关于锡焊机理与焊点可靠性分析课件

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
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
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。
二. 锡焊机理
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。
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，230~250℃转化为不活 泼的焦松香酸，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。
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。
锡焊机理
（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
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
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。
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）
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。
（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。
（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，
• 焊接是电子制造工艺中的关键工序。 • SMT的质量目标是提高直通率。除了要减少肉眼看得见
的缺陷外，还要克服虚焊、焊点内部应力大、内部裂 纹、界面结合强度差等肉眼看不见的焊点缺陷。 • 学习焊接理论、了解焊接过程，是为了从根本上采取 措施，提高电子连接的可靠性。 • 运用焊接理论指导生产实践， 掌握正确的工艺方法， 提高无铅焊接质量。
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，
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
表面张力在焊接中的作用
再流焊—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 面张力使再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“再流动”及 “自定位效应”的特点，再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。
关于锡焊机理与焊点 可靠性分析
内容
1．锡焊机理与焊点可靠性分析 2．SMT关键工序-再流焊工艺控制 3．波峰焊工艺 4．无铅焊接的特点、工艺控制及过渡阶段应注意的问题 5．无铅生产物料管理 6． 焊点质量评定及IPC-A-610D介绍
锡焊机理与焊点可靠性分析
学习、运用焊接理论，提高无铅焊接质量
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
表面张力与润湿力
熔融焊分料子在运金动属பைடு நூலகம்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。
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。
焊接方法（钎焊技术）
• 手工烙铁焊接 • 浸焊 • 波峰焊 • 再流焊
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。
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；
润湿力（ Wa ）
当固、液、气三相达到平衡时：BSV= CSL +ALV COS θ
V气体
ALV
BSV
θ
L液体
CSL
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
焊点要求
⑴ 产生电子信号或功率的流动 ⑵ 产生机械连接强度 焊接后在焊料与被焊金属界面生成金属间合金层（焊缝）
焊缝
内容
一. 概述 二. 锡焊机理 三. 焊点强度和连接可靠性分析 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