基础冶金学与波峰焊接趋势

1、基础冶金学与波峰焊接趋势 本文介绍， 为了使波峰焊接在电子工业中完全被接受， 冶金 学者、工业与主管机构必须一起工作，进行广泛的研究。 自从开始， 波峰焊接一直在不断地进化。 在焊接中涉及的基 本冶金学原理已经被许多非冶金人士所忽视， 他们为了寻找满足 今天要求和更加环境友好的适当材料。 为了决定与理解对波峰焊 接工艺中被广泛接受的焊锡作“插入式”替代的理论基础，作一 些研究是必要的。因此在这里有必要回顾一下基础的冶金学原 理，开发和理解为将来建议使用的替代材料。 波峰焊接的进化 从二十年代到四十年代， 连接是使用焊接烙铁连线方法。 印 刷电路板 (PCB) 的发展需要一个更加经济和稳健的形成

2、焊接连接 的方法。最早的大规模焊接概念是在英国的浸焊 (dip soldering) 。 在八十年代， 开发出被称为波峰焊接的概念。 这个方法今天还广 泛使用， 但是机器和操作员控制已经变得更好了。 焊接的基础仍 然是相同的。焊接形成只是变化来满足设备的要求；可是，化学 成分和理论动力学还是基本的和简单的。 附着方法基本上只需要 助焊剂，热和焊锡，以形成冶金连接。助焊剂用来清洁需要焊接 的、已被氧化的表面。加热去掉助焊剂载体和减少温度冲击，将 增加的热量加给构成电路装配的非类似的材料。 在一个装配上发 现的材料包括：塑料、陶瓷、金属、涂料、化学品及其广泛不同 的化学成分。 大规模的波峰焊接的使

3、用为元件的可焊性提出一个 关注的问题， 因为需要第一次就产生适当的连接， 并在装配上不 进行返修， 今天的产品不如过去那些较不复杂装配那么宽容。 需 要第一次就正确形成的可靠焊接点来经受 PCB 所暴露的环境。 在保证适当信号传输、消除串音和不可接受的垂直波比的同时， 必须分析每一种情况中引发的温度与机械应力。 1 最早的浸焊方法有一些问题：很难重新产生所希望的合格 率；将板放在熔化的焊锡上在底下夹住气体， 干扰热传导与焊锡 接触；焊锡只能熔湿 (wet) 到金属表面；锡渣 (氧化物与燃烧的助 焊剂的化合物 )必须撇去，不断地阻碍生产 2。这一整套问题导致 波峰焊接的引入。 该方法使用从锡锅升

4、起的熔化焊锡波或大块表 面来汇合PCB，然后PCB从波上传送过去。波峰焊接缩短一半 以上的接触时间。 传送带系统通常在一个角度上， 因此当板通过 波峰时，不会夹住任何东西在 PCB 下面。这样倾斜也允许熔化 的焊锡脱落进入锡锅， 减少相邻焊接点之间的桥接。 因为熔化的 金属是从熔化池表面之下泵出的， 只有清洁、 无氧化的金属引入 装配。 焊接动力学 当产生一个焊接点时所发生的反应在原理上是基本的。 焊锡 合金加热到其液相线区域，以提高焊接点的熔湿 (wetting) 。氧化 物从金属表面去掉， 以保证焊接点与带有助焊剂的熔化焊锡之间 的清洁接触。然后助焊剂预热从 PCB 去掉助焊剂溶剂 (一般

5、为水 或酒精）。需要增加的热量来克服 PCB与熔化焊锡池之间的温度 差。加热PCB来补偿温差差，不对元件引起伤害。PCB有必要 的暴露金属区域，从波峰上通过。焊锡以适当的接合与熔湿角度 熔湿到金属。表面能量与接触角度决定熔化的焊锡对暴露金属的 附着。如果固体的表面能量相当高于液态和固体/液态界面表面 能量的总和，那么液态熔湿并流走。毛细管作用使焊锡达到 PCB 的圆形电镀孔的顶面。 * 士 甲常* h i f.-m 在一些系统中，氮气惰性化的焊接环境用来提高熔湿/毛细 管作用。这些孔通常连接装配中等电路层，表明： 1、液体在毛细管空间的上升高度随着表面分开减少而增加。 2、进入焊点的流动速度随

6、着表面分开的减少而减少。 冶金学的因素对焊锡连接有重要的和经常是主要的影响3。 熔化的焊锡在焊锡铅与加入形成连接的熔化焊锡之间形成金属 间化合层。在冷却之后，保持焊接点。 金属间化合的形成与增长 直到连接冷却到可以处理， 金属间化合层还在增长。 增长速度 是与在特定温度的时间的平方根和温度的指数成线性。这说明增 长是通过交互原子向界面扩散来控制的。 这个金属间化合层通常 是1 m的Cu6Sn5。Cu来自于PCB的连接面，而 Sn来自于焊 锡合金。 金属间化合物具有从金属与共价键的混合物升起的特性。 这 些键由于有高分子而强度高。 因此， 自扩散系数和更大的扩散控 制特性的稳定性是强键结合和有序

7、结构的结果4。这个接合对连 接是好的，直到其增长完全支配焊接点的特性；这时，这样的焊 点对装配就是有害的。 焊接材料 今天，波峰焊接工艺首选的合金是共晶(eutectic)合金： Sn63/Pb37，因为其价格与可获得的量。Sn提供连接的特性，而 Pb 是作为填充材料使用的。产量的增强要求使用快速固化的和 可以在几秒钟内形成数百焊接点的材料。 给共晶焊锡的普通名称 是令人误解的。 指定的组成成分不是真正的共晶成分。 共晶成分 按重量百分比是 61.9%S n，如图一所示。这个差异来自于早期 对共晶成分的错误计算。更高 Sn 含量的合成物不能调节成本增 加与电子装配性能改善之间的关系。 只有当装

8、配使用在腐蚀性环 境时，成本才调节过来。在冶金学上，焊锡可看作是构成二元合 金的纯金属的简单混合。 其合金图是二元合金系统的典型图， 适 用于基本的冶金学原理。正如所料，当偏离共晶时，各种合金的 特性是不同的。随着合金中 Sn 含量减少，液化温度增加、密度 增加、硬度减少、温度膨胀系数 (CTE) 增加、温度与电气传导性 减少。 非共晶成分 当考虑非共晶合金时，假设由 a +共晶组成，从图二的扛杆 定律支配比值。有实例证明，没有树枝状晶体出现的固化是可能 的，整体的微结构符合共晶。合成物是一个平均的成分。怎样在 非共晶合成物中获得共晶结构？固化的冷却速率快于转化动能。 当超过固体可溶性极限的成

9、分在室温下冷却时，a相的平均成分 结核。转换固相的转化动能被固体转变远远超过。当室内空气冷 却固溶体时，剩下的液体可能经历共晶反应，在室温下在非共晶 成分中给出共晶微结构。当共晶成分的纯二元液体冷冻时，形成 的固体平均成分与液体是一致的。据报道，在a片之前没有溶质 集结和结构的集结，在B片之前溶质的耗损。这些溶质轮廓可产 生结构过冷，尽管这个现象不是平面不稳性的充分条件5。在微 结构中，有时使用名词微组元 (microco nstitue nt)是方便的，即， 具有可确认和有特征结构的微结构元素。在图二中，主要微组元 的颗粒结核，形成的共晶微组元的百分率大于焊锡合金当量条 件。 随着波峰焊接机器中的焊锡锅长时机运行，暴露给所有金属 的焊锡可能具有与原来的不同的作用。氧化和金属间化合的形成 随着时间改变着焊锡锅中的成分，也改变了特性。温度设定点必 须改变和监测，以控制可能由于锡锅合金成分的冶金变化而出现 的缺陷。 无铅波峰焊接 世界上，大约每年使用 60,000吨的焊锡。虽然电子装配不 是主要使用者，但还是有世界范围的日益增加的对减少铅使用的 关注，由于其毒性和再生利用的处理不当6。转换到无铅不是被 工业