中只起到填在焊縫中只起到填充作用。另外，無鉛焊料中充作用。另外，無鉛焊料中的含量達到的含量達到95%以上以上。金屬間結(jié)合層的主要成分還是金屬間結(jié)合層的主要成分還是 Sn-Cu(比比Sn/Pb大十幾倍大十幾倍)，液相，液相溫度對成分很敏感。溫度對

22、成分很敏感。 因此因此，造成焊，造成焊接溫度的變化。接溫度的變化。液態(tài)液態(tài)固態(tài)固態(tài)最佳焊最佳焊接溫度接溫度線線Sn-Pb系焊料金相圖系焊料金相圖Sn-Cu(1) PCB設計設計(2) 焊料的質(zhì)量：合金成份及其氧化程度焊料的質(zhì)量：合金成份及其氧化程度(3) 助焊劑質(zhì)量助焊劑質(zhì)量(4) 被焊接金屬表面的氧化程度（元件焊端、被焊接金屬表面的氧化程度（元件焊端、PCB焊盤）焊盤） (5) 工藝：印、貼、焊（工藝：印、貼、焊（）(6) 設備設備(7) 管理管理a 浸入液態(tài)焊料中的固體金屬會產(chǎn)生溶解，生產(chǎn)中將這種現(xiàn)象稱之為浸入液態(tài)焊料中的固體金屬會產(chǎn)生溶解，生產(chǎn)中將這種現(xiàn)象稱之為浸析現(xiàn)象，或浸析現(xiàn)象，或“

23、溶蝕溶蝕”現(xiàn)象，俗稱現(xiàn)象，俗稱“被吃被吃”。b.影響浸析的因素影響浸析的因素被焊金屬、焊料成分、焊料的溫度和流動速度。被焊金屬、焊料成分、焊料的溫度和流動速度。金、銀、銅在焊料中均有較高的溶解速度。金、銀、銅在焊料中均有較高的溶解速度。 溫度上升，溶解速度增加；焊料流動速度增加，溶解速度也增加。溫度上升，溶解速度增加；焊料流動速度增加，溶解速度也增加。c.金、銀在液態(tài)焊料中也有很高溶解能力，在焊接厚膜電路和銀金、銀在液態(tài)焊料中也有很高溶解能力，在焊接厚膜電路和銀-鈀合鈀合金端電極的片式元件時也會出現(xiàn)金端電極的片式元件時也會出現(xiàn)“浸析浸析”現(xiàn)象，使用含銀焊料可以現(xiàn)象，使用含銀焊料可以解決上述問題。解決上述問題。d.在生產(chǎn)中應正確調(diào)節(jié)焊接的時間和溫度，特別是在波峰焊中，以避在生產(chǎn)中應正確調(diào)節(jié)焊接的時間和溫度，特別是在波峰焊中，以避免過量的銅溶于焊料中（免過量的銅溶于焊料中（PCB焊盤、引腳均為銅）。應經(jīng)常監(jiān)測焊焊盤、引腳均為銅）。應經(jīng)常監(jiān)測焊料中銅的含量，一旦超標，應及時清除過量的銅錫合金。料中銅的含量，一旦超標，應及時清除過量的銅錫合金。 63Sn37Pb63Sn37Pb合金的合金的CTECTE是是24.524.5101