1-焊锡原理解析

1、2第一章焊锡原理在研究焊锡工程所用的材枓之前，我们必须先清楚地了解焊锡的基本原理。否则我们便无法用目视来检验焊锡后锡铅合金与各种零件所形成的焊点是否标准。第一節润湿 WETTING焊锡的定义中可以发现润湿是焊接过程中的主角。所谓焊接即是利用液态的焊锡润湿在基材上而达到接合的效果，这种现象正如水倒在固体表面一样，不同的是焊锡会随着温度的降低而凝固成接点。 当焊锡润湿在基材上时， 理论上两者之间会以金属化学键结合， 而形成一种连续性的接合，但实际状况下，基材会受到空气及周遭环境的侵蚀，而形成一层氧化膜来阻挡焊锡，使其无法达到较好的润湿效果。其现象正如水倒在涂满油脂的盘上，水只能聚集在部份的地方，而

2、无法全面均匀的分布在盘子上。如果我们未能将基材表面的氧化膜去除，即使勉强沾上焊锡，其结合力量还是非常的弱。1.1.焊接与胶合的不同焊接与胶合的不同当两种材料用胶黏合在一起，其表面的相互黏着是因为胶给它们之间的机械键所致。因为胶不容易在两者之间固定，所以光亮的表面无法像粗糙或蚀刻的表面黏着性那么好。胶合是一种表面现象，当胶是潮湿状态时，它可以从原来的表面被擦掉。焊接是焊锡和金属之间形成一金属化学键，焊锡的分子穿入基材表层金属的分子结构，而形成一坚固、完全金属的结构。当焊锡熔解时，也不可能完全从金属表面上把它擦掉，因为它己变成基层金属的一部份。2.2.润湿和无润湿润湿和无润湿 WettingWet

3、ting& &Non-wettingNon-wetting块涂有油脂的金属薄板浸到水中，没有润湿现象，此时水会成球状的水滴，一摇即掉，因此，水并未润湿或黏在金属薄板上。如将此金属薄板放入热清洁溶剂中加以清洗，并小心地干燥，再把它浸入水中，此时水将完全地扩散到金属薄板的表面而形成一薄且均匀的膜层，怎么摇也不会掉，即它己经润湿了此金属薄板。3.3.清洁清洁当金属薄板非常干净时，水便会润湿金属表面，因此，当焊锡表面和金属表面也很干净时，焊锡一样会润湿金属表面，其对清洁程度的要求远比水于金属薄板上还要高很多，因为焊锡和金属之间必须是紧密的连接，否则在它们之间会立刻形成一很薄的氧化层。不幸的是，几乎所有

4、的金属在曝露于空气中时，都会立刻氧化，此极薄的氧化层将妨碍金属表面上焊锡的润湿作用。在第三章我将讨论助焊剂有克服此问题的功能。注一：焊锡：是指 60/40/或 63/37的锡铅合金。注二：WETTING:其中文意思是润湿或润焊 。注三：基材：泛指被焊金属，如 PCB 或零件脚34.4. 毛细管作用毛细管作用如将两片干净的金属表面合在一起后，浸入熔化的焊锡中，焊锡将润湿此两片金属表面并向上爬升，以填满相近表面之间的间隙，此为毛细管作用。假如金属表面不干净的话，便没有润湿及毛细管作用的力量将锡贯满此孔，并在印刷线路板上面形成所谓的焊锡带并不完全是锡波的压力将焊锡推进此孔。5.5. 表面张力表面张力

5、我们都看过昆虫在池塘的表面行走而不润湿它的脚，那是因为有一看不到的薄层或力量支持着它，这便是水的表面张力。同样的力量使水在涂有油脂的金属薄板上维持水滴状，用溶剂加以清洗会减少表面张力，水便会润湿和形成一薄层。在第三章，我们将会知道助焊剂在金属表面上的作用就像溶剂对涂有油脂的金属薄板一样。溶剂去除油脂， 让水润湿金属表面和减少表面张力。 助焊剂将去除金属和焊锡间的氧化物， 好让焊锡润湿金属表面。在焊锡中的污染物会增加表面张力，因此必须小心地管制。焊锡温度也会影响表面张力，即温度煎高，表面张力煎小。我们用图来表示焊锡润湿和无润湿的情形，将更容易了解。图 1-1a.熔锡中无助焊剂，形成一大润湿角度的

6、球状。b.熔锡中有助焊剂，焊锡润湿铜表面而形成一小润湿角度。图 1-1-a.表示小球状的熔锡在加热的铜板上，它一直维持小球状，那是因为氧化层己经增加了其表面张力。图 1-1-b.表示在锡球和铜板之间加入助焊剂，助焊剂己经去除焊锡和铜板之间的氧化物，焊锡己经润湿基层金属而形成一薄层。焊锡表面和铜板之间的角度，称为润湿角度(wettingangle)，它是所有焊点检验的基础。图 1-2 单面基板和电镀贯穿孔基板上的焊点基板4图 1-2 表示一些典型的完美焊点的断面图，焊锡己经润湿零件脚和印刷线路板上的焊垫。两种基板的润湿角度都很小，焊锡都己外流而形成羽毛状边缘。6.6.润湿的热动力平衡润湿的热动力

7、平衡焊接工程不可或缺的材料是焊锡、助焊剂和基层金属。我们假设基层金属的表面是完全清洁、无氧化物。当一滴焊锡滴在基层金属上，助焊剂在焊锡的四周时，简称焊锡为 L:LIQUIDb. 助锡剂为 F:FLUX(或 V:VAPOR)c. 基层金属为 S:SOLIDBASEMETAL 当焊锡润湿在基层金属上，静止下来时，图 1-3 热平衡的润湿图依上图，得知 PSF=PLS+PLFCOSePSF是液体在固体上扩散的力量。当焊锡滴在固体表面呈圆球状时，PSFPLS+PFCOSe,此时开始扩散，e 角度逐渐变小，P,Fcose 值变大，直到力量平衡为止。e90，如果整个系统力量达到平衡时 e90，则表示 PS

8、F的值小，亦即其液体的扩散力差。以 e 角度来说：e90e=18090vev180a.亦即是力平衡的状态。2.3.1.时称为退润湿(dewet)。时称为未润湿(nonwet)。时为润湿不良(poorlywettedsurface)。900M，我们称为边际润湿(marginalwetting)。通常的 M75，这种润湿也是不能接受的程度。OvM，此称为良好润湿(goodwetting)，在品质要求高的产品，M 值的要求可低于 75 度。5图 1-4 润湿程度和二面角度的关系。第二節焊点我们己经理论地讨论在干净的金属表面上加焊锡时会产生润湿现象。现在，我们必须了解实际上所发生的情形，它比水在金属薄

9、板上的润湿例子还要复杂很多，我们将解释形成焊点所包含的东西。1.1.金属间的形成金属间的形成如果两个铜板如图 1-5-a 用焊锡焊接在一起,将他们之间的一小部份取出并放大 200 倍(如图 1-5-b)在中间的是焊锡，两边是基层铜板。但是，在铜和焊锡之间的材料在焊接之前并不存在，那是焊锡中锡和铜的表面层形成新的化合物，它是铜/锡化合物(CuSn,CuSn),也称为金属间化合物(intermetalliccompound)。当焊锡润湿365铜板时才会形成金属间化合物，同时它也是润湿己发生的表示。铜焊锡铜金属间化合物图 1-5 金属化合物的形成图 l-4-a 是完全未润湿,0=180图 1-4-b

10、 是完全润湿，0=0图 1-4-c 是部份润湿，0V0V180由上述说明 0 角度越小表示润湿越好。TOTALNONWETTING(ff=180)8鋁錫*（合金區（金屬聞新的化合物）基層金屬图 1-13 焊锡和基层金属相互熔解形成金属化合物的阶段十*一*一LA女一 1*-表面*鋅錫图 1-15 失去光泽的焊锡表面略图（同图 1-9）图 1-14 在空气中焊锡格子的略图（如同图 1-8,空氣鋅錫氧化鋅錫*空弟00OO92 2 焊点龟裂焊点龟裂金属间化合物比焊锡或铜还要硬，而且也比较脆。如果此金属间化合物太厚的话，当焊点受到热或机械性的应力下，便会产生焊点龟裂如图 1-16 所示。图 1-16 因

11、厚金属间化合物的形成而突然发生龟裂3 3 单面和电镀贯穿印刷线路板单面和电镀贯穿印刷线路板图 1-2 所示是完美焊点的横断面图，焊锡己因毛细管作用吸食而上，填满电镀贯穿孔，并流到零件面的焊垫上。其润湿角度很小，且有羽毛状的边缘。如果没有上面所说的情形，则此焊点便是不良的。4 4 热热在被焊金属表面的温度未上升到比焊锡的熔点高之前，是无法得到满意的焊点，此热便由预热器和焊锡炉的锡波而来。锡波仅和基板底部接触的时间内加热焊点，所以预热、锡温、过锡时间都会影响焊锡的品质。图 1-17-a/b/c/表示焊锡的流动是随热的流动而通过贯穿孔。图 1-17 焊锡随热的流动而通过贯穿孔/?3/焊镭液厚金屬化合

12、掬(b)当孔加热时，焊锡上吸焊錯波(c)整个孔达到焊接温度时焊锡流出并润湿上部焊锡带10图 1T8 是因贯穿孔的电镀有裂缝导致热流动的停止，零件面的焊垫便没有润湿，也就没有焊锡带的形成。图 1-18 贯穿孔的铜裂致使热流动无法达到顶部，故无焊锡带5.5.焊点表面清洁度和腐蚀焊点表面清洁度和腐蚀焊锡表面同样也有未饱和键，与空气接触后，形成氧化层，通常焊锡中的铅会很快的生成氧化铅，氧化铅会形成一层薄膜保护焊锡不再受氧化，但如果助焊剂有大量的氯离子残余在表面，其结果则完全不同。PbCO+2HCIPbCI32J白色粉状腐蚀物由上项反应可看出 HC1 不断 PbO 反应，生成 PbCI2再与腐蚀行为会一

13、直持续不停止。又释放出 HC1。如 HC1 不断循环使用，毫无消耗，因此腐蚀行为会一直持续不停止。腐蚀会减少导体导电、损坏接点强度、漏电，而空气中的水气更会加速再次腐蚀及漏电。般来说，助焊剂残余物是腐蚀的最大原因，而事实上还有许多其它原因会造成污染腐蚀。1.基板制作中使用的溶液：如电镀及蚀刻溶液残余在基板上。2人的汗水：人体的汗水中所含氯离子，其所具有的腐蚀性，可能较其它因素为高。3环境污染：在工业区空气中常含有硫会腐蚀银表面。4.输送系统的污染：输送系统常会有润滑油等污染物。PbO+2HCIfPbj+H2O+CO25包装材料的污染:此类污染较易避免。“J811第一章认识锡铅合金第一節焊铅合金

14、相变图 Tin-LeadAlloyPhaseDiagram(焊锡相变图)WLrQl?IDRANGE)XxIjISO4ftfij70Sfl90l.unf 和上图是锡铅合金的成份、温度改变及相的变化，C 点称为共晶点亦为 Sn63/Pb37 锡铅合金之共融点。两种以上金属在液体状况下混合时会有(1)固熔体的产生金属化合物的产生(3)维持原来的成份，锡铅合金自 Sn19.5%起到 97.5%， 有一条不变的固相线即 BCE 线(183.3C)。 ABC 及 CDE 皆为半熔融状态区，而 ACD 曲线则表示液相线。固相线与液相线会合在共晶点 Co 换言之，当锡铅含量为锡 63%、铅 37%时，可自液体

15、状直接变为固体状或自固体状直接转变液体状，而不经半熔融状。其它成份之锡铅合金，则均在 183.3C 至 ACD 液相线中间形成半熔融状。液相线熔点(183.3C),并非适当的焊锡温度，通常适用的温度约高于液相线温度 55C80Co 共晶点焊锡：共晶点焊锡：电子工业希望于最低温度下完成焊锡工作，那就得利用熔点最低之锡铅合金。63/37 或 60/40 之共晶点焊锡可符合此项要求，其理由有以下二点：(1) 因其不经过半熔融状态而迅速的固化或液化，因此可以最快速度完成焊锡工作。(2) 能在较低温度下开始焊接作用，乃锡铅合金中焊接性能最佳之一种。(3) 熔液之潜钻力强，可扎根般地渗透进金属表面之极微细

16、隙。183.3-半垢鞭批PASTY创旳占馄朋1相紳Snlidnsj罰冋乐Sn97.5戒相，课“JQU11HJ別12第三章认识助焊剂第一節助焊剂的四大功能助焊剂（FLUX）这个字来自拉丁文是流动（FlowinSoldering）的意思，但在此它的作用不只是帮助流动，还有其它功能，助焊剂的主要功能为：（）清除焊接金属表面的氧化膜。（二）在焊接物表面形成一液态的保护膜隔绝高温时四周的空气，防止金属表面的再氧化。（三）降低焊锡的表面张力，增加其扩散能力。（四）焊接的瞬间，可以让熔融状的焊锡取代，顺利完成焊接。第二節助焊剂的化学特性1 1 化学活性化学活性 ChemicalActivityChemica

17、lActivity要达到一个好的焊点，被焊物必须要有一个完全无氧化层的表面，但金属一旦曝露于空气中会生成氧化层，这种氧化层无法用传统溶剂清洗，此时必须依赖助焊剂与氧化层起化学作用，当助焊剂清除氧化层之后，干净的被焊物表面，才可与焊锡接合。助焊剂与氧化物的化学反应有几种：（一）是相互起化学作用形成第三种物质。（二）氧化物直接被助焊剂剥离。（三）上述二种反应并存。松香助焊剂去除氧化层，即第一种反应，松香主要成份为松香酸（Abieticacid）和异构双帖酸（Isomericditerpeneacids）,当助焊剂加热后与氧化铜反应，形成铜松香（Copperabiet）呈绿色透明状物质，易溶入未反应

18、的松香内与松香一起被清除，即使有残留，也不会腐蚀金属表面。氧化物曝露在氢气中的反应，即是典型的第二种反应，在高温下氢与氧反应成水，减少氧化物，这种方法常用在半导体零件的焊接上。几乎所有的有机酸或无机酸都有能力去除氧化物，但大部份都不能用来焊锡，助焊剂之被使用除了去除氧化物的功能外，还有其它功能，这些功能是焊锡作业时，必须考虑的。2 2 热稳定性热稳定性 ThermalThermal当助焊剂在去除氧化物反应的同时，必须还要形成一个保护膜，防止被焊物表面再度氧化,直到接触焊锡为止。所以助焊剂必须能承受高温，在焊锡作业的温度下不会分解或蒸发，如果分解（Decomposion）则会形成溶剂不溶物，难以

19、用溶剂清洗，W/W 级的纯松香在 280C 左右会分解，此应特别注意。StabilityStability氧化铜氧化铜松香松香铜松香铜松香133 3 助焊剂在不同温度下的活性助焊剂在不同温度下的活性Activation&DeactivationTemperatures好的助焊剂不只是要求热稳定性，在不同温度下的活性亦应考虑。助焊剂的功能即是去除氧化物，通常在某一温度下效果较佳，例如 RA 的助焊剂，除非温度达到某一程度，氯离子不会解析出来清理氧化物，当然此温度必须在焊锡作业的温度范围内。另一个例子，如使用氢气做为助焊剂，如温度是一定的，反应时间则依氧化物的厚度而定。当温度过高时，亦可能降低其活

20、性，如松香在超过 600T(315C)时，几乎无任何反应，如果无法避免高温时，可将预热时间延长，使其充分发挥活性后再进入锡炉。也可以利用此特性，将助焊剂活性钝化以防止腐蚀现象，但在应用上要特别注意受热时间与温度，以确保活性钝化。4 4 润湿能力润湿能力 WettingpowerWettingpower为了能清理基材表面的氧化层，助焊剂要能对基层金属有很好的润湿能力，同时亦应对焊锡有很好的润湿能力以取代空气降低焊锡表面张力，增加其扩散性。5 5 扩散率扩散率助焊剂在焊接过程中应有帮助焊锡扩散的能力，扩散与润湿都是帮助焊点的角度改善，通常扩散率(SpreadfactO 可用来作助焊剂强弱的指针。第

21、三節助焊剂的运作在图 3-1-a个锡球放置在一铜板上的松香助焊剂表层上，此铜板是放在一热板上，且电源是开的。当热板的热上升，焊锡会熔解和流动，如图 3-1-b/c/d,让我们来看，它是如何发生。当助焊剂加热后，它变为活性化，然后开始去除铜板上的氧化物，和预防任何氧化物的再形成。焊锡马上润湿铜板和开始流动，如图 3-1-b。它在此重力之下继续向外流动，如图 3-1-c。直到表面张力和润湿力平衡时为止，如图 3-1-d,具有小的润湿角度和薄羽毛状边缘。图 3-1 焊锡熔解于有助焊剂的铜板15第四节助焊剂的分类第四节助焊剂的分类传统助焊剂分类表 3-3助焊剂类型助焊剂基底助焊剂催化助焊剂型式1树脂1

22、松香1没加催化剂2卤素活化3.无卤素活化2无松香1没加催化剂2卤素活化3.无卤素活化2有机的1水溶解1没加催化剂2卤素活化3.无卤素活化A.液状B.固状C.膏状2.无水溶解1没加催化剂2卤素活化3.无卤素活化3.无机的1盐1有氨盐基氯化物2没有氨盐基氯化物2酸1磷酸2.其它的酸助焊剂特征分类的新趋向对电子电路而言，根据 R,RMAR,RMA,RARA 和 RSARSA 分类的焊锡助焊剂的旧略图已经不足够了。已知这个事实，IPC 会议和参与委员会委任它的焊接小组更新对 SolderingElectronicInterconnections(IPC-S-8 一般要求的文件。 经过漫长的讨论之后，

23、委员会产生有关助焊剂和助焊剂残余的化学活性的助焊剂基底的改革分类。未来，助焊剂将根据表 3-4 的分类列出。L-低或没有助焊剂或助焊剂残余活性M-中等助焊剂或助焊剂残余活性H-高助焊剂或助焊剂残余活性测试习惯根据以下的分类表去做助焊剂分类。IPC-S815A 文件也细分电子装配为以下三类：分类一：消费者产品包括电视，玩具，娱乐用的电子产品和非严格审查的消费者产品和工业用的控制零件。分类二：一般工业产品包括计算机，电视传讯设备，复杂的业务机器，仪器和必然的非严格审杳的军事应用产品。分类二：高可靠性产品包括仪器的持续执行能力被严格审查，仪器不允许有停机时间或是维持生命的仪器。16表 3-4助焊剂和

24、助焊剂残余的描述类型助焊剂和助焊剂残余的级别）测试要求测试要求L铜镜没有铜移除或铜镜部份移除的迹象显示在白色背景上的固定面积银铬酸盐或卤化物通过银铬酸盐测试或=0.5percen 卤化物腐蚀不会有腐蚀。如果有绿/蓝色线条出现在助焊剂金属接，腐蚀面积会被测试-依照 4.5.5.银铬酸盐测试）并且一定要通过这些测试要求M铜镜在有助焊剂的整个面积上铜镜的部分或全部移除卤化物2.0percen 卤化物腐蚀大部份腐蚀的迹象*铜的污点或减少铜溥膜的厚度是不会影响到助焊剂的归类。*未能通过银铬酸盐测试中的卤化物测试的要求。这是为了考虑到 L 类型的要求。L0 类型助焊剂：全部 R,部份 RMA,和部份低固态免水洗助焊剂。L1 类型助焊剂：大部份 RMA,和部份 RA 助焊剂。M0 类型助焊