焊锡的基本原理

焊锡的基本原理

为什么电子组装要选用锡基焊料？为什么锡基焊料能将他们焊牢，又是怎样保证他们焊牢的？要回答这些问

题先要了解有关锡焊的理论知识。

1．锡的亲和性

人类使用锡铅焊料已经上千年的历史了，即使在无铅焊接中仍然离不开锡、锡为什么能作为焊料？首先，元

素锡在元素周期表中的第五周期第四族元素，金属活性呈中性，熔点低，只有234℃。锡具有良好的亲和性，很

多金属都能溶解在锡基焊料中，并能与锡结合成金属间化合物。从图1可以看出，金、银、铜、镍都能溶于焊料

中，随着温度的升高溶解度增大，而这些金属又都是电子元器件常用的结构材料。

此外，锡还具有性能稳定、存储量大等诸多优点。这些决定了它是最佳的焊锡材料，并一直延用至今。

2．焊点的形成过程图1 不同金属在锡中的溶解度

图2 熔融焊料在焊盘上润湿、铺展、扩散图3 铜焊盘溶于液体焊料图4 铜焊盘与焊料起反应形成金属间化合物IMC

3．润湿与润湿角θ

润湿就是熔融焊料在被焊金属表面上形成均匀、平滑、连续的过程，没有润湿就不可能焊接。影响润湿的三大因数：焊料与母材的原子半径和晶格类型，温度，助焊剂。焊料与母材之间的润湿程度取决于两者之间的清洁程度，但它很难量化，润湿的程度常用焊料与母材之间的润湿角θ的大小来评估，如下图

图 5 完全润湿图 6 润湿

图7 不润湿图8 完全不润湿

4．表面张力与毛细现象

焊料、焊盘和阻焊剂之间存在着界面，界面分子受两物质内部分子的吸引力存在差异，这个差值就表现为表面张力。图9毛细现象在焊接过程中焊料的表面张力同焊料与被焊金属之间的润湿力方向相反，它是不利于焊接的一个重要因素。但表面张力是物质的特性，只能改变它不能消除它，它与所处的温度压力、组成以及接触物质性质有密切相关。实践中我们通常靠升高温度、增加合金元素(加Pb)、增加活性剂、改

善介质环境(N2)等几种方法来降低焊料的表面张力以提高焊料的润湿力。

当把细管插入液体中时，液体若能润湿细管，液面将呈凹面如图9，其本质是进入毛细管中液体表面张力的作用而产生的。毛细现象在焊接中取到重要的作用，例如在通孔焊接中，焊料通过毛细现象穿过金属化孔上升到元件引脚根部；在回流焊中，元件端与焊盘之间构成毛细现象，有利于锡膏的润湿铺展。

5．扩散现象

用焊料焊接母材时，伴随润湿的出现，熔化的焊料与被焊金属之间发生相互作用。从微

观上讲，由于温度的升高，金属原子在晶格点阵中呈现振动状态，金属原子会从一个晶格点

阵移动到其它晶格点阵中去，我们称这种现象为扩散。通常有四种类型：表面扩散、晶内扩

散、晶界扩散、选择扩散。扩散是形成金属间化合物的前提，只有原子互相渗透到对方晶格

内才能形成化合层，才能牢固结合。

6．焊锡部位的冶金反应与金属间化合物图10 原子晶格点阵扩散示意图在不加热的情况下，元件与焊盘永远处于分离状态如图11。当加热到焊料熔点以上，加入适当的助焊剂后，焊料开始熔化，冷却后将元件与PCB紧紧焊牢，如图12。在结合部位Sn与Cu生成了金属间化合物层IMC(Intermetallic Compound)，通常是Cu6Sn5，反应式为5Sn＋6Cu＝Cu6Sn5。正是由于IMC的存在才能将元件与PCB焊牢，所生成的IMC不能恢复到原始状态。

图11 焊点未加热前图12 形成的焊点图13 界面的组织结构图14 良好的焊点通常在230-250℃，1-3S时间内可形成1-3μm的根须状Cu6Sn5，此合金强度高、焊点电接触性能良好，是良性合金层。若进一步升温或延长时间，将会在Cu层与Cu6Sn5之间生成骨针状的脆性Cu3Sn，其组织结构如图13，造成不润湿现象，直接影响到焊点的电接触和强度性能。要得到良好的合金层，不仅要清洁的金属表面，而且焊接温度和时间的控制也非常关键。无论焊料是锡铅焊料还是无铅焊料，均在焊接部位发生了冶金反应，只是焊点组成不同而已。

7．实现良好焊接的条件

在电子产品的焊接过程中，其本质是焊料中的锡与元件引脚及焊盘中的铜形成Cu6Sn5合金层。

从外观上讲，焊锡的过程是焊料在铜焊盘上的铺展，润湿扩散并形成IMC的过程。从微观上讲，则是一个复杂的过程，参与过程的要素有元器件、PCB焊盘、阻焊剂、温度和时间。过程中涉及到物理学（扩散、润湿、润湿角、毛细现象），化学（助焊剂、表面张力、元素），冶金学（合金层、相图），材料学等多个学科。

要得到优良的焊点，如图14，除了元件与焊盘必须有可焊性外，锡基焊料的组份、助焊剂的质量、适合的焊接温度和时间等也与之有直接相关。