锡焊原理与焊点可靠性分析

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）
润湿力（ Wa ）
当固、液、气三相达到平衡时：BSV= CSL +ALV COS θ
V气体
ALV
S：固体
BSV
θ
L液体
CSL
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
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. wenku.baidu.com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。
（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。
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
（1）润湿
液体在固体表面漫流的物理现象
润湿是物质固有分的子性运质动
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；
锡焊原理与焊点可靠性分析
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
熔焊 焊接种类 压焊
钎焊
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。
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
表面清洁
冶金学——合金、合金层、金相、老化现象
焊件加热
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
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。
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。
表面张力
表面张力——在不同相共同存在的体系中，由于 相界面分子分与子体运相动内分子之间作用力不同，导致相
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， 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。
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
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
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。
熔融焊料在金属表面也有表面张力现象。
大大气
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
锡铅合金配比与表面张力及粘度的关系（280℃测试）
配比（W%）
Sn
Pb
20
80
30
70
50
50
63
37
80
20
表面张力(N/cm)
4.67×10-3 4.7×10-3 4.76×10-3 4.9×10-3 5.14×10-3
表面张力与润湿力
熔融焊分料子在运金动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。
表面张力在焊接中的作用
回流焊—分—子当运焊动膏达到熔融温度时，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。