锡焊原理与焊点可靠性分析
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锡焊原理与焊点可靠性分析
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1
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
a
2
一. 概述 熔焊
熔焊 焊接种类 压焊
钎焊
压焊
钎焊
a
超声压焊 金丝球焊 激光焊
3
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。
15
润湿条件
（a）液态焊料分与子母运材动之间有良好的亲和力，能互相溶解。 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
a
18
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。
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 WWaa==CASLLV+（A1LV+CCOOSSθθ+）A—LV-—C润SL湿力关系式
从润湿力关式可以看出：润湿角a θ越小，润湿力越大
润湿、扩散、溶解、冶金结合，形成结合层。
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12
锡焊原理
（1）润湿 （2）扩散 （3）溶解 （4）冶金结合，形成结合层
a
13
（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 °
（3）母材被来自百度文库蚀——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。
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11
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
a
9
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a 劳）、应力集中
10
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。
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19
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
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20
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。
锡铅合金配比与表面张力及粘度的关系（280℃测试）
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a 内部分子受力合力=0
17
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。
当θ=0°时，完全润湿；当θ=180°时，完全不润湿；
a
14
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
可以将BSV看作是液体在固体表面漫流的力（润湿力：Wa）
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7
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。
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二. 锡焊原理
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。
的原因之一。
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16
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。
a
4
焊接方法（钎焊技术）
• 手工烙铁焊接 • 浸焊 • 波峰焊 • 回流焊
a
5
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。
a
6
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）
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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
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2
一. 概述 熔焊
熔焊 焊接种类 压焊
钎焊
压焊
钎焊
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超声压焊 金丝球焊 激光焊
3
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。
15
润湿条件
（a）液态焊料分与子母运材动之间有良好的亲和力，能互相溶解。 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
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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。
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 WWaa==CASLLV+（A1LV+CCOOSSθθ+）A—LV-—C润SL湿力关系式
从润湿力关式可以看出：润湿角a θ越小，润湿力越大
润湿、扩散、溶解、冶金结合，形成结合层。
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锡焊原理
（1）润湿 （2）扩散 （3）溶解 （4）冶金结合，形成结合层
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（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 °
（3）母材被来自百度文库蚀——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。
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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
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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a 劳）、应力集中
10
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。
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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
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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。
锡铅合金配比与表面张力及粘度的关系（280℃测试）
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a 内部分子受力合力=0
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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。
当θ=0°时，完全润湿；当θ=180°时，完全不润湿；
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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
可以将BSV看作是液体在固体表面漫流的力（润湿力：Wa）
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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。
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二. 锡焊原理
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。
的原因之一。
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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。
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焊接方法（钎焊技术）
• 手工烙铁焊接 • 浸焊 • 波峰焊 • 回流焊
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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。
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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）