电子焊料

二、传统电子焊料
随着集成(IC)电子封 装技术的发展，电子焊料 的使用进一步增加。目前 全球每年为600亿只的集成 电路都必须封装，然后再 与系统主板进行组装连接。
2.1 电子焊料的应用背景
电子组装技术
第一级组装（芯片封装）
实现将由半导体晶元组成 的芯片组装成为具有一定电气 性能的电子元器件。
真空电子束焊
1.1 熔焊
优点： 1、能量集中，焊缝深宽比大，截 面积小，焊接速度快； 2、电弧挺直性好； 3、电弧稳定性好； 4、由于钨极内缩在喷嘴内，不可 能与焊件接触，没有焊缝“夹钨” 问题； 5、薄板焊接变形小，厚板焊接热 影响区窄。
等离子弧焊
1.1 熔焊
气焊
优点： 1、设备简单、使用灵活； 2、对铸铁及某些有色金属的焊接有较好的适应性； 3、在电力供应不足的地方需要焊接时，气焊可以发挥更大的作用。 缺点： 1、生产效率较低； 2、焊接后工件变形和热影响区较大； 3、较难实现自动化。
铅元素毒性对人类健康的影响 (Lenching and Recycling)
废弃印刷基板 酸性雨 粉碎, 填拓 土壤
废弃物
溶出铅 被铅污染的地下水
对人体的影响 对生态系的影响
成人血液中的铅含量应低于50mg/dl，儿童血液中的铅含量应低于30mg/dl。
铅在各产品中的使用量
Lead Consumption (5 million tons/yr) by Products
PCB
预热 涂敷焊剂 熔化的焊料
波峰焊是指将熔化的软钎焊料（铅锡合金），经电动泵 或电磁泵喷流成设计要求的焊料波峰,也可通过向焊料池注入 氮气来形成，使预先插装有元器件的PCB印制板置于传送链 上,经过某一特定的角度以及一定的浸入深度穿过焊料波峰而 实现焊点焊接的过程。
波峰焊流程
炉前检验 喷涂助焊剂 预加热
1.2 压焊
压焊是指在焊接过程中，必须对焊件施加压力(加热或不加热) 完成焊接的方法。
优点： 1、熔核形成时始终被塑性环包围； 2、加热时间短，热量集中，故热影响 区小，变形与应力也小； 3、不需要焊丝、焊条等填充材料，以 及氧、乙炔、氩等焊接材料，成本低； 4、操作简单，易于实现机械化和自动 化。 缺点： 1、目前还缺乏可靠的无损检测方法； 2、点焊、缝焊的搭接接头不仅增加了 构件的重量，而且致使接头的抗拉强度 和疲劳强度降低； 3、设备成本较高，维修较困难。
板底检查
冷却
波峰焊锡
波峰面
波的表面被氧化膜覆盖﹐它在沿焊料波表面的整个长度 方向上，几乎都保持静态﹐在波峰焊接过程中﹐PCB接触到 锡波的表面﹐氧化膜破裂﹐PCB前面的锡波无皲褶地被推向 前进﹐这说明整个氧化膜与PCB以同样的速度移动 .
焊点成型
当PCB进入波峰面前端时﹐基板与引脚被加热﹐在未离 开波峰面之前﹐整个PCB浸在焊料中﹐即被焊料所桥联﹐但 在离开波峰尾端的瞬间﹐少量的焊料由于润湿力的作用﹐粘 附在焊盘上﹐并由于表面张力﹐会出现以引线为中心收缩至 最小状态﹐此时焊料与焊盘之间的润湿力大于两焊盘之间的 焊料的内聚力。因此会形成饱满﹐圆整的焊点﹐离开波峰尾 部的多余焊料﹐由于重力的原因﹐回落到锡炉中 。
电 子 焊 料
主讲人：王斌
一、焊接技术简介 二、传统电子焊料 三、无铅焊料的发展 四、典型无铅焊料 五、展望
一、焊接技术简介
1.1 熔焊
熔焊是指在焊接过程中，将焊件接头加热至熔化状态， 在不外加压力的情况下完成焊接的方法。
特点： 1、设备简单； 2、操作灵活方便； 3、能焊接多种材料，适合全位置焊接； 4、不足之处是生产效率低劳动强度大。
回流焊温度曲线
电路板由入口进入 再流焊炉膛，到出口传 出完成焊接，整个再流 焊过程一般需经过预热、 保温干燥、回流、冷却 四个温度不同的阶段。 要合理设置各温区的温 度，使炉膛内的焊接对 象在传输过程中所经历 的温度按合理的曲线规 律变化，这是保证再流 焊质量的关键。
回流焊机分类
回流焊机
加热系统
90
80 70 60 50 40 30 20 10 0 Storage Batteries Other Oxide AmmunitionSheet Lead Cable covering Casting Metals Brass, Bronze, Billets & Ingots Pipes, trapsSolder (NonOther Extruded Electronic) Products Electronic Solder
颗粒、膏状焊料
随着片式元器件的出现，不同尺寸的焊料颗粒和膏状焊料随之出现。
焊丝
手工焊是使用电烙铁等简易的加热设备对焊料进行加热以促使 焊料重熔而形成焊点。 手工焊的焊料一般加工成带状或丝状。根据焊丝中是否加入助 焊剂又分为普通焊丝和活性焊丝。
三、无铅焊料的发展
Sn-Pb焊料
Sn-Pb焊料主 要用于航空航 天、电子电器 行业、电器仪 表工业中元件 的焊接，以及 汽车散热器、 热交换器、食 品和饮料容器 的密封等。
手工电弧焊
1Hale Waihona Puke Baidu1 熔焊
优点： 1、电子束穿透能力强，焊缝深宽比大； 2、能量密度高； 3、焊缝纯度高，接头质量好； 4、再现性好，工艺适应性强； 5、可焊材料多。 缺点： 1、设备复杂，投资大，费用较昂贵； 2、被焊工件尺寸和形状常受到工作室 的限制； 3、电子束易受杂散电磁场干扰，影响 焊接质量； 4、焊接时产生的X射线对操作人员有 一定影响。
全热风再 流焊机的加热 系统主要由热 风马达、加热 管、热电耦、 固态继电器 SSR、温控模 块等部分组成。
加热板
加热系统的控温是主要通过调 整加热丝的加热时间来实现的。 每个温区均有热电偶，安装在 整流板的风口位置，检测温区 的温度，并把信号传递给控制 系统中的温控模块； 温控模 块接收到信号，实时进行数据 运算处理，决定其输出端是否 输出信号给固态继电器。
铅的浸出以及循环 (Lenching and Recycling)
Scrapped Sn-Pb PCB
Lead dissolve into sulfur contain rain water and nitric acid
Well water contain lead Acid rain
Groundwater polluted by lead Pb comes out of scrapped PCBs and pollutes the drinking water
五步法 三步法
注意： 由于焊丝成分中，铅占一定比例，众所周知铅是对人体有害的重金 属，因此操作时应戴手套或操作后洗手，避免食入。 焊剂加热挥发出的化学物质对人体是有害的，如果操作时鼻子距离 烙铁头太近，则很容易将有害气体吸入。一般烙铁离开鼻子的距离应至 少不少于30厘米，通常以40厘米时为宜。
1.4.2 波峰焊
常用的手工焊工具
手动送锡电烙铁 温控式电烙铁
又称为自进手枪式电烙铁，可单手操 作，特别适用于自动装配线上使用，工效 高。
温控式电烙铁一般采用高强度耐温塑料手柄及抗氧化耐腐蚀的长 寿焊嘴，内置发光指示灯，可直接观察恒温工作状态。电子控温电路 采用集成电路和超小型元器件，直接安装在电烙铁的手柄中间。
手工焊方法
2.2 电子焊料的概念
根据其组成成分， 焊料可以分为锡铅焊 料、银焊料、及铜焊 料。按熔点，焊料又 可以分为软焊料（熔 点在450 ℃以下）和 硬焊料（熔点在450 ℃以上）。在电子装 配中常用的是锡铅焊 料。
凡是用来熔合 两种或两种以上 的金属面，使之 形成一个整体的 金属的合金都叫 焊料。
2.3 电子焊料的产品形式
在传统电子行业中，Sn-Pb合金是一种广泛应用于微 电子封装及电子产品组装的钎焊连接材料，在所有的电子 钎焊材料中占据统治地位。
Sn-Pb焊料带来的问题

铅的浸出以及循环 (Lenching and Recycling)。 铅元素毒性对人类健康的影响。 废物处理问题 (Disposal)。 环保法律法规 (Legislation)。 市场竞争力 (Competition)。
波峰高度
变频器1-2分 别控制扰流 波和平稳波
波峰高度是指波峰焊接中的PCB吃锡高度。其数值控制在PCB 板厚度的1/2～2/3,过大会导致熔融的焊料流到PCB的表面形成 “桥连”,过低易造成空焊漏焊 。
焊接倾角
波峰焊机在安裝時除了使机器水平外﹐还应调节传 送裝置的倾角﹐通过倾角的调节﹐可以调控PCB与波 峰面的焊接时间﹐会有助于焊料液面与PCB更快的分 离﹐使之返回锡炉内。减少桥连、包焊的产生。
超声波焊接
1.2 压焊
优点： 1、焊接接头质量高，不易产生缺陷； 2、可进行平板的对接和搭接，可焊接 直焊缝、角焊缝及环焊缝； 3、焊接变形小，焊件尺寸精度较高； 4、易于实现机械化和自动化，质量比 较稳定，重复性高。
搅拌摩擦焊
缺点： 1、焊接工具的设计，过程参数等只对 较小范围、一定厚度的合金适用； 2、搅拌头的磨损较大； 3、目前的焊接速度不高； 4、需要特定的夹具，设备的灵活性差。
由于电子钎焊材料的产品 形式与所应用的焊接方式有关， 因此可根据电子组装的不同焊 接方法对焊料的产品形式进行 分类。
条状、块状焊料
由于波峰焊焊接前焊料必须在焊锡槽中加热熔化，因此 用于波峰焊的焊料主要是以块状或条状铸锭的形式加入的。
片状、圈状焊料
回流焊中预先放置的焊料需要满足一定的形状要求，因此用于回 流焊的焊料必须先加工得到预定的形状和尺寸。早期预制的是片状 和圈状焊料。
电阻焊
1.2 压焊
特点： 1、爆炸焊所需装置简单，操作方 便，成本低廉，适用于野外作业； 2、爆炸焊对工件表面清理要求不 太严，而结合强度却比较高，适合 于焊接异种金属。
爆炸焊 已广泛用于导电母线过渡接头、换热器管与管板的焊接和制造大面积复合板。
1.2 压焊
优点： 1、适用于多种材料的焊接； 2、可实现高热导率及高电导率材料的 焊接； 3、与电阻点焊相比，耗用功率仅为其 5%左右，焊件变行小于3～5%，焊点 强度及稳定性平均提高约15～20%； 4、对工件表面清洁度要求不高，允许 少量氧化膜及油污存在。 缺点： 1、焊接需用功率随工件厚度及硬度的 提高呈指数剧增，因而只限于丝、箔、 片等的焊接； 2、绝大多数情况下，超声波焊接只适 用于搭接接头。
焊料的纯度对焊接质量的影响
波峰焊接过程中﹐焊料的杂质主要 是来源于PCB上焊盘和元器件引脚 的铜和氧化物﹐过量的铜会导致焊 接缺陷增多 。
1.4.3 回流焊
回流焊原理
回流焊机的结构主体是一个热源受控的隧道式炉膛，沿传送系统 的运动方向，设有若干独立控温的温区，通常设定为不同的温度，全 热风对流回流焊炉一般采用上、下两层的双加热装置。电路板随传动 机构直线匀速进入炉膛，顺序通过各个温区，完成焊点的焊接。
常用手工焊工具
外热式电烙铁
加热元件在焊锡铜头的内部，使热量从内部传到 烙铁头，具有加热速度快、效率高，体积小，重量轻， 耗电省，使用灵巧等优点；适合于焊接小型的元器件。
普通内热式电烙铁
发热电阻在电烙铁的外部；它既适合于焊接大型的元部件，也 适用于焊接小型的元器件。由于发热电阻丝在烙铁头的外面，有大 部分的热散发到外部空间，所以加热效率低，加热速度较缓慢。
1.3 钎焊
电子产品安装工艺中所谓的“焊接”就是软钎焊的一种，主 要使用锡、铅等低熔点合金材料作焊料，因此俗称“锡焊”。
使用焊料的熔点高于4500C 的焊接称硬钎焊； 使用焊料的熔点低于4500C 的焊接称软钎焊。
1.4 常见的电子焊接方法
1.烙铁焊 2.波峰焊 3.回流焊 4.浸 焊
1.4.1 手工焊
焊接倾角应控制在5-7度
预热器加热系统
预加热器是由一个耐高温材料制成的加热箱体．发热管置于 加热箱内。通过反射盘向外辐射热能，来给PCB加热。
助焊剂
锡焊助焊剂的主要成分是松节油或松香，其助焊原理是松 节油或松香在高温时气化，气化的松节油或松香与金属的氧化 层发生化学反应，清除了氧化层的金属更有利于焊接。
第二级组装 （电子组装）
是将电子元器件安装到印 刷电路板，形成相对独立的电 路单元。
第三级组装
是通过对应的接口形式实 现主板与卡板的连接。
通孔插装技术 (Pin-Through-Hole,PTH)
表面组装技术 (Surface Mounting Technology, SMT)
随着电子微型化和集成化的要求越来越高，表 面组装技术应运而生，这种阵列封装的方法已经成 为芯片封装的主要手段。