(配圖)焊錫的基本原理

（配圖）焊錫的基本原理說明電子組裝要選用錫基焊料？為什么錫基焊料能將他們焊牢，又是怎樣保證他們焊牢的？要回答這些問題先要了解有關(guān)錫焊的理論知識。錫的親和性人類使用錫鉛焊料已經(jīng)上千年的歷史了，即使在無鉛焊接中仍然離不開錫、錫為什么能作為焊料？首先，元素錫在元素周期表中的第五周期第四族元素，金屬活性呈中性，熔點低，只有234℃。錫具有良好的親和性，很多金屬都能溶解在錫基焊料中，并能與錫結(jié)合成金屬間化合物。從圖1可以看出，金、銀、銅、鎳都能溶于焊料中，隨著溫度的升高溶解度增大，而這些金屬又都是電子元器件常用的結(jié)構(gòu)材料。此外，錫還具有性能穩(wěn)定、存儲量大等諸多優(yōu)點。這些決定了它是最佳的焊錫材料，并一直延用至今。焊點的形成過程圖1不同金屬在錫中的溶解度 圖2熔融焊料在焊盤上潤濕、鋪展、擴散圖3銅焊盤溶于液體焊料圖4銅焊盤與焊料起反應(yīng)形成金屬間化合物IMC潤濕與潤濕角θ潤濕就是熔融焊料在被焊金屬表面上形成均勻、平滑、連續(xù)的過程，沒有潤濕就不可能焊接。影響潤濕的三大因數(shù)：焊料與母材的原子半徑和晶格類型，溫度，助焊劑。焊料與母材之間的潤濕程度取決于兩者之間的清潔程度，但它很難量化，潤濕的程度常用焊料與母材之間的潤濕角θ的大小來評估，如下圖圖5完全潤濕圖6潤濕圖7不潤濕圖8完全不潤濕表面張力與毛細現(xiàn)象焊料、焊盤和阻焊劑之間存在著界面，界面分子受兩物質(zhì)內(nèi)部分子的吸引力存在差異，這個差值就表現(xiàn)為表面張力。圖9毛細現(xiàn)象在焊接過程中焊料的表面張力同焊料與被焊金屬之間的潤濕力方向相反，它是不利于焊接的一個重要因素。但表面張力是物質(zhì)的特性，只能改變它不能消除它，它與所處的溫度壓力、組成以及接觸物質(zhì)性質(zhì)有密切相關(guān)。實踐中我們通?？可邷囟?、增加合金元素(加Pb)、增加活性劑、改善介質(zhì)環(huán)境(N2)等幾種方法來降低焊料的表面張力以提高焊料的潤濕力。當把細管插入液體中時，液體若能潤濕細管，液面將呈凹面如圖9，其本質(zhì)是進入毛細管中液體表面張力的作用而產(chǎn)生的。毛細現(xiàn)象在焊接中取到重要的作用，例如在通孔焊接中，焊料通過毛細現(xiàn)象穿過金屬化孔上升到元件引腳根部；在回流焊中，元件端與焊盤之間構(gòu)成毛細現(xiàn)象，有利于錫膏的潤濕鋪展。擴散現(xiàn)象用焊料焊接母材時，伴隨潤濕的出現(xiàn)，熔化的焊料與被焊金屬之間發(fā)生相互作用。從微觀上講，由于溫度的升高，金屬原子在晶格點陣中呈現(xiàn)振動狀態(tài)，金屬原子會從一個晶格點陣移動到其它晶格點陣中去，我們稱這種現(xiàn)象為擴散。通常有四種類型：表面擴散、晶內(nèi)擴散、晶界擴散、選擇擴散。擴散是形成金屬間化合物的前提，只有原子互相滲透到對方晶格內(nèi)才能形成化合層，才能牢固結(jié)合。焊錫部位的冶金反應(yīng)與金屬間化合物圖10原子晶格點陣擴散示意圖在不加熱的情況下，元件與焊盤永遠處于分離狀態(tài)如圖11。當加熱到焊料熔點以上，加入適當?shù)闹竸┖?，焊料開始熔化，冷卻后將元件與PCB緊緊焊牢，如圖12。在結(jié)合部位Sn與Cu生成了金屬間化合物層IMC(IntermetallicCompound)，通常是Cu6Sn5，反應(yīng)式為5Sn＋6Cu＝Cu6Sn5。正是由于IMC的存在才能將元件與PCB焊牢，所生成的IMC不能恢復到原始狀態(tài)。圖11焊點未加熱前圖12形成的焊點圖13界面的組織結(jié)構(gòu)圖14良好的焊點通常在230-250℃，1-3S時間內(nèi)可形成1-3μm的根須狀Cu6Sn5，此合金強度高、焊點電接觸性能良好，是良性合金層。若進一步升溫或延長時間，將會在Cu層與Cu6Sn5之間生成骨針狀的脆性Cu3Sn，其組織結(jié)構(gòu)如圖13，造成不潤濕現(xiàn)象，直接影響到焊點的電接觸和強度性能。要得到良好的合金層，不僅要清潔的金屬表面，而且焊接溫度和時間的控制也非常關(guān)鍵。無論焊料是錫鉛焊料還是無鉛焊料，均在焊接部位發(fā)生了冶金反應(yīng)實現(xiàn)良好焊接的條件在電子產(chǎn)品的焊接過程中，其本質(zhì)是焊料中的錫與元件引腳及焊盤中的銅形成Cu6Sn5合金層。從外觀上講，焊錫的過程是焊料在銅焊盤上的鋪展，潤濕擴散并形成IMC的過程。從微觀上講，則是一個復雜的過程，參與過程的要素有元器件、PCB焊盤、阻焊劑、溫度和時間。過程中涉及到物理學（擴散、潤濕、潤