回流焊无铅焊接的特点和对策
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钎焊机理
钎焊分为硬钎焊和软钎焊。主要是根据钎料(以下称焊料)的熔化温度来区分的,一般把熔点在450℃以下的焊料叫作软焊料,使用软焊料进行的焊接就叫软钎焊;把熔点在450℃以上的焊料叫作硬焊料,使用硬焊料进行的焊接就叫硬钎焊。在美国MIL SPEC军用标准中,是以800℉(429℃)的金属焊料的熔点作为区分硬钎焊和软钎焊的标准。
电子装联用锡焊是一种软钎焊,其焊料主要使用锡Sn、铅Pb、银Ag、铟In、铋Bi等金属,目前使用最广的是Sn-Pb和Sn-Pb-Ag 系列共晶焊料,熔点一般在185℃左右。
钎焊意味着固体金属表面被某种熔化合金浸润。这种现象可用一定的物理定律来表示。如果从热力学角度来考虑浸润过程,也有各种解释的观点。有一种观点是用自由能来解释的。
⊿F=⊿U-T⊿S 在这里,F是自由能,U是内能,S是熵。⊿F 与两种因素有关,即与内能和熵的改变有关。一般S常常趋向于最大值,因此促使-T⊿S也变得更小。实际上,当固体与液体接触时,如果自由能F减少,即⊿F是负值,则整个系统将发生反应或趋向于稳定状态。由此可知,熵是浸润的促进因素,因为熵使⊿F的值变得更小。⊿F的符号最终决定于⊿U的大小和符号,它控制着浸润是否
能够发生。为了产生浸润,焊料的原子必须与固体的原子接触,这就引起位能的变化,如果固体原子吸引焊料,热量被释放出来,⊿U是负值。如果不考虑⊿U的大小和量值,那么,熵值的改变与表面能的改变有同样的意义,浸润同样是有保证的。在基体金属和焊料之间产生反应,这就表明有良好的浸润性和粘附性。如果固体金属不吸引焊料,⊿U是正值,这种情况下,取决于⊿U在特殊温度下的大小值,才能决定能否发生浸润。这时,增加T⊿S值的外部热能,能对浸润起诱发作用。这种现象可以解释弱浸润。在焊接加温时,表面可能被浸润,在冷却时,焊料趋于凝固。在开始凝固的区域,⊿U是正值,其值比T⊿S大得多,当⊿F最终变为正值时,浸润现象就发生了。
有两种情况,一种是两种浸润材料互相发生浸润,导致结合,二者都呈现低表面能,这时的焊点具有良好强度。单纯的粘附作用不能产生良好的浸润性。假如把两种原子构成的固体表面弄得很光滑,在真空中叠合在一起,它们可能粘附在一起,这种现象是两个光滑断面之间的范德华力作用。这种结合接度以范德华力为基础,超过了任何接点的应用强度。生产中不会出现这种情况,因为范德华力是在很短距离时才起作用。实际工程上,表面都且有粗糙性,阻止原子密切接触。可是在一些局部,原子结合力也会起作用,这是很微小的。实际上,从宏观来观察时,也包括范德华力在内。
一般情况下,低表面能的材料在高表面能的材料上扩展,在这种情况下,整个系统的表面自由能减小。一个系统两个元件表面自由能相同时,就不发生扩展,或者说停止了扩展。
电子装联常用的锡-铅系列焊料焊接铜和黄铜等金属时,焊料在金属表面产生润湿,作为焊料成分之一的锡金属就会向母材金属中扩散,在界面上形成合金属,即金属间化合物,使两者结合在一起。在结合处形成的合金层,因焊料成分、母材材质、加热温度及表面处理等因素的不同会有变化。钎料的机理必须从以下几个方面来解释:
1、扩散理论
2、晶间渗透理论
3、中间合金理论
4、润湿合金理论
5、机械啮合理论
漫流:
漫流也叫扩展或铺展,它是一种物理现象,服从一般的力学规律,没有金属化学的变化。通常低表面能的材料在高表面能的材料上漫流。正如前面所述,漫流过程就是整个系统的表面自由能减小的过程。一个系统两个元件自由能相同时,不会产生漫流。在电子锡焊装联中,
我们所讨论的一般都是液相体在固体表面上的漫流,漫流与液体的表面能,固体的表面性质等有关。这是一种液体没固体表面的流动即流体力学问题,同时也有毛细作用。漫流是浸润的先决条件。
浸润(Wetting):
软钎焊的第一个条件,就是已熔化的焊料在要连接的固体金属的表面上充分漫流以后,使之熔合一体,这样的过程叫作“浸润”(或润湿)。粗看起来,金属表面是很光滑的。但是,若用显微镜放大看,就能看到无数凹凸不平,晶粒界面和划痕等,熔化的焊料没着这种凹凸与伤痕,就产生毛细作用,引起漫流浸润。
产生浸润的条件
为了使已熔焊料浸润固体金属表面,必须具备一定的条件。条件之一就是焊料与固体金属面必须是“清洁”的,由于清净,焊料与母材的原子间距离就能够很小,能够相互吸引,也就是使之接近到原子间力能发生作用的程度。斥力大于引力,这个原子就会被推到远离这个原子的位置,不可能产生浸润。当固体金属或熔化的金属表面附有氧化物或污垢时,这些东西就会变成障碍,这样就不会产生润湿作用,金属表面必须清洁,这是一个充分条件。
表面张力:
表面张力是液体表面分子的凝聚力,它使表面分子被吸向液体内部,并呈收缩状(表面积最小的形状)。液体内部的每个分子都处在其它分子的包围之中,被平均的引力所吸引,呈平衡状态。但是,液体表面的分子则不然,其上面是一个异质层,该层的分子密度小,平均承受垂直于液面、方向指向液体内部的引力。其结果,出现了在液体表面形成一层薄膜的现象,表面面积收缩到最小,呈球状。这是因为体积相同、表面积最小的形状是球体。这种自行收缩的力是表面自由能,这种现象叫做表面张力现象,这种能量叫做表面张力或表面能。这个表面能是对焊料的润湿起重要作用的一个因素。
毛细管现象:
将熔化的清洁的焊料放在清洁的固体金属表面上时,焊料就会在固体金属表面上扩散,直到把固体金属润湿。这种现象是这样产生的:焊料借助于毛细管现象产生的毛细管力,沿着固体金属表面上微小的凸凹面和结晶的间隙向四方扩散。
液态金属不同于固体金属,其点阵排列不规则,以原子或分子的形态做布朗运动。因此,处在这种状态下的金属具有粘性和流动性,而没有强度。在这种情况下,金属在熔点附近的体积变化为3~4%左右。
关于毛细现象,有多种图表进行解释,初中物理课本的水银和水在细玻璃管壁的平衡形态,就是一个很好的解说。毛细原理是液态金属和固体金属间润湿的基础,有一个著名的托马斯-杨公式表示,大致是液态金属原子之间的作用力,液态金属和固体金属原子之间的作用力,液态金属原子和环境(空气、助焊剂等)原子作用力之间,三者的合力与液体球面切线的夹角,指向液态金属扩展的方向,则具有润湿的倾向,夹角越大,则润湿能力越强。具体可查阅相关资料。扩散(Diff usion):
前面对软钎焊中的重要条件——浸润问题作了叙述,与这种浸润现象同时产生的,还有焊料对固体金属的扩散现象。由于这种扩散,在固体金属和焊料的边界层,往往形成金属化合物层(合金层)。
通常,由于金属原子在晶格点阵中呈热振动状态,所以在温度升高时,它会从一个晶格点阵自由地移动到其它晶格点阵,这人现象称为扩散现象。此时的移动速度和扩散量取决于温度和时间。例如,把金放在清洁的铅面上,在常温加压状态下放几天,就会结合成一体,这类的结合也是依靠扩散而形成的。
一般的晶内扩散,扩散的金属原子即使很少,也会成为固溶体而进入基体金属中。不能形成固溶体时,可认为只扩散到晶界处。因在常温加工时,靠近晶界处晶格紊乱,从而极易扩散。