锡焊可靠性分析

润湿条件
（a）液态焊料与母材之间有良好的亲和力，能互相溶解。 分子运动 互溶程度取决于：原子半径和晶体类型。因此润湿是 物质固有的性质。 （b）液态焊料与母材表面清洁，无氧化层和其它污染物。 清洁的表面使焊料与母材原子紧密接近，产生引力， 称为润湿力。 当焊料与被焊金属之间有氧化层和其它污染物时，妨 碍金属原子自由接近，不能产生润湿作用。这是形成虚焊 的原因之一。
表面扩散 分割晶粒扩散 向晶粒内扩散
选择扩散
Pb Sn
晶粒
Cu表面
（3）溶解
• 母材表面的Cu分子被熔融的液态焊料溶解或溶蚀。
（4）冶金结合，形成结合层（金属间扩散、溶解的结果）
最后冷却凝固形成焊点
金属间结合层
Cu3Sn和Cu6Sn5
以63Sn/37Pb焊料为例， 共晶点为183℃
焊接后（210-230℃）
2. 助焊剂与焊料的反应
（1）助焊剂中活性剂在加热时能释放出的HCl，与
SnO起还原反应。
（2）活性剂的活化反应产生激活能，减小界面张力，
提高浸润性。
（3）焊料氧化，产生锡渣。 3.焊料与母材的反应 润湿、扩散、溶解、冶金结合，形成结合层。
锡焊原理
（1）润湿
（2）扩散
（3）溶解
（4）冶金结合，形成结合层
性质
良性，强 度高 恶性，强 度差，脆 性
白色 焊料润湿 Sn与Cu 到Cu时 之间的界 立即生成 面
温度高、 焊接时间 长引起
Cu与 灰色 Cu6Sn5之 间
Cu Cu3Sn Cu6Sn5 富Pb层 Sn/Pb
金属间合金层厚度与抗拉强度的关系
金属间合金层厚度（μm）
拉伸力 （千lbl/in2）
*厚度为0.5μm时抗拉强度最佳； *0.5~4μm时的抗拉强度可接受； *＜0.5μm时，由于金属间 合金层太薄，几乎没有强度；
（1）润湿
液体在固体表面漫流的物理现象 润湿是物质固有的性质 分子运动 润湿是焊接的首要条件
润湿角θ
θ=焊料和母材之间的界面 与焊料表面切线之间的夹角
焊点的最佳润湿角 Cu----Pb/Sn 15~45 ° 当θ=0°时，完全润湿；当θ=180°时，完全不润湿；
润湿力（ Wa ）
当固、液、气三相达到平衡时：BSV= CSL +ALV COS θ V气体 BSV θ ALV
表面张力
表面张力——在不同相共同存在的体系中，由于 分子运动 相界面分子与体相内分子之间作用力不同，导致相 界面总是趋于最小的现象。 由于液体内部分子受到四周分子的作用力是对 称的，作用彼此抵消，合力=0。但是液体表面分子 受到液体内分子的引力大于大气分子对它的引力， 因此液体表面都有自动缩成最小的趋势。
配比（W%） Sn Pb 表面张力(N/cm) 粘度（mPa•s)
Hale Waihona Puke Baidu20
30 50 63
80
70 50 37
4.67×10-3
4.7×10-3 4.76×10-3 4.9×10-3
2.72
2.45 2.19 1.97
80
20
5.14×10-3
1.92
焊接中降低表面张力和黏度的措施
①提高温度——升温可以降低黏度和表面张力的作用。 分子运动 升高温度可以增加熔融焊料内的分子距离，减小焊料内 分子对表面分子的引力。 ②适当的金属合金比例——Sn的表面张力很大，增加Pb可以降 低表面张力。63Sn/37Pb表面张力明显减小。
CSL
L液体 S固体
S：固体 L：液体 V：气体 θ ：润湿角
BSV：固体与气体之间的界面张力 可以将BSV看作是液体在固体表面漫流的力（润湿力：Wa） CSL ：固体与液体之间的界面张力 ALV ：液体与气体之间的界面张力 BSV与CSL的作用力都沿固体表面，但方向相反。 设润湿力为Wa， 其近似值： Wa≈ BSV+ ALV- CSL 将BSV代入式中 Wa = CSL +ALV COSθ+ ALV- CSL Wa = ALV（1 + COSθ ）——润湿力关系式 从润湿力关式可以看出：润湿角θ越小，润湿力越大
焊接热量是温度和时间的函数
•
焊点和元件受热的热量随温度和时间的增加而增加。
•
•
金属间结合层的厚度与焊接温度和时间成正比。
例如183℃以上，但没有达到210~230℃时在Cu和Sn
之间的扩散、溶解，不能生成足够的金属间结合层。只有
在220 ℃维持2秒钟的条件下才能生成良性的结合层。但 焊接温度更高时，扩散反应率就加速，就会生成过多的恶 性金属间结合层。焊点变得脆性而多孔。 运用焊接理论正确设置温度曲线 才能获得最好焊点质量。
表面清洁
焊件加热
冶金学——合金、合金层、金相、老化现象
熔锡润湿 扩散结合层 电学——电阻、热电动势 冷却后形成焊点
材料力学——强度（拉力、剥离疲劳）、应力集中
焊接过程中焊接金属表面（母材，以Cu为例）、 助焊剂、熔融焊料之间相互作用
1. 助焊剂与母材的反应
（1）松香去除氧化膜——松香的主要成分是松香酸，
金属间结合层 Cu3Sn和Cu6Sn5
生成金属间结合层：
Cu6Sn5和Cu3Sn
放大1,000倍的QFP引脚焊点横截面图
三. 焊点可靠性分析
影响焊点强度的主要因素：
（1）金属间合金层（金属间结合层）质量与厚度
（2）焊接材料的质量
（3）焊料量 （4）PCB设计
（1）金属间合金层（金属间结合层）质量与厚度
（2）焊接材料的质量
最佳焊接 温度线
液态 • • • 固态 • • • • ①A-B-C线——液相线 ②A-D、C-E线——固相线 ③D-F、E-G线——溶解度曲线 ④D-B-E线——共晶点 ⑤L区——液体状态 ⑥L+、L+区——二相混合状态 ⑦ +区——凝固状态
2σ H = —— ρgR
式中：
• • • • •
H—毛细管中液柱的高度 σ—液体（焊料）的表面张力 ρ—液体（焊料）的密度 g —重力加速度 R —毛细管半径
从式中看出液体在毛细管中上升高度： • 与表面张力成正比； • 与液体的密度、比重成反比； • 与毛细管直径有关。
（2）扩散
金属原子以结晶排列，原子间作 用力平衡，保持晶格的形状和稳定。
锡焊可靠性分析
内容
一. 概述 二. 锡焊原理 三. 焊点可靠性分析 四. 关于无铅焊接机理 五. 锡基焊料特性
一. 概述
熔焊 焊接种类 压焊 钎焊
熔焊
压焊
钎焊
超声压焊 金丝球焊 激光焊
电子装配的核心——连接技术：焊接技术
焊接技术的重要性 ——焊点是元器件与印制电路 板电气连接和机械连接的连接点。焊点的结构和强 度就决定了电子产品的性能和可靠性。
在经过助焊剂净化的金属表面上进行浸润、发生扩散、
溶解、冶金结合，在焊料和被焊接金属表面之间生成金
属间结合层（焊缝），冷却后使焊料凝固，形成焊点。
焊点的抗拉强度与金属间结合层的结构和厚度有关。
锡焊过程——焊接过程是焊接金属表面、助焊剂、 熔融焊料和空气等之间相互作用的复杂过程
物理学——润湿、黏度、毛细管现象、热传导、扩散、溶解 化学——助焊剂分解、氧化、还原、电极电位
毛细管现象在焊接中的作用
• 在软钎焊过程中，要获得优质的钎焊接头，需要液 态钎料能够充分流入到两个焊件的缝隙中。 • 例如通孔元件在波峰焊、手工焊时，当间隙适当时， 毛细作用能够促进元件孔的“透锡”。 • 又例如再流焊时，毛细作用能够促进元件焊端底面 与PCB焊盘表面之间液态焊料的流动。
毛细作用—液体在毛细管中上升高度的表达式
熔融焊料在金属表面也有表面张力现象。
大气 大气
液体表面分子受液体内分子的引力＞大气分子引力 液体内部分子受力合力=0
表面张力与润湿力
分子运动 熔融焊料在金属表面润湿的程度除了与液态焊料与
母材表面清洁程度有关，还与液态焊料的表面张力有关。
表面张力与润湿力的方向相反，不利于润湿。
表面张力是物质的本性，不能消除，但可以改变。
融点为74℃。170℃呈活性反应， 300℃以上无活性。
松香酸和Cu2O反应生成松香酸铜。松香酸在常温下
和300℃以上不能和Cu2O起反应。 （2）溶融盐去除氧化膜——一般采用氯离子Cl-或氟离 子F- ，使氧化膜生成氯化物或氟化物。 （3）母材被溶蚀——活性强的助焊剂容易溶蚀母材。
（4）助焊剂中的金属盐与母材进行置换反应。
η 粘 度 表 mn/m 面 张 540 力 520 500 480 10 20 30 40 50 Pb含量%
T（℃）
温度对黏度的影响
250℃时Pb含量与表面张力的关系
③增加活性剂——能有效地降低焊料的表面张力，还
可以去掉焊料的表面氧化层。
④改善焊接环境——采用氮气保护焊接可以减少高温
氧化。提高润湿性
表面张力在焊接中的作用
分子运动 回流焊——当焊膏达到熔融温度时，在平衡的表面张
力的作用下，会产生自定位效应（self alignment）。表
面张力使回流焊工艺对贴装精度要求比较宽松，比较容易
实现高度自动化与高速度。同时也正因为“回流动”及
“自定位效应”的特点，回流焊工艺对焊盘设计、元器件 标准化有更严格的要求。如果表面张力不平衡，焊接后会 出现元件位置偏移、吊桥、桥接、等焊接缺陷。
电子焊接 —— 是通过熔融的焊料合金与 两个被焊接金属表面之间生成金属间合金层 （焊缝），从而实现两个被焊接金属之间电 气与机械连接的焊接技术。
二. 锡焊原理
当焊料被加热到熔点以上，焊接金属表面在助焊剂 的活化作用下，对金属表面的氧化层和污染物起到清洗
作用，同时使金属表面获得足够的激活能。熔融的焊料
焊接方法（钎焊技术）
• • • • 手工烙铁焊接 浸焊 波峰焊 回流焊
软钎焊
• 焊接学中，把焊接温度低于450℃的焊 接称为软钎焊，所用焊料为软钎焊料。
软钎焊特点
• 钎料熔点低于焊件熔点。 • 加热到钎料熔化，润湿焊件。
• 焊接过程焊件不熔化。
• 焊接过程需要加焊剂。（清除氧化层）
• 焊接过程可逆。（解焊）
*＞4μm时，由于金属间合金层
金属间合金层厚度与抗拉强度的关系 太厚，使连接处失去弹性，由于 金属间结合层的结构疏松、发脆， 也会使强度小。
金属间结合层的质量与厚度与以下因素有关：
(a)焊料的合金成份和氧化程度 （要求焊膏的合金组分尽量达到共晶或近共晶； 含氧量应小于0.5%，最好控制在80ppm以下） (b) 助焊剂质量（净化表面，提高浸润性） (c) 被焊接金属表面的氧化程度（只有在净化表面，才能发 生化学扩散反应） (d) 焊接温度和焊接时间
当金属与金属接触时，界面上晶 格紊乱导致部分原子从一个晶格点阵 移动到另一个晶格点阵。
四种扩散形式：表面扩散；晶内扩散；晶界扩散；选择扩散。
扩散条件：相互距离（金属表面清洁，无氧化层和其它杂质， 两块金属原子间才会发生引力）
温度（在一定温度下金属分子才具有动能）
表面扩散、晶内扩散、晶界扩散、选择扩散示意图 熔融Sn/Pb焊料侧
毛细管现象
• 毛细管现象是液体在狭窄间隙中流动时表现出来的特性。
• 将两块平行的金属板或细管插入液体中，金属板内侧与外 侧的液面高度将有所不同，如果液体能够润湿金属板，则 内侧的液面将高于外侧的液面，反之，金属板内侧的液面 将低于外侧的液面。
液体能够润湿金属板 液体不能润湿金属板
在熔融焊料中也存在毛细管现象
以63Sn/37Pb焊料与Cu表面焊接为例
当温度达到210-230℃时， Sn向Cu表面扩散，而Pb不扩散。初 期生成的Sn-Cu合金为：Cu6Sn5（η相）。其中Cu 的重量百分比含 量约为40%。
随着温度升高和时间延长， Cu 原子渗透（溶解）到Cu6Sn5
中，局部结构转变为Cu3Sn（ε相）， Cu 含量由40%增加到66%。 当温度继续升高和时间进一步延长， Sn/Pb焊料中的Sn不断向Cu 表面扩散，在焊料一侧只留下Pb，形成富Pb层。 Cu6Sn5和富Pb层 之间的的界面结合力非常脆弱，当受到温度、振动等冲击，就会在
波峰焊——波峰焊时，由于表面张力与润湿力的方向 相反，因此表面张力是不利于润湿的因素之一。
•SMD波峰焊时表面张力造成阴影效应
粘度与表面张力
• 熔融合金的粘度与表面张力是焊料的重要性能。 • 优良的焊料熔融时应具有低的粘度和表面张力，以增 加焊料的流动性及被焊金属之间的润湿性。 • 锡铅合金的粘度和表面张力与合金的成分密切相关。 锡铅合金配比与表面张力及粘度的关系（280℃测试）
焊接界面处发生裂纹。
焊缝(结合层)结构示意图
Sn 富Pb层
熔融Sn/Pb焊料侧
Pb Cu
Cu6Sn5
Cu3Sn
Cu焊端表面
焊料直接与Cu生成的合金层
红色的箭指示的是 Cu3Sn 层
Cu6Sn5与Cu3Sn两种金属间结合层比较
名称
η相 ε相
分子 式
Cu6Sn5 Cu3Sn
形成
位置
颜色
结晶
球状 珊贝状 骨针状