锡焊原理与焊点可靠性分析

锡焊原理
（1）润湿 （2）扩散 （3）溶解 （4）冶金结合，形成结合层 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 润湿是物质固有的性质 分子运动 润湿是焊接的首要条件
润湿角θ
θ=焊料和母材Baidu Nhomakorabea间的界面 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 ° 完全润湿； 完全不润湿； 当θ=0°时，完全润湿；当θ=180°时，完全不润湿； ° °
η 粘 度 表 mn/m 面 张 540 力 520 500 480 10 20 30 40 50 Pb含量 含量% 含量
T（℃） （
温度对黏度的影响
250℃时Pb含量与表面张力的关系 ℃ 含量与表面张力的关系
能有效地降低焊料的表面张力， ③增加活性剂——能有效地降低焊料的表面张力，还 增加活性剂 能有效地降低焊料的表面张力 可以去掉焊料的表面氧化层。 可以去掉焊料的表面氧化层。 ④改善焊接环境——采用氮气保护焊接可以减少高温 改善焊接环境 采用氮气保护焊接可以减少高温 氧化。 氧化。提高润湿性
锡焊过程——焊接过程是焊接金属表面 助焊剂、 锡焊过程——焊接过程是焊接金属表面、助焊剂、 焊接过程是焊接金属表面、 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、 物理学——润湿、黏度、毛细管现象、热传导、扩散、溶解 润湿、 化学——助焊剂分解 氧化、还原、 化学——助焊剂分解、氧化、还原、电极电位 助焊剂分解、
焊接中降低表面张力和黏度的措施
升温可以降低黏度和表面张力的作用。 ①提高温度——升温可以降低黏度和表面张力的作用。 提高温度 升温可以降低黏度和表面张力的作用 分子运动 升高温度可以增加熔融焊料内的分子距离， 升高温度可以增加熔融焊料内的分子距离，减小焊料内 分子对表面分子的引力。 分子对表面分子的引力。 ②适当的金属合金比例——Sn的表面张力很大，增加Pb可以降 适当的金属合金比例 Sn的表面张力很大，增加Pb可以降 Sn的表面张力很大 Pb 低表面张力。63Sn/37Pb表面张力明显减小 表面张力明显减小。 低表面张力。63Sn/37Pb表面张力明显减小。
表面张力
表面张力——在不同相共同存在的体系中，由于 在不同相共同存在的体系中， 表面张力 在不同相共同存在的体系中 分子运动 相界面分子与体相内分子之间作用力不同， 相界面分子与体相内分子之间作用力不同，导致相 界面总是趋于最小的现象。 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 =0。 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， 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。 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。 熔融焊料在金属表面也有表面张力现象。
大气 大气
液体表面分子受液体内分子的引力＞ 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 液体内部分子受力合力=0
表面张力与润湿力 表面张力与润湿力
分子运动 熔融焊料在金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。 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。 表面张力是物质的本性，不能消除，但可以改变。
配比（ 配比（W%） ） Sn 20 30 50 63 80 Pb 80 70 50 37 20 表面张力(N/cm) 表面张力 4.67×10-3 × 4.7×10-3 × 4.76×10-3 × 4.9×10-3 × 5.14×10-3 × 粘度（ 粘度（mPa•s) 2.72 2.45 2.19 1.97 1.92
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 助焊剂中活性剂在加热时能释放出的HCl， SnO起还原反应。 SnO起还原反应。 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， 活性剂的活化反应产生激活能，减小界面张力， 提高浸润性。 提高浸润性。 （3）焊料氧化，产生锡渣。 焊料氧化，产生锡渣。 3.焊料与母材的反应 3.焊料与母材的反应 润湿、扩散、溶解、冶金结合，形成结合层。 润湿、扩散、溶解、冶金结合，形成结合层。 结合层
波峰焊——波峰焊时，由于表面张力与润湿力的方向 波峰焊时， 波峰焊 波峰焊时 相反，因此表面张力是不利于润湿的因素之一。 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 SMD波峰焊时表面张力造成阴影效应 SMD
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。 熔融合金的粘度与表面张力是焊料的重要性能 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 优良的焊料熔融时应具有低的粘度和表面张力， 加焊料的流动性及被焊金属之间的润湿性。 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。 锡铅合金的粘度和表面张力与合金的成分密切相关。 锡铅合金配比与表面张力及粘度的关系（ 锡铅合金配比与表面张力及粘度的关系（280℃测试） ℃测试）
润湿条件 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。 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 互溶程度取决于：原子半径和晶体类型。 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。 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。 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， 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。 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， 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。 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。 的原因之一。
表面张力在焊接中的作用
分子运动 流焊——当焊膏达到熔融温度时，在平衡的表面张 当焊膏达到熔融温度时， 平衡的表面张 回流焊 当焊膏达到熔融温度时 力的作用下，会产生自定位效应（ alignment）。 ）。表 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， 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 实现高度自动化与高速度。同时也正因为“回流动” “自定位效应”的特点，回流焊工艺对焊盘设计、元器件 自定位效应”的特点，回流焊工艺对焊盘设计、 标准化有更严格的要求。如果表面张力不平衡 不平衡， 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。 出现元件位置偏移、吊桥、桥接、等焊接缺陷。
润湿力（ Wa ） 润湿力（
当固、液、气三相达到平衡时：BSV= CSL +ALV COS θ 当固、 气三相达到平衡时： V气体 θ BSV CSL ALV
L液体 S固体
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B 看作是液体在固体表面漫流的力（润湿力：Wa） 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 BSV与CSL的作用力都沿固体表面，但方向相反。 设润湿力为Wa， 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： 其近似值： Wa≈ BSV+ ALV- CSL 将BSV代入式中 Wa = CSL +ALV COSθ+ ALV- CSL COSθ Wa = ALV（1 + COSθ ）——润湿力关系式 COSθ ——润湿力关系式 从润湿力关式可以看出：润湿角θ越小， 从润湿力关式可以看出：润湿角θ越小，润湿力越大
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， 松香的主要成分是松香酸， 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 融点为74℃。170℃呈活性反应， 300℃以上无活性。 74℃。 以上无活性。 呈活性反应 松香酸和Cu 反应生成松香酸铜。 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。 300℃以上不能和 以上不能和Cu 起反应。 （2）溶融盐去除氧化膜——一般采用氯离子Cl-或氟离 溶融盐去除氧化膜——一般采用氯离子 一般采用氯离子Cl 使氧化膜生成氯化物或氟化物。 子F- ，使氧化膜生成氯化物或氟化物。 （3）母材被溶蚀——活性强的助焊剂容易溶蚀母材。 母材被溶蚀——活性强的助焊剂容易溶蚀母材 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。 助焊剂中的金属盐与母材进行置换反应。
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 焊接种类 压焊 钎焊
熔焊
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 连接技术： 电子装配的核心 连接技术 焊接技术的重要性 ——焊点是元器件与印制电路 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。 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。 度就决定了电子产品的性能和可靠性。
表面清洁
焊件加热
冶金学——合金 合金层、金相、 冶金学——合金、合金层、金相、老化现象 合金、
熔锡润湿 扩散结合层 电学——电阻 电学——电阻、热电动势 电阻、 冷却后形成焊点
材料力学——强度（拉力、剥离疲劳）、应力集中 材料力学——强度（拉力、剥离疲劳）、应力集中 强度 ）、
焊接过程中焊接金属表面（母材，以Cu为例）、 为例）、 焊接过程中焊接金属表面（母材， Cu为例 助焊剂、 助焊剂、熔融焊料之间相互作用
焊接方法（钎焊技术） 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 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。 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。 钎料熔点低于焊件熔点。 • 加热到钎料熔化，润湿焊件。 加热到钎料熔化，润湿焊件。 • 焊接过程焊件不熔化。 焊接过程焊件不熔化。 • 焊接过程需要加焊剂。（清除氧化层） 焊接过程需要加焊剂。（清除氧化层） 。（清除氧化层 • 焊接过程可逆。（解焊） 焊接过程可逆。（解焊） 。（解焊
电子焊接——是通过熔融的焊料合金与 是通过熔融的焊料合金与 电子焊接 两个被焊接金属表面之间生成金属间合金层 焊缝） （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。 气与机械连接的焊接技术。
二. 锡焊原理
当焊料被加热到熔点以上， 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， 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。 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、 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， 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。 属间结合层（焊缝），冷却后使焊料凝固，形成焊点。 ），冷却后使焊料凝固 焊点的抗拉强度与金属间结合层的结构和厚度有关。 焊点的抗拉强度与金属间结合层的结构和厚度有关。