錫焊機(jī)理與焊點(diǎn)可靠性分析課件

錫焊機(jī)理與焊點(diǎn)可靠性分析顧靄云錫焊機(jī)理與焊點(diǎn)可靠性分析1一.概述二.錫焊機(jī)理三.焊點(diǎn)可靠性分析四.關(guān)于無鉛焊接機(jī)理五.錫基焊料特性內(nèi)容一.概述內(nèi)容2一.概述

熔焊焊接種類壓焊釬焊釬焊壓焊熔焊超聲壓焊金絲球焊激光焊一.概述熔焊釬焊壓焊熔焊超聲壓焊3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)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。電子裝配的核心——連接技術(shù)：焊接技術(shù)4焊接方法（釬焊技術(shù)）手工烙鐵焊接浸焊波峰焊再流焊焊接方法（釬焊技術(shù)）手工烙鐵焊接5軟釬焊焊接學(xué)中，把焊接溫度低于450℃的焊接稱為軟釬焊，所用焊料為軟釬焊料。

軟釬焊焊接學(xué)中，把焊接溫度低于450℃的焊接稱為軟釬6軟釬焊特點(diǎn)釬料熔點(diǎn)低于焊件熔點(diǎn)。加熱到釬料熔化，潤濕焊件。焊接過程焊件不熔化。焊接過程需要加焊劑。（清除氧化層）焊接過程可逆。（解焊）軟釬焊特點(diǎn)釬料熔點(diǎn)低于焊件熔點(diǎn)。7

電子焊接——是通過熔融的焊料合金與兩個(gè)被焊接金屬表面之間生成金屬間合金層（焊縫），從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)被焊接金屬之間電氣與機(jī)械連接的焊接技術(shù)。電子焊接——是通過熔融的焊料合金與兩個(gè)被焊接8當(dāng)焊料被加熱到熔點(diǎn)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作用，同時(shí)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(jìn)行浸潤、發(fā)生擴(kuò)散、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(diǎn)。焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度與金屬間結(jié)合層的結(jié)構(gòu)和厚度有關(guān)。二.錫焊機(jī)理當(dāng)焊料被加熱到熔點(diǎn)以上，焊接金屬表面在助焊劑9錫焊過程——焊接過程是焊接金屬表面、助焊劑、熔融焊料和空氣等之間相互作用的復(fù)雜過程表面清潔焊件加熱熔錫潤濕擴(kuò)散結(jié)合層冷卻后形成焊點(diǎn)物理學(xué)——潤濕、黏度、毛細(xì)管現(xiàn)象、熱傳導(dǎo)、擴(kuò)散、溶解化學(xué)——助焊劑分解、氧化、還原、電極電位冶金學(xué)——合金、合金層、金相、老化現(xiàn)象電學(xué)——電阻、熱電動(dòng)勢材料力學(xué)——強(qiáng)度（拉力、剝離疲勞）、應(yīng)力集中錫焊過程——焊接過程是焊接金屬表面、助焊劑、熔融焊料和空氣等10焊接過程中焊接金屬表面（母材，以Cu為例）、助焊劑、熔融焊料之間相互作用1.助焊劑與母材的反應(yīng)（1）松香去除氧化膜——松香的主要成分是松香酸，融點(diǎn)為74℃。170℃呈活性反應(yīng)，300℃以上無活性。松香酸和Cu2O反應(yīng)生成松香酸銅。松香酸在常溫下和300℃以上不能和Cu2O起反應(yīng)。（2）溶融鹽去除氧化膜——一般采用氯離子Cl-或氟離子F-，使氧化膜生成氯化物或氟化物。（3）母材被溶蝕——活性強(qiáng)的助焊劑容易溶蝕母材。（4）助焊劑中的金屬鹽與母材進(jìn)行置換反應(yīng)。焊接過程中焊接金屬表面（母材，以Cu為例）、助焊劑、熔融焊料112.助焊劑與焊料的反應(yīng)（1）助焊劑中活性劑在加熱時(shí)能釋放出的HCl，與SnO起還原反應(yīng)。（2）活性劑的活化反應(yīng)產(chǎn)生激活能，減小界面張力，提高浸潤性。（3）焊料氧化，產(chǎn)生錫渣。3.焊料與母材的反應(yīng)潤濕、擴(kuò)散、溶解、冶金結(jié)合，形成結(jié)合層。2.助焊劑與焊料的反應(yīng)12錫焊機(jī)理（1）潤濕（2）擴(kuò)散（3）溶解（4）冶金結(jié)合，形成結(jié)合層錫焊機(jī)理（1）潤濕13潤濕角θ焊點(diǎn)的最佳潤濕角Cu----Pb/Sn15~45°

當(dāng)θ=0°時(shí)，完全潤濕；當(dāng)θ=180°時(shí)，完全不潤濕；θ=焊料和母材之間的界面與焊料表面切線之間的夾角分子運(yùn)動(dòng)（1）潤濕液體在固體表面漫流的物理現(xiàn)象潤濕是物質(zhì)固有的性質(zhì)潤濕是焊接的首要條件潤濕角θ焊點(diǎn)的最佳潤濕角當(dāng)θ=0°時(shí)，完全潤濕；當(dāng)θ14潤濕力（Wa

）θBSVCSLALV當(dāng)固、液、氣三相達(dá)到平衡時(shí)：BSV=CSL+ALVCOSθ

BSV：固體與氣體之間的界面張力

可以將BSV看作是液體在固體表面漫流的力（潤濕力：Wa）CSL：固體與液體之間的界面張力ALV：液體與氣體之間的界面張力

BSV與CSL的作用力都沿固體表面，但方向相反。設(shè)潤濕力為Wa，其近似值：將BSV代入式中S：固體L：液體V：氣體θ

：潤濕角L液體S固體Wa≈BSV+ALV-CSLWa=

CSL+ALVCOSθ+ALV-CSLWa

=ALV（1+

COSθ

）——潤濕力關(guān)系式V氣體從潤濕力關(guān)式可以看出：潤濕角θ越小，潤濕力越大潤濕力（Wa）θBSVCSLALV當(dāng)固、液、氣三相達(dá)到平15分子運(yùn)動(dòng)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(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)生潤濕作用。這是形成虛焊的原因之一。分子運(yùn)動(dòng)潤濕條件（a）液態(tài)焊料與母材之間有良好的親和力，能互16分子運(yùn)動(dòng)表面張力

表面張力——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(dǎo)致相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稱的，作用彼此抵消，合力=0。但是液體表面分子受到液體內(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(dòng)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。大氣大氣液體內(nèi)部分子受力合力=0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(yùn)動(dòng)表面張力表面張力——在不同相共同存在的體17分子運(yùn)動(dòng)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。

表面張力是物質(zhì)的本性，不能消除，但可以改變。分子運(yùn)動(dòng)表面張力與潤濕力熔融焊料在金屬表面潤濕的18分子運(yùn)動(dòng)表面張力在焊接中的作用

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，會產(chǎn)生自定位效應(yīng)（selfalignment）。表面張力使再流焊工藝對貼裝精度要求比較寬松，比較容易實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化與高速度。同時(shí)也正因?yàn)椤霸倭鲃?dòng)”及“自定位效應(yīng)”的特點(diǎn)，再流焊工藝對焊盤設(shè)計(jì)、元器件標(biāo)準(zhǔn)化有更嚴(yán)格的要求。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。分子運(yùn)動(dòng)表面張力在焊接中的作用再流焊——當(dāng)焊膏達(dá)19波峰焊——波峰焊時(shí)，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。SMD波峰焊時(shí)表面張力造成陰影效應(yīng)波峰焊——波峰焊時(shí)，由于表面張力與潤濕力的方向相反，因此表面20

?熔融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(shí)應(yīng)具有低的粘度和表面張力，以增加焊料的流動(dòng)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(guān)。配比（W%）表面張力(N/cm)粘度（mPa?s)SnPb20804.67×10-32.7230704.7×10-32.4550504.76×10-32.1963374.9×10-31.9780205.14×10-31.92錫鉛合金配比與表面張力及粘度的關(guān)系（280℃測試）粘度與表面張力 ?熔融合金的粘度與表面張力是焊料的重要性能。配比（W%）21分子運(yùn)動(dòng)焊接中降低表面張力和黏度的措施①提高溫度——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)分子對表面分子的引力。②適當(dāng)?shù)慕饘俸辖鸨壤猄n的表面張力很大，增加Pb可以降低表面張力。63Sn/37Pb表面張力明顯減小。

η表mn/m粘面度張540力520500T（℃）4801020304050Pb含量%

溫度對黏度的影響250℃時(shí)Pb含量與表面張力的關(guān)系

分子運(yùn)動(dòng)焊接中降低表面張力和黏度的措施①提高溫度——升溫可以22③增加活性劑——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。④改善焊接環(huán)境——采用氮?dú)獗Ｗo(hù)焊接可以減少高溫氧化。提高潤濕性③增加活性劑——能有效地降低焊料的表面張力，還可以去掉焊料的23毛細(xì)管現(xiàn)象毛細(xì)管現(xiàn)象是液體在狹窄間隙中流動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出來的特性。將兩塊平行的金屬板或細(xì)管插入液體中，金屬板內(nèi)側(cè)與外側(cè)的液面高度將有所不同，如果液體能夠潤濕金屬板，則內(nèi)側(cè)的液面將高于外側(cè)的液面，反之，金屬板內(nèi)側(cè)的液面將低于外側(cè)的液面。液體能夠潤濕金屬板液體不能潤濕金屬板在熔融焊料中也存在毛細(xì)管現(xiàn)象毛細(xì)管現(xiàn)象毛細(xì)管現(xiàn)象是液體在狹窄間隙中流動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出來的特性。24毛細(xì)管現(xiàn)象在焊接中的作用在軟釬焊過程中，要獲得優(yōu)質(zhì)的釬焊接頭，需要液態(tài)釬料能夠充分流入到兩個(gè)焊件的縫隙中。例如通孔元件在波峰焊、手工焊時(shí)，當(dāng)間隙適當(dāng)時(shí)，毛細(xì)作用能夠促進(jìn)元件孔的“透錫”。又例如再流焊時(shí)，毛細(xì)作用能夠促進(jìn)元件焊端底面與PCB焊盤表面之間液態(tài)焊料的流動(dòng)。毛細(xì)管現(xiàn)象在焊接中的作用在軟釬焊過程中，要獲得優(yōu)質(zhì)的釬焊接頭25毛細(xì)作用—液體在毛細(xì)管中上升高度的表達(dá)式

式中：H—毛細(xì)管中液柱的高度σ—液體（焊料）的表面張力ρ—液體（焊料）的密度g—重力加速度R—毛細(xì)管半徑

2σH=——ρgR從式中看出液體在毛細(xì)管中上升高度：與表面張力成正比；與液體的密度、比重成反比；與毛細(xì)管直徑有關(guān)。毛細(xì)作用—液體在毛細(xì)管中上升高度的表達(dá)式式中：26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。當(dāng)金屬與金屬接觸時(shí)，界面上晶格紊亂導(dǎo)致部分原子從一個(gè)晶格點(diǎn)陣移動(dòng)到另一個(gè)晶格點(diǎn)陣。擴(kuò)散條件：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）

溫度（在一定溫度下金屬分子才具有動(dòng)能）（2）擴(kuò)散四種擴(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。金屬原子以結(jié)晶排列，原子間作用力平衡，保持晶格27PbSn表面擴(kuò)散向晶粒內(nèi)擴(kuò)散分割晶粒擴(kuò)散選擇擴(kuò)散表面擴(kuò)散、晶內(nèi)擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散、選擇擴(kuò)散示意圖Cu表面熔融Sn/Pb焊料側(cè)晶粒PbSn表面擴(kuò)散向晶粒內(nèi)擴(kuò)散分割晶粒擴(kuò)散選擇擴(kuò)散表面擴(kuò)散、晶28（3）溶解母材表面的Cu分子被熔融的液態(tài)焊料溶解或溶蝕。（3）溶解母材表面的Cu分子被熔融的液態(tài)焊料溶解或溶蝕。29

金屬間結(jié)合層Cu3Sn和Cu6Sn5金屬間結(jié)合層Cu3Sn和Cu6Sn5放大1,000倍的QFP引腳焊點(diǎn)橫截面圖以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（4）冶金結(jié)合，形成結(jié)合層（金屬間擴(kuò)散、溶解的結(jié)果）最后冷卻凝固形成焊點(diǎn)金屬間結(jié)合層Cu3Sn和Cu6Sn5金屬間結(jié)合層放大1,30三.焊點(diǎn)可靠性分析

影響焊點(diǎn)強(qiáng)度的主要因素：（1）金屬間合金層（金屬間結(jié)合層）質(zhì)量與厚度（2）焊接材料的質(zhì)量（3）焊料量（4）PCB設(shè)計(jì)三.焊點(diǎn)可靠性分析影響焊點(diǎn)強(qiáng)度的主要因素31當(dāng)溫度達(dá)到210-230℃時(shí)，Sn向Cu表面擴(kuò)散，而Pb不擴(kuò)散。初期生成的Sn-Cu合金為：Cu6Sn5（η相）。其中Cu的重量百分比含量約為40%。隨著溫度升高和時(shí)間延長，Cu原子滲透（溶解）到Cu6Sn5中，局部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)镃u3Sn（ε相），Cu含量由40%增加到66%。當(dāng)溫度繼續(xù)升高和時(shí)間進(jìn)一步延長，Sn/Pb焊料中的Sn不斷向Cu表面擴(kuò)散，在焊料一側(cè)只留下Pb，形成富Pb層。Cu6Sn5和富Pb層之間的的界面結(jié)合力非常脆弱，當(dāng)受到溫度、振動(dòng)等沖擊，就會在焊接界面處發(fā)生裂紋。以63Sn/37Pb焊料與Cu表面焊接為例（1）金屬間合金層（金屬間結(jié)合層）質(zhì)量與厚度當(dāng)溫度達(dá)到210-230℃時(shí)，Sn32焊縫(結(jié)合層)結(jié)構(gòu)示意圖Pb熔融Sn/Pb焊料側(cè)Cu焊端表面CuSnCu6Sn5Cu3Sn富Pb層焊縫(結(jié)合層)結(jié)構(gòu)示意圖Pb熔融Sn/Pb焊料側(cè)Cu焊端表面33焊料直接與Cu生成的合金層紅色的箭指示的是Cu3Sn層焊料直接與Cu生成的合金層紅色的箭指示的是Cu3Sn層34Cu6Sn5與Cu3Sn兩種金屬間結(jié)合層比較名稱分子式形成位置顏色結(jié)晶性質(zhì)η相Cu6Sn5焊料潤濕到Cu時(shí)立即生成Sn與Cu之間的界面白色球狀珊貝狀良性，強(qiáng)度高ε相Cu3Sn溫度高、焊接時(shí)間長引起Cu與Cu6Sn5之間灰色骨針狀惡性，強(qiáng)度差，脆性CuCu3SnCu6Sn5富Pb層Sn/PbCu6Sn5與Cu3Sn兩種金屬間結(jié)合層比較名稱分子式形成位35拉伸力（千lbl/in2）

*＞4μm時(shí)，由于金屬間合金層太厚，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，也會使強(qiáng)度小。*厚度為0.5μm時(shí)抗拉強(qiáng)度最佳；*0.5~4μm時(shí)的抗拉強(qiáng)度可接受；*＜0.5μm時(shí)，由于金屬間合金層太薄，幾乎沒有強(qiáng)度；金屬間合金層厚度（μm）金屬間合金層厚度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系金屬間合金層厚度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系拉伸力*＞4μm時(shí)，由于金屬間合金層太厚，使連接處失去彈性，36金屬間結(jié)合層的質(zhì)量與厚度與以下因素有關(guān)：(a)焊料的合金成份和氧化程度（要求焊膏的合金組分盡量達(dá)到共晶或近共晶；含氧量應(yīng)小于0.5%，最好控制在80ppm以下）(b)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)生化學(xué)擴(kuò)散反應(yīng)）(d)焊接溫度和焊接時(shí)間金屬間結(jié)合層的質(zhì)量與厚度與以下因素有關(guān)：(a)焊料的合金成份37

焊點(diǎn)和元件受熱的熱量隨溫度和時(shí)間的增加而增加。金屬間結(jié)合層的厚度與焊接溫度和時(shí)間成正比。例如183℃以上，但沒有達(dá)到210~230℃時(shí)在Cu和Sn之間的擴(kuò)散、溶解，不能生成足夠的金屬間結(jié)合層。只有在220℃維持2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(shí)，擴(kuò)散反應(yīng)率就加速，就會生成過多的惡性金屬間結(jié)合層。焊點(diǎn)變得脆性而多孔。焊接熱量是溫度和時(shí)間的函數(shù)運(yùn)用焊接理論正確設(shè)置溫度曲線才能獲得最好焊點(diǎn)質(zhì)量。焊點(diǎn)和元件受熱的熱量隨溫度和時(shí)間的增加而增加38Sn-Pb系焊料金相圖①A-B-C線——液相線②A-D、C-E線——固相線③D-F、E-G線——溶解度曲線④D-B-E線——共晶點(diǎn)⑤L區(qū)——液體狀態(tài)⑥L+、L+區(qū)——二相混合狀態(tài)⑦+區(qū)——凝固狀態(tài)（2）焊接材料的質(zhì)量有鉛、無鉛都應(yīng)選擇共晶或近共晶焊料合金最佳焊接溫度線液態(tài)固態(tài)Sn-Pb系焊料金相圖①A-B-C線——液相線（2）焊接材料39（3）與焊料量有關(guān)（3）與焊料量有關(guān)40（4）PCB設(shè)計(jì)（4）PCB設(shè)計(jì)41四.關(guān)于無鉛焊接機(jī)理（1）目前應(yīng)用最多的無鉛焊料合金（2）關(guān)于Sn-Ag-Cu系焊料的最佳成分（3）IPC推薦的無鉛焊料（4）無鉛焊接機(jī)理四.關(guān)于無鉛焊接機(jī)理（1）目前應(yīng)用最多的無鉛焊料合金42（1）目前應(yīng)用最多的無鉛焊料合金目前應(yīng)用最多的用于再流焊的無鉛焊料是三元共晶或近共晶形式的Sn-Ag-Cu焊料。Sn(3~4)wt%Ag(0.5~0.7)wt%Cu是可接受的范圍，其熔點(diǎn)為217℃左右。美國采用Sn3.9Agwt%0.6wt%Cu無鉛合金歐洲采用Sn3.8Agwt%0.7wt%Cu無鉛合金日本采用Sn3.0Agwt%0.5wt%Cu無鉛合金Sn-0.7Cu-Ni焊料合金用于波峰焊。其熔點(diǎn)為227℃。手工電烙鐵焊大多采用Sn-Cu、Sn-Ag或Sn-Ag-Cu焊料。（1）目前應(yīng)用最多的無鉛焊料合金目前應(yīng)用最多的用于再流焊的無43（2）關(guān)于Sn-Ag-Cu系焊料的最佳成分Sn-Ag-Cu系焊料的最佳成分，日、美、歐之間存在一些微小的差別，日本的無鉛實(shí)施在世界上處于領(lǐng)先地位，對無鉛焊料有很深入的研究，他們的研究表明Sn-Ag-Cu焊料中Ag與Sn在221℃形成共晶板狀的Ag3Sn合金，當(dāng)Ag含量超過3.2wt%以后（出現(xiàn)過共晶成分）板狀的Ag3Sn合金會粗大化，粗大的板狀A(yù)g3Sn較硬，拉伸強(qiáng)度降低，容易造成疲勞壽命降低，他們的結(jié)論是：“在共晶點(diǎn)附近，成分不能向金屬間化合物方向偏移”，因此選擇使用低Ag的Sn3Ag0.5Cu。（2）關(guān)于Sn-Ag-Cu系焊料的最佳成分Sn-Ag-Cu系44Sn-Ag-Cu無鉛焊料中Ag與Sn在221℃形成

共晶板狀的Ag3Sn合金板狀的Ag3Sn較硬，當(dāng)Ag含量超過3.2wt%以后（出現(xiàn)過共晶成分）拉伸強(qiáng)度降低，容易造成疲勞壽命降低，因此推薦使用低Ag的Sn3Ag0.5Cu。結(jié)論：“在共晶點(diǎn)附近，成分不能向金屬間化合物方向偏移”Sn-Ag-Cu無鉛焊料中Ag與Sn在221℃形成

共晶板狀45（3）IPC推薦的無鉛焊料：

Ag含量為3.0wt%的Sn-Ag-Cu焊料由于Sn95.8\Ag3.5\Cu0.7無鉛焊料美國已經(jīng)有了專利權(quán)；另外由于Ag含量為3.0wt%的焊料沒有專利權(quán)；價(jià)格相對較便宜；焊點(diǎn)質(zhì)量較好。因此IPC推薦采用Ag含量為3.0wt%（重量百分比）的Sn-Ag-Cu焊料。（3）IPC推薦的無鉛焊料：

Ag含量為3.0wt%的Sn-46合金成分熔點(diǎn)（℃）Sn-37Pb（傳統(tǒng)）183Sn-58Bi138Sn-20In-2.8Ag179-189Sn-10Bi-5Zn168-190Sn-8.8Zn198.5Sn-3.5Ag-4.8Bi205-210Sn-7.5Bi-2Ag-0.5Cu213-218Sn95.8\Ag3.5\Cu0.7217-218Sn-3.5Ag-1.5In218Sn96.5\Ag3.0\Cu0.5216-220Sn-3.5Ag221Sn-2Ag221-226Sn-0.7Cu-Ni(用于波峰焊)227Sn-5Sb232-240無鉛焊料合金的熔點(diǎn)合金成分熔點(diǎn)（℃）Sn-37Pb（傳統(tǒng)）183Sn-58B47Sn63\Pb37與Sn\Ag3.8\Cu0.7性能比較合金成分密度g/mm2熔點(diǎn)℃膨脹系數(shù)×10-6熱傳導(dǎo)率Wm-1K-1電導(dǎo)率%IACS電阻系數(shù)MΩ-cm表面張力260℃mNm-1Sn63\Pb378.518323.95011.515481Sn\Ag3.8\Cu0.77.521723.573.215.611548Sn63\Pb37與Sn\Ag3.8\Cu0.7性能比較合金48繼續(xù)攻克研究更理想的無鉛焊料

雖然Sn基無鉛合金已經(jīng)被較廣泛的應(yīng)用，但與Sn63\Pb37共晶焊料相比較仍然有以下問題：熔點(diǎn)高34℃表面張力大、潤濕性差價(jià)格高但I(xiàn)PC認(rèn)為：無鉛焊料的種類不能很多，要單一標(biāo)準(zhǔn)化，否則對元件、對可靠性會有很大影響。IPC-A-610D就是以Sn-Ag–Cu焊料做的標(biāo)準(zhǔn)。繼續(xù)攻克研究更理想的無鉛焊料雖然Sn基無鉛合金已經(jīng)49（4）無鉛焊接機(jī)理無鉛焊接過程、原理與63Sn-37Pb基本是一樣的。主要區(qū)別是由于合金成分和助焊劑成分改變了，因此焊接溫度、生成的金屬間結(jié)合層及其結(jié)合層的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、可靠性也不同了。何況有鉛焊接時(shí)Pb是不擴(kuò)散的，Pb在焊縫中只起到填充作用。另外，無鉛焊料中Sn的含量達(dá)到95%以上。金屬間結(jié)合層的主要成分還是Cu6Sn5和Cu3Sn

。當(dāng)然也不能忽視次要元素也會產(chǎn)生一定的作用。（4）無鉛焊接機(jī)理無鉛焊接過程、原理與63Sn-37Pb基本50Sn-Ag-Cu系統(tǒng)中

Sn與次要元素Ag和Cu之間的冶金反應(yīng)在Sn-Ag-Cu三個(gè)元素之間有三種可能的二元共晶反應(yīng)：（a）Ag與Sn在221℃形成錫基質(zhì)相位的共晶結(jié)構(gòu)和ε金屬之間的化合相位(Ag3Sn)。（b）Cu與Sn在227℃形成錫基質(zhì)相位的共晶結(jié)構(gòu)和η金屬間的化合相位(Cu6Sn5)。（c）Ag與Cu在779℃形成富Agα相和富Cuα相共晶合金。但在Sn-Ag-Cu的三種合金固化溫度的測量研究中沒有發(fā)現(xiàn)779℃相位轉(zhuǎn)變。在溫度動(dòng)力學(xué)上解釋：更適于Ag或Cu與Sn反應(yīng)，生成Ag3Sn和Cu6Sn5。Sn-Ag-Cu系統(tǒng)中

Sn與次要元素Ag和Cu之間的冶金反51Sn-Ag-Cu三元合金相圖液態(tài)時(shí)的成分：L→Sn+Cu6Sn5+Ag3Sn在平衡狀態(tài)凝固的結(jié)晶是很規(guī)則的形狀（冷卻速度無限慢時(shí)）實(shí)際生產(chǎn)條件下是非平衡狀態(tài)凝固的結(jié)晶Sn-Ag-Cu三元合金相圖液態(tài)時(shí)的成分：在平衡狀態(tài)凝固的結(jié)52Sn-Ag-Cu合金凝固特性

導(dǎo)致無鉛焊點(diǎn)顆粒狀外觀粗糙非平衡狀態(tài)凝固：Sn先結(jié)晶，以枝晶狀（樹狀）出現(xiàn)，中間夾Cu6Sn5和Ag3Sn。Sn-Ag-Cu焊點(diǎn)金相切片Sn-Ag-Cu合金凝固特性

導(dǎo)致無鉛焊點(diǎn)顆粒狀外觀粗糙非平53Sn-Cu合金二元相圖Sn-Cu的液相線斜率大(比Sn/Pb大十幾倍)，液相溫度對成分很敏感。因此少量成分變化，就會使熔點(diǎn)偏移，造成焊接溫度的變化。熔點(diǎn)隨成分變化而變化波峰焊時(shí)隨著Cu不斷增加，熔點(diǎn)也不斷提高。液態(tài)固態(tài)最佳焊接溫度線Sn-Pb系焊料金相圖Sn-Cu系焊料合金Sn-Cu合金二元相圖Sn-Cu的液相線斜率大熔點(diǎn)隨成分變54影響焊接質(zhì)量的主要因素(1)PCB設(shè)計(jì)(2)焊料的質(zhì)量：合金成份及其氧化程度無論有鉛、無鉛都應(yīng)選擇共晶或近共晶焊料合金(3)助焊劑質(zhì)量(4)被焊接金屬表面的氧化程度（元件焊端、PCB焊盤）(5)工藝：印、貼、焊（正確的溫度曲線）(6)設(shè)備(7)管理影響焊接質(zhì)量的主要因素(1)PCB設(shè)計(jì)55五.錫基焊料特性五.錫基焊料特性56a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“溶蝕”現(xiàn)象，俗稱“被吃”。b.影響浸析的因素——被焊金屬、焊料成分、焊料的溫度和流動(dòng)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(dòng)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-鈀合金端電極的片式元件時(shí)也會出現(xiàn)“浸析”現(xiàn)象，使用含銀焊料可以解決上述問題。d.在生產(chǎn)中應(yīng)正確調(diào)節(jié)焊接的時(shí)間和溫度，特別是在波峰焊中，以避免過量的銅溶于焊料中（PCB焊盤、引腳均為銅）。應(yīng)經(jīng)常監(jiān)測焊料中銅的含量，一旦超標(biāo)，應(yīng)及時(shí)清除過量的銅錫合金。浸析現(xiàn)象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57

63Sn37Pb合金的熱膨脹系數(shù)CTE是24.5×10-6，從室溫升到183℃，體積會增大1.2%，而從183℃降到室溫，體積的收縮卻為4%，故錫鉛焊料焊點(diǎn)冷卻后有時(shí)有縮小現(xiàn)象。冷凝收縮現(xiàn)象無鉛焊料也有冷凝收縮現(xiàn)象 63Sn37Pb合金的熱膨脹系數(shù)CTE是58（a）降低熔點(diǎn)。（b）改善機(jī)械性能，提高錫鉛合金的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。（c）降低表面張力，有利于焊料在被焊金屬表面上的潤濕性。（d）抗氧化，增加焊料的抗氧化性能，減少氧化量。鉛在焊料中的作用（a）降低熔點(diǎn)。鉛在焊料中的作用59

錫基合金在固態(tài)時(shí)不易氧化，然而在熔化狀態(tài)下極易氧化。特別是在機(jī)械攪拌下，如在波峰焊料槽中受機(jī)械泵攪拌，更加強(qiáng)了氧化物的生成，大部分以錫渣的形式出現(xiàn)在錫槽的表面，嚴(yán)重時(shí)會堵塞波峰出口，大量的黑色的SnO粉末的生成會導(dǎo)致焊料性能惡化、變質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)整個(gè)焊料均會報(bào)廢。

液態(tài)錫基焊料的易氧化性

無鉛波峰焊由于Sn的含量達(dá)99%以上，溫度提高30℃，液態(tài)焊料高溫氧化問題嚴(yán)重錫基合金在固態(tài)時(shí)不易氧化，然而在60（a）加入防氧化油（b）使用活性炭類的固體防氧化劑（c）使用防氧化焊料防氧化焊料是在錫鉛合金焊料中添加少量的其它金屬粉末來實(shí)現(xiàn)焊料防氧化性能的提高。目前使用較多的是加入微量稀有金屬末改善錫鉛焊料的防氧化性能，焊接工藝性如潤濕性也不受影響。（d）N2保護(hù)。錫基焊料的防氧化（a）加入防氧化油錫基焊料的防氧化61錫焊機(jī)理與焊點(diǎn)可靠性分析顧靄云錫焊機(jī)理與焊點(diǎn)可靠性分析62一.概述二.錫焊機(jī)理三.焊點(diǎn)可靠性分析四.關(guān)于無鉛焊接機(jī)理五.錫基焊料特性內(nèi)容一.概述內(nèi)容63一.概述

熔焊焊接種類壓焊釬焊釬焊壓焊熔焊超聲壓焊金絲球焊激光焊一.概述熔焊釬焊壓焊熔焊超聲壓焊64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)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。電子裝配的核心——連接技術(shù)：焊接技術(shù)65焊接方法（釬焊技術(shù)）手工烙鐵焊接浸焊波峰焊再流焊焊接方法（釬焊技術(shù)）手工烙鐵焊接66軟釬焊焊接學(xué)中，把焊接溫度低于450℃的焊接稱為軟釬焊，所用焊料為軟釬焊料。

軟釬焊焊接學(xué)中，把焊接溫度低于450℃的焊接稱為軟釬67軟釬焊特點(diǎn)釬料熔點(diǎn)低于焊件熔點(diǎn)。加熱到釬料熔化，潤濕焊件。焊接過程焊件不熔化。焊接過程需要加焊劑。（清除氧化層）焊接過程可逆。（解焊）軟釬焊特點(diǎn)釬料熔點(diǎn)低于焊件熔點(diǎn)。68

電子焊接——是通過熔融的焊料合金與兩個(gè)被焊接金屬表面之間生成金屬間合金層（焊縫），從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)被焊接金屬之間電氣與機(jī)械連接的焊接技術(shù)。電子焊接——是通過熔融的焊料合金與兩個(gè)被焊接69當(dāng)焊料被加熱到熔點(diǎn)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作用，同時(shí)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(jìn)行浸潤、發(fā)生擴(kuò)散、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(diǎn)。焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度與金屬間結(jié)合層的結(jié)構(gòu)和厚度有關(guān)。二.錫焊機(jī)理當(dāng)焊料被加熱到熔點(diǎn)以上，焊接金屬表面在助焊劑70錫焊過程——焊接過程是焊接金屬表面、助焊劑、熔融焊料和空氣等之間相互作用的復(fù)雜過程表面清潔焊件加熱熔錫潤濕擴(kuò)散結(jié)合層冷卻后形成焊點(diǎn)物理學(xué)——潤濕、黏度、毛細(xì)管現(xiàn)象、熱傳導(dǎo)、擴(kuò)散、溶解化學(xué)——助焊劑分解、氧化、還原、電極電位冶金學(xué)——合金、合金層、金相、老化現(xiàn)象電學(xué)——電阻、熱電動(dòng)勢材料力學(xué)——強(qiáng)度（拉力、剝離疲勞）、應(yīng)力集中錫焊過程——焊接過程是焊接金屬表面、助焊劑、熔融焊料和空氣等71焊接過程中焊接金屬表面（母材，以Cu為例）、助焊劑、熔融焊料之間相互作用1.助焊劑與母材的反應(yīng)（1）松香去除氧化膜——松香的主要成分是松香酸，融點(diǎn)為74℃。170℃呈活性反應(yīng)，300℃以上無活性。松香酸和Cu2O反應(yīng)生成松香酸銅。松香酸在常溫下和300℃以上不能和Cu2O起反應(yīng)。（2）溶融鹽去除氧化膜——一般采用氯離子Cl-或氟離子F-，使氧化膜生成氯化物或氟化物。（3）母材被溶蝕——活性強(qiáng)的助焊劑容易溶蝕母材。（4）助焊劑中的金屬鹽與母材進(jìn)行置換反應(yīng)。焊接過程中焊接金屬表面（母材，以Cu為例）、助焊劑、熔融焊料722.助焊劑與焊料的反應(yīng)（1）助焊劑中活性劑在加熱時(shí)能釋放出的HCl，與SnO起還原反應(yīng)。（2）活性劑的活化反應(yīng)產(chǎn)生激活能，減小界面張力，提高浸潤性。（3）焊料氧化，產(chǎn)生錫渣。3.焊料與母材的反應(yīng)潤濕、擴(kuò)散、溶解、冶金結(jié)合，形成結(jié)合層。2.助焊劑與焊料的反應(yīng)73錫焊機(jī)理（1）潤濕（2）擴(kuò)散（3）溶解（4）冶金結(jié)合，形成結(jié)合層錫焊機(jī)理（1）潤濕74潤濕角θ焊點(diǎn)的最佳潤濕角Cu----Pb/Sn15~45°

當(dāng)θ=0°時(shí)，完全潤濕；當(dāng)θ=180°時(shí)，完全不潤濕；θ=焊料和母材之間的界面與焊料表面切線之間的夾角分子運(yùn)動(dòng)（1）潤濕液體在固體表面漫流的物理現(xiàn)象潤濕是物質(zhì)固有的性質(zhì)潤濕是焊接的首要條件潤濕角θ焊點(diǎn)的最佳潤濕角當(dāng)θ=0°時(shí)，完全潤濕；當(dāng)θ75潤濕力（Wa

）θBSVCSLALV當(dāng)固、液、氣三相達(dá)到平衡時(shí)：BSV=CSL+ALVCOSθ

BSV：固體與氣體之間的界面張力

可以將BSV看作是液體在固體表面漫流的力（潤濕力：Wa）CSL：固體與液體之間的界面張力ALV：液體與氣體之間的界面張力

BSV與CSL的作用力都沿固體表面，但方向相反。設(shè)潤濕力為Wa，其近似值：將BSV代入式中S：固體L：液體V：氣體θ

：潤濕角L液體S固體Wa≈BSV+ALV-CSLWa=

CSL+ALVCOSθ+ALV-CSLWa

=ALV（1+

COSθ

）——潤濕力關(guān)系式V氣體從潤濕力關(guān)式可以看出：潤濕角θ越小，潤濕力越大潤濕力（Wa）θBSVCSLALV當(dāng)固、液、氣三相達(dá)到平76分子運(yùn)動(dòng)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?；ト艹潭热Q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(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)生潤濕作用。這是形成虛焊的原因之一。分子運(yùn)動(dòng)潤濕條件（a）液態(tài)焊料與母材之間有良好的親和力，能互77分子運(yùn)動(dòng)表面張力

表面張力——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(dǎo)致相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稱的，作用彼此抵消，合力=0。但是液體表面分子受到液體內(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(dòng)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。大氣大氣液體內(nèi)部分子受力合力=0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(yùn)動(dòng)表面張力表面張力——在不同相共同存在的體78分子運(yùn)動(dòng)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。

表面張力是物質(zhì)的本性，不能消除，但可以改變。分子運(yùn)動(dòng)表面張力與潤濕力熔融焊料在金屬表面潤濕的79分子運(yùn)動(dòng)表面張力在焊接中的作用

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，會產(chǎn)生自定位效應(yīng)（selfalignment）。表面張力使再流焊工藝對貼裝精度要求比較寬松，比較容易實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化與高速度。同時(shí)也正因?yàn)椤霸倭鲃?dòng)”及“自定位效應(yīng)”的特點(diǎn)，再流焊工藝對焊盤設(shè)計(jì)、元器件標(biāo)準(zhǔn)化有更嚴(yán)格的要求。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。分子運(yùn)動(dòng)表面張力在焊接中的作用再流焊——當(dāng)焊膏達(dá)80波峰焊——波峰焊時(shí)，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。SMD波峰焊時(shí)表面張力造成陰影效應(yīng)波峰焊——波峰焊時(shí)，由于表面張力與潤濕力的方向相反，因此表面81

?熔融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(shí)應(yīng)具有低的粘度和表面張力，以增加焊料的流動(dòng)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(guān)。配比（W%）表面張力(N/cm)粘度（mPa?s)SnPb20804.67×10-32.7230704.7×10-32.4550504.76×10-32.1963374.9×10-31.9780205.14×10-31.92錫鉛合金配比與表面張力及粘度的關(guān)系（280℃測試）粘度與表面張力 ?熔融合金的粘度與表面張力是焊料的重要性能。配比（W%）82分子運(yùn)動(dòng)焊接中降低表面張力和黏度的措施①提高溫度——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)分子對表面分子的引力。②適當(dāng)?shù)慕饘俸辖鸨壤猄n的表面張力很大，增加Pb可以降低表面張力。63Sn/37Pb表面張力明顯減小。

η表mn/m粘面度張540力520500T（℃）4801020304050Pb含量%

溫度對黏度的影響250℃時(shí)Pb含量與表面張力的關(guān)系

分子運(yùn)動(dòng)焊接中降低表面張力和黏度的措施①提高溫度——升溫可以83③增加活性劑——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。④改善焊接環(huán)境——采用氮?dú)獗Ｗo(hù)焊接可以減少高溫氧化。提高潤濕性③增加活性劑——能有效地降低焊料的表面張力，還可以去掉焊料的84毛細(xì)管現(xiàn)象毛細(xì)管現(xiàn)象是液體在狹窄間隙中流動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出來的特性。將兩塊平行的金屬板或細(xì)管插入液體中，金屬板內(nèi)側(cè)與外側(cè)的液面高度將有所不同，如果液體能夠潤濕金屬板，則內(nèi)側(cè)的液面將高于外側(cè)的液面，反之，金屬板內(nèi)側(cè)的液面將低于外側(cè)的液面。液體能夠潤濕金屬板液體不能潤濕金屬板在熔融焊料中也存在毛細(xì)管現(xiàn)象毛細(xì)管現(xiàn)象毛細(xì)管現(xiàn)象是液體在狹窄間隙中流動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出來的特性。85毛細(xì)管現(xiàn)象在焊接中的作用在軟釬焊過程中，要獲得優(yōu)質(zhì)的釬焊接頭，需要液態(tài)釬料能夠充分流入到兩個(gè)焊件的縫隙中。例如通孔元件在波峰焊、手工焊時(shí)，當(dāng)間隙適當(dāng)時(shí)，毛細(xì)作用能夠促進(jìn)元件孔的“透錫”。又例如再流焊時(shí)，毛細(xì)作用能夠促進(jìn)元件焊端底面與PCB焊盤表面之間液態(tài)焊料的流動(dòng)。毛細(xì)管現(xiàn)象在焊接中的作用在軟釬焊過程中，要獲得優(yōu)質(zhì)的釬焊接頭86毛細(xì)作用—液體在毛細(xì)管中上升高度的表達(dá)式

式中：H—毛細(xì)管中液柱的高度σ—液體（焊料）的表面張力ρ—液體（焊料）的密度g—重力加速度R—毛細(xì)管半徑

2σH=——ρgR從式中看出液體在毛細(xì)管中上升高度：與表面張力成正比；與液體的密度、比重成反比；與毛細(xì)管直徑有關(guān)。毛細(xì)作用—液體在毛細(xì)管中上升高度的表達(dá)式式中：87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。當(dāng)金屬與金屬接觸時(shí)，界面上晶格紊亂導(dǎo)致部分原子從一個(gè)晶格點(diǎn)陣移動(dòng)到另一個(gè)晶格點(diǎn)陣。擴(kuò)散條件：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）

溫度（在一定溫度下金屬分子才具有動(dòng)能）（2）擴(kuò)散四種擴(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。金屬原子以結(jié)晶排列，原子間作用力平衡，保持晶格88PbSn表面擴(kuò)散向晶粒內(nèi)擴(kuò)散分割晶粒擴(kuò)散選擇擴(kuò)散表面擴(kuò)散、晶內(nèi)擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散、選擇擴(kuò)散示意圖Cu表面熔融Sn/Pb焊料側(cè)晶粒PbSn表面擴(kuò)散向晶粒內(nèi)擴(kuò)散分割晶粒擴(kuò)散選擇擴(kuò)散表面擴(kuò)散、晶89（3）溶解母材表面的Cu分子被熔融的液態(tài)焊料溶解或溶蝕。（3）溶解母材表面的Cu分子被熔融的液態(tài)焊料溶解或溶蝕。90

金屬間結(jié)合層Cu3Sn和Cu6Sn5金屬間結(jié)合層Cu3Sn和Cu6Sn5放大1,000倍的QFP引腳焊點(diǎn)橫截面圖以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（4）冶金結(jié)合，形成結(jié)合層（金屬間擴(kuò)散、溶解的結(jié)果）最后冷卻凝固形成焊點(diǎn)金屬間結(jié)合層Cu3Sn和Cu6Sn5金屬間結(jié)合層放大1,91三.焊點(diǎn)可靠性分析

影響焊點(diǎn)強(qiáng)度的主要因素：（1）金屬間合金層（金屬間結(jié)合層）質(zhì)量與厚度（2）焊接材料的質(zhì)量（3）焊料量（4）PCB設(shè)計(jì)三.焊點(diǎn)可靠性分析影響焊點(diǎn)強(qiáng)度的主要因素92當(dāng)溫度達(dá)到210-230℃時(shí)，Sn向Cu表面擴(kuò)散，而Pb不擴(kuò)散。初期生成的Sn-Cu合金為：Cu6Sn5（η相）。其中Cu的重量百分比含量約為40%。隨著溫度升高和時(shí)間延長，Cu原子滲透（溶解）到Cu6Sn5中，局部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)镃u3Sn（ε相），Cu含量由40%增加到66%。當(dāng)溫度繼續(xù)升高和時(shí)間進(jìn)一步延長，Sn/Pb焊料中的Sn不斷向Cu表面擴(kuò)散，在焊料一側(cè)只留下Pb，形成富Pb層。Cu6Sn5和富Pb層之間的的界面結(jié)合力非常脆弱，當(dāng)受到溫度、振動(dòng)等沖擊，就會在焊接界面處發(fā)生裂紋。以63Sn/37Pb焊料與Cu表面焊接為例（1）金屬間合金層（金屬間結(jié)合層）質(zhì)量與厚度當(dāng)溫度達(dá)到210-230℃時(shí)，Sn93焊縫(結(jié)合層)結(jié)構(gòu)示意圖Pb熔融Sn/Pb焊料側(cè)Cu焊端表面CuSnCu6Sn5Cu3Sn富Pb層焊縫(結(jié)合層)結(jié)構(gòu)示意圖Pb熔融Sn/Pb焊料側(cè)Cu焊端表面94焊料直接與Cu生成的合金層紅色的箭指示的是Cu3Sn層焊料直接與Cu生成的合金層紅色的箭指示的是Cu3Sn層95Cu6Sn5與Cu3Sn兩種金屬間結(jié)合層比較名稱分子式形成位置顏色結(jié)晶性質(zhì)η相Cu6Sn5焊料潤濕到Cu時(shí)立即生成Sn與Cu之間的界面白色球狀珊貝狀良性，強(qiáng)度高ε相Cu3Sn溫度高、焊接時(shí)間長引起Cu與Cu6Sn5之間灰色骨針狀惡性，強(qiáng)度差，脆性CuCu3SnCu6Sn5富Pb層Sn/PbCu6Sn5與Cu3Sn兩種金屬間結(jié)合層比較名稱分子式形成位96拉伸力（千lbl/in2）

*＞4μm時(shí)，由于金屬間合金層太厚，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，也會使強(qiáng)度小。*厚度為0.5μm時(shí)抗拉強(qiáng)度最佳；*0.5~4μm時(shí)的抗拉強(qiáng)度可接受；*＜0.5μm時(shí)，由于金屬間合金層太薄，幾乎沒有強(qiáng)度；金屬間合金層厚度（μm）金屬間合金層厚度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系金屬間合金層厚度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系拉伸力*＞4μm時(shí)，由于金屬間合金層太厚，使連接處失去彈性，97金屬間結(jié)合層的質(zhì)量與厚度與以下因素有關(guān)：(a)焊料的合金成份和氧化程度（要求焊膏的合金組分盡量達(dá)到共晶或近共晶；含氧量應(yīng)小于0.5%，最好控制在80ppm以下）(b)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)生化學(xué)擴(kuò)散反應(yīng)）(d)焊接溫度和焊接時(shí)間金屬間結(jié)合層的質(zhì)量與厚度與以下因素有關(guān)：(a)焊料的合金成份98

焊點(diǎn)和元件受熱的熱量隨溫度和時(shí)間的增加而增加。金屬間結(jié)合層的厚度與焊接溫度和時(shí)間成正比。例如183℃以上，但沒有達(dá)到210~230℃時(shí)在Cu和Sn之間的擴(kuò)散、溶解，不能生成足夠的金屬間結(jié)合層。只有在220℃維持2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(shí)，擴(kuò)散反應(yīng)率就加速，就會生成過多的惡性金屬間結(jié)合層。焊點(diǎn)變得脆性而多孔。焊接熱量是溫度和時(shí)間的函數(shù)運(yùn)用焊接理論正確設(shè)置溫度曲線才能獲得最好焊點(diǎn)質(zhì)量。焊點(diǎn)和元件受熱的熱量隨溫度和時(shí)間的增加而增加99Sn-Pb系焊料金相圖①A-B-C線——液相線②A-D、C-E線——固相線③D-F、E-G線——溶解度曲線④D-B-E線——共晶點(diǎn)⑤L區(qū)——液體狀態(tài)⑥L+、L+區(qū)——二相混合狀態(tài)⑦+區(qū)——凝固狀態(tài)（2）焊接材料的質(zhì)量有鉛、無鉛都應(yīng)選擇共晶或近共晶焊料合金最佳焊接溫度線液態(tài)固態(tài)Sn-Pb系焊料金相圖①A-B-C線——液相線（2）焊接材料100（3）與焊料量有關(guān)（3）與焊料量有關(guān)101（4）PCB設(shè)計(jì)（4）PCB設(shè)計(jì)102四.關(guān)于無鉛焊接機(jī)理（1）目前應(yīng)用最多的無鉛焊料合金（2）關(guān)于Sn-Ag-Cu系焊料的最佳成分（3）IPC推薦的無鉛焊料（4）無鉛焊接機(jī)理四.關(guān)于無鉛焊接機(jī)理（1）目前應(yīng)用最多的無鉛焊料合金103（1）目前應(yīng)用最多的無鉛焊料合金目前應(yīng)用最多的用于再流焊的無鉛焊料是三元共晶或近共晶形式的Sn-Ag-Cu焊料。Sn(3~4)wt%Ag(0.5~0.7)wt%Cu是可接受的范圍，其熔點(diǎn)為217℃左右。美國采用Sn3.9Agwt%0.6wt%Cu無鉛合金歐洲采用Sn3.8Agwt%0.7wt%Cu無鉛合金日本采用Sn3.0Agwt%0.5wt%Cu無鉛合金Sn-0.7Cu-Ni焊料合金用于波峰焊。其熔點(diǎn)為227℃。手工電烙鐵焊大多采用Sn-Cu、Sn-Ag或Sn-Ag-Cu焊料。（1）目前應(yīng)用最多的無鉛焊料合金目前應(yīng)用最多的用于再流焊的無104（2）關(guān)于Sn-Ag-Cu系焊料的最佳成分Sn-Ag-Cu系焊料的最佳成分，日、美、歐之間存在一些微小的差別，日本的無鉛實(shí)施在世界上處于領(lǐng)先地位，對無鉛焊料有很深入的研究，他們的研究表明Sn-Ag-Cu焊料中Ag與Sn在221℃形成共晶板狀的Ag3Sn合金，當(dāng)Ag含量超過3.2wt%以后（出現(xiàn)過共晶成分）板狀的Ag3Sn合金會粗大化，粗大的板狀A(yù)g3Sn較硬，拉伸強(qiáng)度降低，容易造成疲勞壽命降低，他們的結(jié)論是：“在共晶點(diǎn)附近，成分不能向金屬間化合物方向偏移”，因此選擇使用低Ag的Sn3Ag0.5Cu。（2）關(guān)于Sn-Ag-Cu系焊料的最佳成分Sn-Ag-Cu系105Sn-Ag-Cu無鉛焊料中Ag與Sn在221℃形成

共晶板狀的Ag3Sn合金板狀的Ag3Sn較硬，當(dāng)Ag含量超過3.2wt%以后（出現(xiàn)過共晶成分）拉伸強(qiáng)度降低，容易造成疲勞壽命降低，因此推薦使用低Ag的Sn3Ag0.5Cu。結(jié)論：“在共晶點(diǎn)附近，成分不能向金屬間化合物方向偏移”Sn-Ag-Cu無鉛焊料中Ag與Sn在221℃形成

共晶板狀106（3）IPC推薦的無鉛焊料：

Ag含量為3.0wt%的Sn-Ag-Cu焊料由于Sn95.8\Ag3.5\Cu0.7無鉛焊料美國已經(jīng)有了專利權(quán)；另外由于Ag含量為3.0wt%的焊料沒有專利權(quán)；價(jià)格相對較便宜；焊點(diǎn)質(zhì)量較好。因此IPC推薦采用Ag含量為3.0wt%（重量百分比）的Sn-Ag-Cu焊料。（3）IPC推薦的無鉛焊料：

Ag含量為3.0wt%的Sn-107合金成分熔點(diǎn)（℃）Sn-37Pb（傳統(tǒng)）183Sn-58Bi138Sn-20In-2.8Ag179-189Sn-10Bi-5Zn168-190Sn-8.8Zn198.5Sn-3.5Ag-4.8Bi205-210Sn-7.5Bi-2Ag-0.5Cu213-218Sn95.8\Ag3.5\Cu0.7217-218Sn-3.5Ag-1.5In218Sn96.5\Ag3.0\Cu0.5216-220Sn-3.5Ag221Sn-2Ag221-226Sn-0.7Cu-Ni(用于波峰焊)227Sn-5Sb232-240無鉛焊料合金的熔點(diǎn)合金成分熔點(diǎn)（℃）Sn-37Pb（傳統(tǒng)）183Sn-58B108Sn63\Pb37與Sn\Ag3.8\Cu0.7性能比較合金成分密度g/mm2熔點(diǎn)℃膨脹系數(shù)×10-6熱傳導(dǎo)率Wm-1K-1電導(dǎo)率%IACS電阻系數(shù)MΩ-cm表面張力260℃mNm-1Sn63\Pb378.518323.95011.515481Sn\Ag3.8\Cu0.77.521723.573.215.611548Sn63\Pb37與Sn\Ag3.8\Cu0.7性能比較合金109繼續(xù)攻克研究更理想的無鉛焊料

雖然Sn基無鉛合金已經(jīng)被較廣泛的應(yīng)用，但與Sn63\Pb37共晶焊料相比較仍然有以下問題：熔點(diǎn)高34℃表面張力大、潤濕性差價(jià)格高但I(xiàn)PC認(rèn)為：無鉛焊料的種類不能很多，要單一標(biāo)準(zhǔn)化，否則對元件、對可靠性會有很大影響。IPC-A-610D就是以Sn-Ag–Cu焊料做的標(biāo)準(zhǔn)。繼續(xù)攻克研究更理