电装工艺现场讲课第4部分

电装工艺现场讲课第4部分

表面贴装元器件使用注意事项

1.6.4表面贴装元器件使用注意事项

a存放表面贴装元器件的环境条件

环境温度：30℃以下：

环境湿度：R. H<60％

环境气氛：库房及使用环境中不得有影响焊接性能的硫、氯、酸等有害气体。防静电措施：要满足表面贴装对防静电的要求。

b表面贴装元器件存放周期．从生产日期算起为二年。到用户于中算起一般为一年(南方潮湿环境下3个月以内)。

c对具有防潮要求的SMD器件，打开封装后一周内或72小时内(根据不器件的要求而定)必须使用完毕，如果72小时内不能使用完毕．应存放在(R H20％的干燥箱内，对已经受潮的SMD器件应按照规定作去潮烘烤处理。

d．操作人员拿取SMD器件时应带防静电腕带。

e运输、分料、检验、手工贴装等操作需要拿取SMD器件应尽量用吸笔操作，使用镊子时要注意不要碰伤SOP、QFP等器件的引脚，预防引脚翘曲变形。

1.6.5表面贴装元器件的发展趋势

表面贴装元器件发展至今已有多种类型封装的SMC、SMD用于电子产品的生产；为进一步满足现代电子产品高密度、小型化组装的要求，集成电路的封装快速向高度集成化、高性能化、多引线和细间距的方向发展。除目前普遍使用的QFP、PLCC、PCCC外，BGA、CSP将成为二十一世纪初期IC封装的主流结构。同时，上世纪90年代以来，MCM(多芯片组装)发展较快，它是一种混台集成电路，把几块IC芯片或CSP组装在一块电路板上，使电路组件实现系统级功能，为电子产品的微组装创造了条件。

2.焊接技术

电子装联工艺中采用的焊接技术主要有软钎焊(锡焊)、热压焊(丝焊、球焊)、激光焊和超声焊等。其中使用最广泛的是锡焊

2.1锡焊机理

锡焊是以低于母材固相线而高于钎料液相线的温度，使熔融的液态焊料润湿被焊金属表面，并与之进行物理、化学作用而实现金属结合的过程。实质上是包括了焊料润湿和与被焊金属进行扩散形成界面合金两个过程。

2.1.1焊料的润湿与润湿力

1)润湿：

焊料润湿固体金属表面是指液态焊料在被焊金属表面铺展并填充焊缝，使焊料与被焊金属紧密结合。润湿必须具各以下条件：

(1)液态焊料与被焊金属之间能互相溶解。

(2)焊料与金属表面必须“清洁”，没有氧化物和其他污染。

当焊料与金属之间存在有氧化物和污物时，防碍熔化的金属原子自由地接近，不会产生润湿作用，这也是产生“虚焊”的主要原因之一。

2)润湿力

焊料在金属表面润湿能力的大小，与液态焊料与固态金属接触后表面张力下降的多少有关。其下降的越多，润湿能力越好。在焊接过程中应设法降低焊料表面张力，提高焊料的润湿性。对锡一铅焊料通常采用以下方法：

(1)适当地升高焊料的温度，减小表面张力。但过高的温度会导致焊点合金比例的改变，焊点的导电性能变差，机械性能变脆，甚至使元器件受损。

(2)改进Sn，Ph合金比例，采用共晶焊料，其表面张力明显降低。

(3)增加活性剂，去除焊料的表面氧化层，能有效地减小焊料的表面张力。例如，在无焊剂的情况下，焊料的表面张力为0.5N/m，在异丙醇松香的作用下为0.41N/m，而在0.2％活性剂的作用下，其表面张力可以降到0.35N/m。采用活性剂来降低焊料的表面张力增加可焊性，是有效的方法之一，至今仍是焊接过程中一项不可缺少的工艺过程，但必须清洗干净。

3)润湿程度与润湿角θ：

在焊接过程中，焊料与母材之间的润湿程度通常可以用焊料与母材之间的润湿角θ的大小米表示(见图)

液态焊料与大气的界面张力液态焊料与固态金属的界面张力

图中：。(σ液气)是液态焊料与大气的界面张力，。(σ液固)是液态焊料与固态金属的界面张力，(σ固气) 是固态金属与大气界面张力。(σ固气)力图使液面沿CA铺开，而(σ液气)和(σ液固)则力圈使液滴收缩。

当θ=0°时，完全润湿；θ<90°时为润湿；θ>90。时为不润湿。但以上关系局限于液体金属与固体金属间仅以扩散为相互作用的情况，而实断上影响液态金属(钎焊料)和固体金属(母材)之问润湿程度的更大因素，是它们之问的相溶关系。液态焊料与母材之间有一定的互溶度，可以很好的润湿，反之则相互难于润湿。但互溶度过大，铺展性反而下降。液态焊料如果与母材之间产生金属间化台物也有利于两者的润湿，但化合物的量过大，铺展性反而变差。所以相界面传质速度应与焊料或母材合金化速度相匹配。

焊料润湿接触面的现象除了用润湿角和润湿系数表达之外，还以通过目测观察到的现象来评估。润湿程度的太小，常分为下列几种状态：

(1)润湿良好：指在焊接面上留下一层均匀、连续、光滑、无裂痕、附着好的焊料层，此时接触角明显小于30。。若是通过切片观察，在结合面卜为均匀的金属问化台物，并且没有气泡。

(2)部分润湿：金属表面一些地方被焊料润湿，另一些地方表现为不润湿。在润湿区域的边缘上，接触角明显偏大。

(3)弱润湿：表面起初被润湿，但焊后焊料从部分表面回缩分离，形成不规

则的焊料疙瘩，但还有一薄层焊料，而没露出基体金属。

(4)不润湿：焊料在焊接面未能有效铺展，甚至在外力作用下，焊料仍可去除。熔融焊料存在毛细管现象，例如，适当增加金属化孔与元件引线(导线)之间的间隙，可以提高焊接的效果；在再流焊料巾，元件的端电极与焊盘之间也构成毛细现象，有利于焊接；此外，焊料在粗糙的金属表面上可以借助毛细管现象，沿着固体金属表面上的微小凹凸面向四方扩散。

2.1.2扩散作用和金属间化合物

1)扩散作用

用焊料焊接金属(母材)时，伴随着润湿现象的出现，熔化了的焊料与被焊金属发生的互相作用，固态金属向液态焊料溶解，液态焊料向金属扩散。

通常扩散可分为四类，即表面扩散、晶内扩散、晶界扩散和选择扩散。用焊料焊接时，锡在铜中既有晶内扩散，又有晶界扩散。主要是焊料中的锡选择性扩散。选择扩散是两种以上的金属元素组成的焊料焊接时，其中某一金属元素先扩散，或只有某一金属元素扩散，其他金属元素根奉不扩散，例如；当用锡一铅焊料焊接某一金属时，焊料成分中的锡向母材扩散，而铅不扩散，这就是选择扩散。

由于扩散的作用，两金属界面会生成一层薄薄的舍金层，其性能已不同于原来的金属。因此说台金是焊料与被焊金属在焊接热的作用下通过扩散作用形成的，其成分和厚度取决于焊料与被焊金属之间的材质、焊剂的性质和焊接温度与时间等工艺条件。由于扩散作用而形成合金层的物理化学过程，称为合金效应。合金层多为金属间化合物，简称IMC这种化台物至少要由两种原子组成晶格才处于稳定状态。在锡焊工艺中，锡能与多种金属，如铜、银、金、镍等形成IMC，本节中主要讨论锡一铜界面的IMC。

2)金属间化合物

在焊接时焊料润湿铜层后，也会有锡原子扩散到铜层中，而铜原子也扩散至Ⅱ锡中，通常在230℃～250℃：条件下1～3秒内，便可生成锡铜合金，通常初期的Sn—Cu合金的结构随着温度的提高将有更多转变为性能较脆，不易润湿。

若温度进一步提高，时间进一步加长，则意味着锡铅焊料中的锡不断地扩散到母材中，只留下铅并形成一个富铅层。在母材周围等构成的合金层，其外层是铅和铅层之间的界面非常脆弱，当受到温度循环、振动、冲击等外力作用时易发生裂纹，即人们常说的焊料偏析裂纹。

锡铜合金不仅出现在焊点层内，在波峰焊生产中，焊盘上的铜将扩散到锡槽中，当锡槽中铜含量超过O 5％时，它会使锡铅合金熔液出现粘滞性和砂性，焊点容易出现桥接、虚焊、拉尖等不良现象。

为了控制Sn(Cu合金的过量存在和有效地去除它们通常可以采取下列办法来解决：①严格控制焊接工艺参数(时间与温度)，特别是波峰焊接的温度。②在焊料中加入能与铜分子形成化合物而与被焊金属不能形成化台物的元素，如某些稀有元素，使界面合金生成速度昵显减慢，焊料中增加Ag和Sb，也可抑制Cu的溶解速度。③在波峰焊接中应定期的检验焊料中的铜含量，当超过O．4％时，可以采用“冷却法”除去CuSn合金，以延长焊料的使用寿命。

2.2锡焊材料

2.2.1焊料

焊料的熔点低于母材，在熔化时能在母材表面形成合金，并与母材连为一体。目前所用的焊料主要是锡铅焊料。生产中大量使用的焊料成份及性能应符合国家标准GB313l的要求。焊料的外型有棒状，丝状及膏状，分别用于波峰焊、手工焊及再流焊工艺中。随着人类环保意识的提高，国内外已推广使用无铅焊料。

1)共晶焊料

目前工业上最常采用的是铅锡共晶焊料，其对应的台金成分是Pb 38.1％，Sn 61.9％称为共晶合金，对应的熔点温度为183℃，是Pb—Sn焊料中性能最好的一种。其优点为：

熔点低，使焊接时加热温度降低，可防止元器件和PCB损坏：熔点和凝固点一致，可使焊点快速凝固，不会因半融状态时间间隔长而造成焊点结晶疏松，强度降低，这一点尤其对自动焊接有重要意义：流动性好．表面张力小，有利于提高焊点质量：强度高，导电性好。

实际应用中，Pb和Sn的比例没有控制在理论比例值上，一般将Sn 60％．Pb —40％的焊料就称为共晶焊料，其凝固点和熔化点也不是单一的183"C’。

2) 焊料物理性能及杂质影响

含Sn 60％焊料的抗拉强度和剪切强度都较好。一般常用焊料含锡蛩为70％一60％。焊料中除铅和锡外，不可避免有其他微量金属杂质，它们的存在超过一定限最就会对焊料性能产生影响。见表4。

另一方面，为了使焊料获得某些性能，也可掺入某螳金属。例如掺入少量(5％～2％)的银，可使焊料熔点低．强度高．掺入镉可使焊料变为高温焊锡。

表4

3)无铅焊料

由于铅及其化合物是污染环境的有毒物质，使用无钳焊料是一种必然的发展趋势。与常用Sn／Pb焊料相比，无铅焊料的熔点增高，密度与润湿性降低，成本提高，机械性能等也有所变化。与之对应的焊接工艺、焊接工艺材料选择、焊接设备参数要求等组装丁艺条件也将发生变化。表5列出了典型无铅焊料的物理性能。目前．国内无铅焊料及其组装工艺技术均尚处于研究阶段，工艺技术尚不

是很成熟，选用无铅焊料时要充分重视与工艺改进的配合，但这是今后的方向。

表5

2.2.2助焊剂

助焊剂的作用有三：首先是除去金属表面的氧化物、硫化物、油和其他污垢，使焊料与被焊金属原子受到相互的作用，接近到原子间的距离，其次是使金属表面和空气之间遮挡起米，起到防止再氧化的作用。第三是使焊锡的表面张力降低，提高流动性。使金属表面的熔融焊料能够在润湿状态下进行锡焊。

l)助焊剂的性能要求：

具有一定的化学活性；有良好的热稳定性和润湿性；助焊后的残渣少，并应无腐蚀，易清除：不产生有害气体和刺激性气味。

2)松香助焊剂的分类

(1)按助焊剂状态分有：干式和湿式助焊剂，于式助焊剂用于焊锡丝内芯以及涂刷在印制板上，固化后可防止印制导线氧化，并有助焊作用。湿式助焊剂是液态的，在焊接前涂覆在PCB焊盘上起防氧化和助焊作用。

(2)按活性程度分有：

a纯松香焊剂(R)，常用于电子产品，一般选用氢化松香，特级水白松香溶解在无水乙醇叶_配制而成，残渣少而容易清洗。

b中等活性松香焊剂(RMA)，在松香焊剂中添加乳酸，柠檬酸，荡酸草酸等，改善助焊剂的助焊性能，其残渣腐蚀陛弱，并具有良好的绝缘性能，用于波峰焊，搪锡，以及民用产品中。

c活性松香焊剂(RA)，在松香焊剂中添加盐酸苯胺，三乙醇胺盐酸盐等卤素化合物。有较强的活性，在残渣中氯离子的含量高，必须洗净，所以这类助焊剂主要用于可焊性差的元器件，在电子产品中控制使用。