353-可焊性及其评价方法

1、#PDF 文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建 #【环球SMT与封装】特约稿 吴懿平博士武汉光电国家实验室 研究员华中科技大学 教授/博导Email: ypwu可焊性及其评价方法1可焊性的定义在电子行业中，可焊性是指材料易于采用焊料进行软钎焊连接的能力，又称为软钎焊性。对于那些易于实 现软钎焊连接的材料，我们称之为可焊性优良的材料。反之，则认为其可焊性不佳。可焊性的优劣，在很大程 度上取决于母材一钎料体系的润湿状态。一般来说，如果钎料对母材的润湿性能良好，则可焊性通常也比较好。 所以，可以用润湿情况来评价。焊料对母材润湿是形成优良焊点的基本前提。润湿的程度可

2、以用钎料在母材上的接触角来表征。润湿程度的大小可大致分为润湿良好、部分润湿、和不润湿等几种情况。此时接触角在30°90°之间。不润 般地，接触角小于 90°时，认为焊点润湿良好是指在焊接 面上留下一层均匀、连续、光滑、无裂痕、附着好的焊料，此时接触角明显小于30° 部分润湿 只是指金属表面一些地方被焊料润湿，另一些地方表现为不润湿， 湿是指焊料在焊接 面上不能有效铺展甚至 在外力作用下焊料仍可去除。一 是合格的；大于90°时，则认为焊点不 合格（见图1）。f不事金會幡PDF 文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创

3、建 #PDF 文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建 4加热不仅使助焊剂活化，而且使钎料的 作用，将导致不润湿或反润湿。图2给 此时接触角小于90°并且在焊盘上会留下均图1合格和不合格焊点的接触角 电子部件钎焊时，母材表面的氧化物在加热过程中被助焊剂去除。 表面张力减小，使润湿作用增强。如果母材 与钎料之间没有良好的润湿 出了元器件引线 在印刷电路板上润湿良好 时所形成的钎角形态。 匀光滑的钎料层。图2引线良好润湿时焊点形态示意图造成焊点润湿不良的 原因有以下两方面，一是由于母材表面的氧化物未被助 焊剂去除干净，使得钎料难以 在这种表面上铺展，从而导

4、致接触角大于 90°另一原因是，钎料本 已良好润湿母材， 但由于工艺不当（如加 热时间过 长或温度过高等），使得母材表面易于被钎料润湿的 金属镀层完全溶解到液 态钎料中，并裸露出不易被 钎料润湿的基体 金属表面，或是由于钎料与母材相互作用，形成了连续的不易被钎料润湿的化合物相。一旦出 现这类情形，已铺展开的液态钎料就会回缩，使其表面积趋于最小，使接触角增大，最终形成所谓的反润湿(或 称润湿回缩)焊点。2影响电子元器件可焊性的因素当带有镀层的印制电路板和元器件引线 在较高温度下长时间放置或在氧化气氛中存放时，会造成镀层金属 氧化，同时还会使镀层与基体金属之间所形成的化合物层 不断长大。

5、这两类情况都将影响到可焊性。镀层过分氧化会增加助 焊剂去除氧化膜的难度，因而可能造成润湿不良，从而影响元器件管脚的可焊性。 对于这类问题，可以通 过增强助焊剂活性的方法来解决。但随着助焊剂活性的增加，腐蚀性危险性也增大，因 此不得不进行严格的钎后清洗。这将使生产成本显著增加，并且对于某些体系和结构，清洗也不能完全避免腐 蚀问题。所以保证印制电路板和元器引线 在钎焊前不 过分氧化是非常重要的。锡铅钎料在暴露于大气中的铜锡化合物表面上的润湿性是很 差的，因此要保证镀 层具有一定的厚度，使其 在长期存放 过程中化合物不致于生长到表面，镀层的厚度一般不 得低于7.5 g左右。这种厚度可以保证锡铅共 晶

6、合金镀层在某些人为造成的严酷环境中老化24h后仍具有优良可焊性。而当镀层厚度小于2.5 g时，经过 4h的老化后，就可能出现反润湿现 象。镀层质量对软钎焊同样具有重要意义。热浸镀层的厚度常常不 均匀，因而出现局部区域涂层太薄并影响到 可焊性。电镀层的厚度比较均匀，但镀层如果呈现多孔性，并且在镀层表面下常有一些有害的有机物质，这也 可能影响到可焊性，对于 多孔性问题，可以通过控制电镀工艺，形成 尺寸细小的晶粒来解决。较小的 晶粒尺寸 可以保证镀层表面致密光洁，因而不易氧化。3可焊性测试与评价可焊性评价 有很多中方法，测定量有扩展面积、润湿角、润湿状态、润湿 时间以及润湿张力等。依据评价 方法的不

7、同，评价值所代表的意义各不相同，不能仅仅用一种评价方法所得到的结果来代替焊料润湿性能的 全 部。下面介绍几种常用的评价焊料润湿性能的 方法。(1) 焊料润湿展宽法可以通过测量焊料在金属表面的熔化过程中的展宽率来评价该焊料的润湿性。例如，使直径为D的球形焊 料在被焊的金属表面上加热熔化，设熔化后熔体的高度为H，则焊料润湿 展宽系数=(D-H)/D X100%展宽法的特点是方法简单易行，测试结果具有相对的意义。(2) 表面张力法表面张力法又称为润湿 平衡法。如图3所示，当样品浸入焊料时，样品、熔化的焊料和大气(或助焊剂覆 盖)之间构成一个三相体系，当达到平衡时，由于表面张力的作用，在样品上形成的弯

8、月面形状以及三个不同 方向的表面张力。当样品浸入熔融 的焊料锅内时，受到浮力和润湿力的作用，其合力为F=Fm-Fa,式中Fm为润 湿力，Fa为浮力。假设试样在弯月面区域内的周长为L,熔融合金的密度为p,则Fm =Flf XLCOSB, Fa = pVg。由 此得到八F + plgcos e = X Lz LF(1)从式可以看出，合力F的变化与润湿角0存在着直接的关系。因此可以通过测量润湿平衡条件下的合力， 来定量地表示样品的可焊性。图4是由某可焊性测试仪的一条合力 坐标为合力，单位为mN。向上合力为正。F与时间的关系曲线，简称润湿 润湿曲线过横轴时合力为零。曲线。横坐标为时间，单位为s,纵图4

9、润湿曲线过程的解析A点：试样开始放入熔融的锡锅之前。B点：试样同熔融锡料接触的时刻，也是测试开始的时刻。C点：试样浸到规定的深度。如果 试样有很好的润湿性 并且试样的热容量很小的话，在C点发生润湿。B点到C点：熔融的锡料液面呈凹型，试样受到焊料表面张力和浮力的共同作用。此时试样表面将发生润 湿和焊接。D点：如果试样需要的热容量大或者试样涂有的助焊剂较多，在D点才开始润湿和焊接。C点到D点：试样达到焊接温度或焊剂 激活”需要的时间。E点：正在润湿过程中。D点到E点：在这一时间段熔融的焊料处于润湿和凹面回升过程中，表面张力有向上的分量，并且越来越 小，如果可焊性好的 化，这段时间比较短。F点：熔融

10、焊料凹下去的液面回到水平，表面张力的方向是水平的，垂直方向的主要作用是浮力。可以将 过F点的时间定义为零交时间，作为衡量可焊性的一个指标。G点：在指定的时间所测的合力值。通常标准选择2s，即测量2s时的合力值。H点：最大合力点。这是焊料爬升高度最高，润湿力最大。D点到H点：焊料沿着试样表面 爬升”的过程。D点到H点的斜率越大，表明可焊性越好。K点：测试结束前一瞬间的合力值，通常K点的值同H点的值比较接近，表明润湿的稳定性好。如果K点比H点低，表明焊料沿着试样表面 回落”凸面有所下降，为失润现象。失润也是衡量试样可焊性的一个指 标°（3）焊球法此方法也属于润湿平衡法。采用一个小的焊片或焊料球，将其置于一个微小的加热平台上使其熔化形成一 个熔融的小液滴或焊球，把涂有焊剂的试样的管脚或被焊表面接触并深入到熔融的液滴内1/2。保持一段时间直 至试样表面被润湿为止，如图5所示。图6为获得的润湿性测试曲线。图5焊球法测试润湿性9 -=90'图6润湿曲线试样从液面浸入，将会受到向上的浮力（0> 90 °作用，进一步润湿（0< 90 °，试样周围形成双曲线凹面。相 对于润湿的 速度而言，评价方法就是：测定试样与液面接触开始到