钎焊及焊接机理

1、一一 焊料焊料 1.1 定义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。1.2 分类根据焊接温度不同，常分为以下两大类：硬钎焊料：焊接温度大于450时所用的焊料，称为“硬钎料”。软钎焊料：焊接温度小于450是所用的焊料，称为“软钎料”。由于该类焊料均属锡基焊料（锡焊料）。在锡基焊料中现分成有铅和无铅两大类。1.3 条件焊料的主要作用就是把被焊物连接起来，对电路来说构成一个通道。常用焊锡具备的条件： 1)熔点低于被焊工件。 2)易于与被焊物连成一体，要具有一定的抗压能力。 3)要有较好的导电性能。 4)要有较快的结晶速度。1.4 锡铅焊料在锡中加入铅可获得的优良性能

2、：降低熔点，便于焊接改善机械特性：抗拉强度和剪切强度对得到提高。降低界面张力：焊料的扩散性，即润湿性，会因表面张力及粘度的下降得到改善，从而增大了流动性。抗氧化：铅是稳定的金属，不易氧化，使焊点抗氧化性能增加。同时，锡中加入铅可以免灰锡的影响。避免产生晶须：随着金属铅的加入，含锡量70以下的各种铅锡焊料，都可以避免锡须的产生。从图中可以看出，在B点合金不呈半液体状态，可以有固体直接变成液体，B点称为共晶点。按共晶点的配比配制的合金称为共晶合金。锡铅合金焊锡的共晶点配比为锡63%铅37%，这种焊锡称为共晶焊锡。熔化温度为183。当锡的含量高于63%，溶化温度升高，强度降低。当锡的含量少于10%时

3、，焊接强度差，接头发脆，焊料润滑能力变差。最理想的是共晶焊锡。在共晶温度下，焊锡固体与液体之间相互转化，也减少了虚焊现象。所以共晶焊锡应用得非常的广泛。B 1.4.1 共晶焊锡铅锡共晶二相图ABCDEFG如表所示，由于锡和铅的密度不同，故焊料的熔化温度、密度、电导率及机械特性等都有所不同。 其中含Sn37Pb组分的焊料，其抗拉强度和抗剪强度均很高，机械性能也好，从电气特性来看，随着锡成分的增加，其导电性能也就更好。 1.4.2 有铅焊锡合金的特性1.4.3 杂质对有铅焊锡的影响锡焊中往往含有少量其它元素，这些元素，会影响焊锡的熔点、导电性，抗拉强度等物理、机械性能。1.4.4 铅产生的不良影响

4、CO2 NOX SOXHCl HF铅是一种多亲和性毒素，主要损害神经系统、造血系统和消化系统。铅毒对水、土壤空气均可产生污染。为了防止铅的进一步污染，国家在电子学生产制造业中实施无铅替代计划。1.5 无铅焊料无铅焊料是相对于有铅焊料而言的，在有铅焊料中，铅是作为一种基体元素存在的，但并不意味着无铅焊料中绝对不含铅，Pb可以作为一种杂质元素存在，只不过要有一个上限。一般规定，Pb的含量CuNiAgAlSnAu可以再循环利用，成本低地球上的储量能满足市场需求。某些元素，如In、Ce等银储量小，只能作为添加成分能加工成工业上所需的棒料，线料及粉料等各种形状Sn-CuSn-AgSnAgCuBiZn高強

5、度高強度強強氧化氧化低融点低融点低成本低成本Sn-Ag-Cu217 Sn-Zn-Bi199 Sn-Ag-Bi (-Cu)215 Sn-BiSn-Cu227Sn-Zn1.5.4 无铅焊料的组合最有可能替代Sn/Pb焊料的元毒合金是Sn为主，添加Ag、Zn、Cu、Sb、Bi、In等金属元素，通过焊料合金化来改善合金性能提高可焊性。.目前常用的无铅焊料主要是以Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Bi为基体，添加适量其它金属元素组成三元合金和多元合金。1.5.5 Sn-Ag系Sn-Ag系与Sn-Pb体系焊锡的很多情况较接近，应用比较多。在Sn-Ag体系中，适当加入一些铜，除了熔点有所降低外，还提高了焊接可靠

6、性，而且添加Cu以后，能够减少所焊材料中铜的溶蚀，因此逐渐成为国际上标准的无铅焊料。特点：作为Sn-Ag系无铅焊锡的最大特征，是耐热疲劳性明显优于Sn-Pb体系焊锡。使用在要求接合部长期可靠性的机器中最合适。作为Sn-Pb体系焊锡替代品使用，Sn-Ag系无铅焊锡的主要问题是熔点偏高，另外与Sn-Pb体系焊锡比成本也较高。 1.5.6 Sn-Zn系Sn-Zn系无铅焊锡的拉伸强度、初期强度、长时间强度变化都比Sn-Pb系焊锡优越，延展性也与Sn-Pb系焊锡具有相同值，另外，Zn的毒性也弱，成本也低。但Sn-Zn系焊锡也存在不足之处：Zn稳定性不好，易氧化；需选用有效助焊剂。1.5.7 Sn-Bi系

7、 Sn-Bi系无铅焊锡的特点是熔点低，对于那些耐热性差的电子元器件焊接有利，另外Sn-Bi系无铅焊锡的保存稳定性也好，可使用与Sn-Pb焊锡大体相同的助焊剂在大气中焊接，润湿性好。Sn-Bi系无铅焊锡的不足之处在于随着Bi的加入量增大，使焊锡变得硬、脆、加工性能大幅度下降，焊接可靠性变坏。因此，必须控制加入量在适当范围内。 熔焊熔焊焊接种类焊接种类 压焊压焊 钎焊钎焊钎焊钎焊压焊压焊熔焊熔焊超声压焊超声压焊金丝球焊金丝球焊激光焊激光焊二二 焊接机理焊接机理2.1 焊接电弧焊、气焊硬钎焊（Brazing）软钎焊(Solering) 钎焊钎焊:是指采用熔是指采用熔点或液相线温度比点或液相线温度比母

8、材低的填充材料，母材低的填充材料，在加热温度低于母在加热温度低于母材熔点的条件下实材熔点的条件下实现金属间冶金结合现金属间冶金结合的技术的技术 软钎焊软钎焊: 是将熔点低于是将熔点低于450的钎料熔化，依靠毛细作用填充焊的钎料熔化，依靠毛细作用填充焊缝，使液态钎料润湿固体母材表面并产生相互溶解和扩散形成缝，使液态钎料润湿固体母材表面并产生相互溶解和扩散形成界面金属间化合物，随着温度的降低，焊缝凝固而实现金属键界面金属间化合物，随着温度的降低，焊缝凝固而实现金属键合的一类技术。合的一类技术。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

9、的结构和强度就决定了电子产品的性能和可靠性。钎焊技术手工烙铁焊接浸焊波峰焊再流焊助焊剂焊料母材润湿、扩散、母材溶蚀、合金层形成除去氧化膜，表面张力，置换反应焊料的氧化，表面张力，粘度构成软钎焊的基本要素是：母材（基底金属）、焊料和助焊剂表面清洁表面清洁焊件加热焊件加热熔锡润湿熔锡润湿扩散结合层扩散结合层冷却后形成焊点冷却后形成焊点2.2 锡焊机理2.2.1 润湿又称浸润，是指熔融焊料在金属表面形成均匀、平滑、连续并附着牢固的焊料层。（粗看来金属表面是光滑的，但是若是在显微镜下观察的话会发现，表面会有很多凹凸不平和划痕等，融化的焊料就是随着这些划痕和凹凸，产生毛细作用，引起漫流润湿的。）它是液体

10、在固体表面漫流的一种物理现象，属于物体固有的性质，它是焊接的首要条件。润湿性的好坏主要是由润湿角来衡量的。润湿角润湿角=焊料和母材之间的界面与焊料表面切线之间的夹角润湿程度主要决定于焊件表面的清洁程度及焊料的表面张力。反润湿 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。 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。毛细管现象毛细管现象焊接过程中熔融焊料能在很短的时间内

11、浸透到接头的窄缝中，这种浸透性是由焊料的润湿性所左右的，通常把液体浸透窄缝的现象称为毛细管现象。DBACDBAC焊料将三种部件材料焊在一起，在确保焊料和足够的热量供给的情况下，熔融焊料就由于毛细管现象驱使沿着 的方向浸透，如果材料间的间隙适宜，则熔融焊料能在瞬间浸透各缝隙，从而达到焊接连接的目的。 表面张力液态钎料对固体母材表面的润湿和填缝与表面张力密切相关。产生原因：受液相和气相相邻分子的引力不同定义 ：表面分子受到的指向液相内部的引力（内聚力）矢量：既有大小，又有方向（指向内部）作用：使液体收缩成球形 由此可见，表面张力是液体表面分子所受到的内聚力，其方向指向液体内部。表面张力促使液体收缩

12、成球形。熔融焊料在金属表面也有表面张力现象。表面张力与润湿力熔融焊料在金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。表面张力在焊接中的应用 再流焊当焊膏达到熔融温度时，在平衡的表面张力的作用下，会产生自定位效应（self alignment）。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。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。SMDSMD波峰焊时表面张力造成阴影效应波峰焊时表面张力造成阴影效应 2.2.2 扩散 （扩散是一种物质传输的过程，方向是由

13、高浓度向低浓度进行，平衡条件是浓度梯度为零）伴随着熔融焊料在被焊面上扩散的润湿现象还出现焊料向固体金属内部扩散的现象。 四种扩散形式：表面扩散；晶内扩散；晶界扩散；选择扩散扩散条件： (a)相互距离（金属表面清洁，无氧化层和其它杂质， 两块金属原子间才会发生引力） (b)温度（在一定温度下金属分子才具有动能） 表面扩散表面扩散 是液态钎料原子沿着母材表是液态钎料原子沿着母材表面进行的扩散。其原因是由于两金属界面进行的扩散。其原因是由于两金属界面处原子之间的引力引起的。面处原子之间的引力引起的。图图2.17 表面扩散模型图表面扩散模型图 晶内扩散晶内扩散 是液态钎料原子扩散到母是液态钎料原子扩散

14、到母材表面后，继续扩散到晶粒中去的过程。材表面后，继续扩散到晶粒中去的过程。它沿着不同的方向其扩散程度不同。通它沿着不同的方向其扩散程度不同。通过晶内扩散在母材内部生成新的合金。过晶内扩散在母材内部生成新的合金。 2.18 晶内扩散模型图晶内扩散模型图 晶界扩散晶界扩散 是液态钎料原子扩散到母材表是液态钎料原子扩散到母材表面后，继续沿母材晶界向内部扩散。实际上，面后，继续沿母材晶界向内部扩散。实际上，在高温下将同时发生晶界扩散和晶内扩散。在高温下将同时发生晶界扩散和晶内扩散。 图图2.19 晶界扩散模型图晶界扩散模型图 选择扩散选择扩散 钎料中某一种元素先扩散，或钎料中某一种元素先扩散，或只有

15、某一种元素扩散，其它元素不扩散，这只有某一种元素扩散，其它元素不扩散，这种扩散称为选择扩散。如用种扩散称为选择扩散。如用Sn-Pb合金时，合金时，Sn向母材扩散，而向母材扩散，而Pb不扩散。不扩散。图图2.20 选择扩散模型图选择扩散模型图Pb表面扩散表面扩散晶内扩散晶内扩散晶界扩散晶界扩散选择扩散选择扩散晶粒晶粒 例如，用锡铅焊料焊接铜件，焊接过程中既有表面扩散，又有晶界扩散和晶内扩散。锡铅焊料中的铅只参与表面扩散，而锡和锏原子相互扩散，这是不同金属性质决定的选择扩散。正是由于这种扩散作用，在两者界面形成新的合金，从而使焊料和焊件牢固地结合。金属间结合层Cu3Sn和Cu6Sn5放大放大1,000倍的倍的QFP引脚焊点横截面图引脚焊点横截面图 焊缝的组织：母材区新生合金层区焊料金属区。 其界面合金层的厚度、形状和成分取决于钎料与被焊金属的材质、钎焊温度、时间以及钎剂的性质。以63Sn/37Pb焊料为例，共晶点为183 焊接后（210-230）生成金属间结合层：Cu6Sn5和Cu3Sn（软钎料中主要使用的是锡金合金，Sn能与不同的金属反应生成金属间化