回流焊无铅焊接的特点和对策

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。