SM无铅焊接深圳研讨会资料锡焊机理与焊点可

锡焊机理与焊点可靠性分析顾霭云一.概述二.锡焊机理三.焊点可靠性分析四.关于无铅焊接机理五.锡基焊料特性内容一.概述

熔焊焊接种类压焊钎焊钎焊压焊熔焊超声压焊金丝球焊激光焊电子装配的核心——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。焊接方法（钎焊技术）手工烙铁焊接浸焊波峰焊再流焊软钎焊焊接学中，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。

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）

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。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。二.锡焊机理锡焊过程——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表面清洁焊件加热熔锡润湿扩散结合层冷却后形成焊点物理学——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、电极电位冶金学——合金、合金层、金相、老化现象电学——电阻、热电动势材料力学——强度（拉力、剥离疲劳）、应力集中焊接接过过程程中中焊焊接接金金属属表表面面（（母母材材，，以Cu为为例例）、、助助焊焊剂剂、、熔熔融融焊焊料料之之间间相相互互作作用用1.助助焊焊剂剂与与母母材材的的反反应应（1））松松香香去去除除氧氧化化膜膜————松松香香的的主主要要成成分分是是松松香香酸酸，，融融点点为为74℃℃。。170℃℃呈呈活活性性反反应应，，300℃℃以以上上无无活活性性。。松松香香酸酸和和Cu2O反应应生成成松香香酸铜铜。松松香酸酸在常常温下下和300℃以以上不不能和和Cu2O起反反应。。（2））溶融融盐去去除氧氧化膜膜———一般般采用用氯离离子Cl-或氟离离子F-，使氧氧化膜膜生成成氯化化物或或氟化化物。。（3））母材材被溶溶蚀———活活性强强的助助焊剂剂容易易溶蚀蚀母材材。（4）助焊焊剂中的金金属盐与母母材进行置置换反应。。2.助焊焊剂与焊料料的反应（1）助焊剂中活活性剂在加加热时能释释放出的HCl，与与SnO起起还原反应应。（2）活性剂的活活化反应产产生激活能能，减小界界面张力，，提高浸润润性。（3）焊料料氧化，产产生锡渣。。3.焊料与与母材的反反应润湿、扩散散、溶解、、冶金结合，，形成结合层。锡焊机理（1）润湿湿（2）扩散（3）溶解（4）冶金金结合，形形成结合层润湿角θ焊点的最佳佳润湿角Cu----Pb/Sn15~45°当θ=0°时，完全全润湿；当θ=180°时，完全全不润湿；θ=焊料和母材材之间的界界面与焊料表面面切线之间间的夹角分子运动（1）润湿湿液体在固体体表面漫流流的物理现现象润湿是物质质固有的性性质润湿是焊接接的首要条条件润湿力（Wa）θBSVCSLALV当固、液、、气三相达达到平衡时时：BSV=CSL+ALVCOSθBSV：固体与气气体之间的的界面张力力可以将BSV看作是液体体在固体表表面漫流的的力（润湿力：Wa）CSL：固体与液液体之间的的界面张力力ALV：液体与气气体之间的的界面张力力BSV与CSL的作用力都都沿固体表表面，但方方向相反。。设润湿力为为Wa，其近似值：：将BSV代入式中S：固体L：液体V：气体θ：润湿角L液体S固体Wa≈BSV+ALV-CSLWa=CSL+ALVCOSθ+ALV-CSLWa=ALV（1+COSθ）——润湿力力关系式V气体从润湿力关关式可以看看出：润湿湿角θ越小，润润湿力越大大分子运动润湿条件（a）液态态焊料与母母材之间有有良好的亲亲和力，能能互相溶解解。互溶程度取取决于：原原子半径和和晶体类型型。因此润润湿是物质质固有的性性质。（b）液态态焊料与母母材表面清清洁，无氧氧化层和其其它污染物物。清洁的表面面使焊料与与母材原子子紧密接近近，产生引引力，称为为润湿力。。当焊料与被被焊金属之之间有氧化化层和其它它污染物时时，妨碍金金属原子自自由接近，，不能产生生润湿作用用。这是形形成虚焊的的原因之一一。分子运动表面张力表面张力———在不同同相共同存存在的体系系中，由于于相界面分分子与体相相内分子之之间作用力力不同，导导致相界面面总是趋于于最小的现现象。由于液体内内部分子受受到四周分分子的作用用力是对称称的，作用用彼此抵消消，合力=0。但是是液体表面面分子受到到液体内分分子的引力力大于大气气分子对它它的引力，，因此液体体表面都有有自动缩成成最小的趋趋势。熔融焊料在在金属表面面也有表面面张力现象象。大气大气液体内部分分子受力合合力=0液体表面分分子受液体体内分子的的引力＞大大气分子引引力分子运动表面张力与与润湿力熔融焊料在在金属表面面润湿的程程度除了与与液态焊料料与母材表表面清洁程程度有关，，还与液态态焊料的表表面张力有有关。表面张力与与润湿力的的方向相反反，不利于于润湿。表面张力是是物质的本本性，不能能消除，但但可以改变变。分子运动表面张力在在焊接中的的作用再流焊———当焊膏达达到熔融温温度时，在在平衡的表面张力力的作用下下，会产生生自定位效效应（selfalignment）。表面面张力使再再流焊工艺艺对贴装精精度要求比比较宽松，，比较容易易实现高度度自动化与与高速度。。同时也正正因为“再再流动”及及“自定位位效应”的的特点，再再流焊工艺艺对焊盘设设计、元器器件标准化化有更严格格的要求。。如果表面面张力不平衡，焊接后会会出现元件件位置偏移移、吊桥、、桥接、等等焊接缺陷陷。波峰焊———波峰焊时时，由于表表面张力与与润湿力的的方向相反反，因此表表面张力是是不利于润润湿的因素素之一。SMD波峰峰焊时表面面张力造成成阴影效应应•熔融合金的粘度度与表面张张力是焊料料的重要性性能。•优良的焊料料熔融时应应具有低的的粘度和表表面张力，，以增加焊焊料的流动动性及被焊焊金属之间间的润湿性性。•锡铅合金的的粘度和表表面张力与与合金的成成分密切相相关。配比（W%）表面张力(N/cm)粘度（mPa•s)SnPb20804.67×10-32.7230704.7×10-32.4550504.76×10-32.1963374.9×10-31.9780205.14×10-31.92锡铅合金配配比与表面面张力及粘粘度的关系系（280℃测试））粘度与表面面张力分子运动焊接中降低低表面张力力和黏度的的措施①提高温度度——升温温可以降低低黏度和表表面张力的的作用。升高温度可可以增加熔熔融焊料内内的分子距距离，减小小焊料内分分子对表面面分子的引引力。②适当的金金属合金比比例——Sn的表面面张力很大大，增加Pb可以降降低表面张张力。63Sn/37Pb表表面张力明明显减小。。η表表mn/m粘面面度张张540力520500T（℃）4801020304050Pb含含量%温度对黏度度的影响250℃℃时Pb含含量与表面面张力的关关系③增加活活性剂———能有有效地降降低焊料料的表面面张力，，还可以以去掉焊焊料的表表面氧化化层。④改善焊焊接环境境——采采用氮气气保护焊焊接可以以减少高高温氧化化。提高高润湿性性毛细管现现象毛细管现现象是液液体在狭狭窄间隙隙中流动动时表现现出来的的特性。。将两块平平行的金金属板或或细管插插入液体体中，金金属板内内侧与外外侧的液液面高度度将有所所不同，，如果液液体能够够润湿金金属板，，则内侧侧的液面面将高于于外侧的的液面，，反之，，金属板板内侧的的液面将将低于外外侧的液液面。液体能够够润湿金金属板液体不能能润湿金金属板在熔融焊焊料中也也存在毛毛细管现现象毛细管现现象在焊接中中的作用用在软钎焊焊过程中中，要获获得优质质的钎焊焊接头，，需要液液态钎料料能够充充分流入入到两个个焊件的的缝隙中中。例如通孔元件件在波峰峰焊、手手工焊时时，当当间间隙隙适适当当时时，，毛毛细细作作用用能能够够促促进进元元件件孔孔的的““透透锡锡””。。又例例如如再流流焊焊时时，毛毛细细作作用用能能够够促促进进元元件件焊焊端端底底面面与与PCB焊焊盘盘表表面面之之间间液液态态焊焊料料的的流流动动。。毛细细作作用用——液液体体在在毛毛细细管管中中上上升升高高度度的的表表达达式式式中中：：H——毛细细管管中中液液柱柱的的高高度度σ——液液体体（（焊焊料料））的的表表面面张张力力ρ——液液体体（（焊焊料料））的的密密度度g——重重力力加加速速度度R——毛毛细细管管半半径径2σσH=————ρgR从式式中中看看出出液体体在在毛毛细细管管中中上上升升高高度度：与表表面面张张力力成成正正比比；；与液体的密度度、比重成反反比；与毛细管直径径有关。金属原子以结结晶排列，原原子间作用力力平衡，保持持晶格的形状状和稳定。当金属与金属属接触时，界界面上晶格紊紊乱导致部分分原子从一个个晶格点阵移移动到另一个个晶格点阵。。扩散条件：相相互距离（金属表面清清洁，无氧化化层和其它杂杂质，两块金属原子子间才会发生生引力）温度（在一定温度度下金属分子子才具有动能能）（2）扩散四种扩散形式式：表面扩散；晶晶内扩散；晶晶界扩散；选选择扩散。PbSn表面扩散向晶粒内扩散散分割晶粒扩散散选择扩散表面扩散、晶晶内扩散、晶晶界扩散、选选择扩散示意意图Cu表面熔融Sn/Pb焊料侧晶粒（3）溶解母材表面的Cu分分子被熔融的的液态焊料溶解或溶蚀。金属间结合层层Cu3Sn和Cu6Sn5金属间结合层层Cu3Sn和和Cu6Sn5放大1,000倍的QFP引脚焊点点横截面图以63Sn/37Pb焊焊料为例，共晶点为183℃焊接后（210-230℃）生成金属间结结合层：Cu6Sn5和Cu3Sn（4）冶金结合，形成结合层（金属间扩散、、溶解的结果果）最后冷却凝固固形成焊点三.焊点可可靠性分析影响焊点强度度的主要因素素：（1）金属间间合金层（金金属间结合层层）质量与厚厚度（2）焊接材材料的质量（3）焊料量量（4）PCB设计当温度达到210-230℃时，Sn向Cu表面扩散，，而Pb不扩扩散。初期生生成的Sn-Cu合金为为：Cu6Sn5（η相）。其中Cu的的重量百分分比含量约为为40%。随着温度升高高和时间延长长，Cu原原子渗透（（溶解）到Cu6Sn5中，局部部结构转变为为Cu3Sn（ε相）），Cu含含量由40%增加到66%。当温度度继续升高和和时间进一步步延长，Sn/Pb焊焊料中的Sn不断向Cu表面扩散，，在焊料一侧侧只留下Pb，形成富Pb层。Cu6Sn5和富Pb层之间的的界面面结合力非常常脆弱，当受受到温度、振振动等冲击，，就会在焊接接界面处发生生裂纹。以63Sn/37Pb焊焊料与Cu表表面焊接为例例（1）金属属间合金层层（金属间间结合层））质量与厚厚度焊缝(结合合层)结构构示意图Pb熔融Sn/Pb焊料料侧Cu焊端表表面CuSnCu6Sn5Cu3Sn富Pb层焊料直接与与Cu生成成的合金层层红色的箭指指示的是Cu3Sn层Cu6Sn5与Cu3Sn两种金金属间结合合层比较名称分子式形成位置颜色结晶性质η相Cu6Sn5焊料润湿到Cu时立即生成Sn与Cu之间的界面白色球状珊贝状良性，强度高ε相Cu3Sn温度高、焊接时间长引起Cu与Cu6Sn5之间灰色骨针状恶性，强度差，脆性CuCu3SnCu6Sn5富Pb层Sn/Pb拉伸力（千lbl/in2）*＞4μm时，由由于金属属间合金金层太厚厚，使连连接处失失去弹性性，由于于金属间间结合层层的结构构疏松、、发脆，，也会使使强度小小。*厚度为0.5μμm时抗抗拉强度度最佳；；*0.5~4μm时的抗抗拉强度度可接受受；*＜0.5μm时时，由于于金属间间合金层太太薄，几几乎没有有强度；；金属间合合金层厚厚度（μμm）金属间合合金层厚厚度与抗抗拉强度度的关系系金属间合合金层厚厚度与抗抗拉强度度的关系系金属间结结合层的的质量与与厚度与与以下因因素有关关：(a)焊焊料的合合金成份份和氧化化程度（要求焊焊膏的合合金组分分尽量达达到共晶晶或近共共晶；含氧量应应小于0.5%，最好好控制在在80ppm以以下）(b)助助焊剂剂质量（（净化表表面，提提高浸润润性）(c)被被焊焊接接金金属属表表面面的的氧氧化化程程度度（（只只有有在在净净化化表表面面，，才才能能发发生生化化学学扩扩散散反反应应））(d)焊焊接接温温度度和和焊焊接接时时间间焊点点和和元元件件受受热热的的热热量量随随温温度度和和时时间间的的增增加加而而增增加加。。金属属间间结结合合层层的的厚厚度度与与焊焊接接温温度度和和时时间间成成正正比比。。例如如183℃℃以以上上，，但但没没有有达达到到210~230℃℃时时在在Cu和和Sn之之间间的的扩扩散散、、溶溶解解，，不不能能生生成成足足够够的的金金属属间间结结合合层层。。只只有有在在220℃℃维维持持2秒秒钟钟的的条条件件下下才才能能生生成成良良性性的的结结合合层层。。但但焊焊接接温温度度更更高高时时，，扩扩散散反反应应率率就就加加速速，，就就会会生生成成过过多多的的恶恶性性金金属属间间结结合合层层。。焊焊点点变变得得脆脆性性而而多多孔孔。。焊接接热热量量是是温温度度和和时时间间的的函函数数运用用焊焊接接理理论论正正确确设设置置温温度度曲曲线线才能能获获得得最最好好焊焊点点质质量量。。Sn-Pb系系焊焊料料金金相相图图①A-B-C线线————液液相相线线②A-D、、C-E线线————固固相相线线③D-F、、E-G线线————溶溶解解度度曲曲线线④D-B-E线线————共共晶晶点点⑤L区区————液液体体状状态态⑥L+、、L+区————二二相相混混合合状状态态⑦+区————凝凝固固状状态态（2））焊焊接接材材料料的的质质量量有铅铅、、无无铅铅都都应应选选择择共共晶晶或或近近共共晶晶焊焊料料合合金金最佳佳焊焊接接温温度度线线液态态固态态（3））与与焊焊料料量量有有关关（4））PCB设设计计四.关于于无无铅铅焊焊接接机机理理（1））目目前前应应用用最最多多的的无无铅铅焊焊料料合合金金（2））关关于于Sn-Ag-Cu系系焊焊料料的的最最佳佳成成分分（3））IPC推推荐荐的的无无铅铅焊焊料料（4）无铅焊焊接机理（1）目前应应用最多的无无铅焊料合金金目前应用最多多的用于再流流焊的无铅焊焊料是三元共共晶或近共晶晶形式的Sn-Ag-Cu焊料。Sn(3~4)wt%Ag(0.5~0.7)wt%Cu是可接受的的范围，其熔熔点为217℃左右。美国采用Sn3.9Agwt%0.6wt%Cu无铅合金欧洲采用Sn3.8Agwt%0.7wt%Cu无铅合金日本采用Sn3.0Agwt%0.5wt%Cu无铅合金Sn-0.7Cu-Ni焊料合金用用于波峰焊。。其熔点为227℃。手工电烙铁焊焊大多采用Sn-Cu、、Sn-Ag或Sn-Ag-Cu焊焊料。（2）关于Sn-Ag-Cu系焊料料的最佳成分分Sn-Ag-Cu系焊料料的最佳成分分，日、美、、欧之间存在在一些微小的的差别，日本本的无铅实施施在世界上处处于领先地位位，对无铅焊焊料有很深入入的研究，他他们的研究表表明Sn-Ag-Cu焊焊料中Ag与与Sn在221℃形成共共晶板状的Ag3Sn合合金，，当Ag含含量超超过3.2wt%以以后（（出现现过共共晶成成分））板状状的Ag3Sn合合金会会粗大大化，，粗大大的板板状Ag3Sn较较硬，，拉伸伸强度度降低低，容容易造造成疲疲劳寿寿命降降低，，他们们的结结论是是：““在共共晶点点附近近，成成分不不能向向金属属间化化合物物方向向偏移移”，，因此此选择择使用用低Ag的的Sn3Ag0.5Cu。。Sn-Ag-Cu无无铅焊焊料中中Ag与与Sn在221℃形形成共共晶晶板状的的Ag3Sn合合金板状的的Ag3Sn较较硬，，当Ag含含量超超过3.2wt%以后后（出现现过共共晶成成分））拉伸强强度降降低，，容易易造成成疲劳劳寿命命降低低，因此此推荐使使用低低Ag的Sn3Ag0.5Cu。结论：：“在在共晶晶点附附近，，成分分不能能向金金属间间化合合物方方向偏偏移””（3））IPC推推荐的的无铅铅焊料料：Ag含含量为为3.0wt%的Sn-Ag-Cu焊焊料由于Sn95.8\Ag3.5\Cu0.7无无铅焊焊料美美国已已经有有了专专利权权；另另外由由于Ag含含量为为3.0wt%的焊焊料没没有专专利权权；价价格相相对较较便宜宜；焊焊点质质量较较好。。因此此IPC推推荐采采用Ag含含量为为3.0wt%（重重量百百分比比）的的Sn-Ag-Cu焊料料。合金成分熔点（℃）Sn-37Pb（传统）183Sn-58Bi138Sn-20In-2.8Ag179-189Sn-10Bi-5Zn168-190Sn-8.8Zn198.5Sn-3.5Ag-4.8Bi205-210Sn-7.5Bi-2Ag-0.5Cu213-218Sn95.8\Ag3.5\Cu0.7217-218Sn-3.5Ag-1.5In218Sn96.5\Ag3.0\Cu0.5216-220Sn-3.5Ag221Sn-2Ag221-226Sn-0.7Cu-Ni(用于波峰焊)227Sn-5Sb232-240无铅焊焊料合合金的的熔点点Sn63\Pb37与Sn\Ag3.8\Cu0.7性性能比比较合金成分密度g/mm2熔点℃膨胀系数×10-6热传导率Wm-1K-1电导率%IACS电阻系数MΩ-cm表面张力260℃mNm-1Sn63\Pb378.518323.95011.515481Sn\Ag3.8\Cu0.77.521723.573.215.611548继续攻攻克研研究更更理想想的无无铅焊焊料虽然Sn基基无铅合金已已经被被较广广泛的的应用用，但但与Sn63\Pb37共晶晶焊料相相比较较仍然然有以以下问问题：：熔点高高34℃表面张张力大大、润润湿性性差价格高高但IPC认认为：：无铅铅焊料料的种种类不不能很很多，，要单单一标标准化化，否否则对对元件件、对对可靠靠性会会有很很大影影响。。IPC-A-610D就是以以Sn-Ag–Cu焊料做的标标准。（4）无铅铅焊接机理理无铅焊接过过程、原理理与63Sn-37Pb基本本是一样的。。主要区别是由于合金成分和助焊剂成分分改变了，因因此焊接温度、生成的金属间结合合层及其结结合层的结结构、强度度、可靠性性也不同了。。何况有铅焊焊接时Pb是不扩扩散的，Pb在焊焊缝中只起起到填充作作用。另外外，无铅焊焊料中Sn的含量达到到95%以以上。金属间结结合层的主主要成分还还是Cu6Sn5和Cu3Sn。当然也不能能忽视次要元素也会产生一一定的作用用。Sn-Ag-Cu系统统中Sn与次要要元素Ag和Cu之之间的冶金金反应在Sn-Ag-Cu三个个元素之间间有三种可可能的二元元共晶反应应：（a）Ag与Sn在221℃℃形成锡基基质相位的的共晶结构构和ε金属属之间的化化合相位(Ag3Sn)。（b）Cu与Sn在227℃℃形成锡基基质相位的的共晶结构构和η金属属间的化合合相位(Cu6Sn5)。（c）Ag与Cu在779℃℃形成富Agα相相和富Cuα相共共晶合金。。但在Sn-Ag-Cu的三三种合金固固化温度的的测量研究究中没有发发现779℃相位转转变。在温温度动力学学上解释：：更适于Ag或Cu与与Sn反应，生生成Ag3Sn和Cu6Sn5。Sn-Ag-Cu三三元合金相相图液态时的成成分：L→Sn+Cu6Sn5+Ag3Sn在平衡状态态凝固的结结晶是很规规则的形状状（冷却速度度无限慢时时）实际生产条条件下是非平平衡衡状状态态凝凝固固的的结结晶晶Sn-Ag-Cu合金金凝凝固固特特性性导导致致无无铅铅焊焊点点颗颗粒粒状状外外观观粗粗糙糙非平平衡衡状状态态凝凝固固：：Sn先先结结晶晶，，以以枝枝晶晶状状（（树树状状））出出现现，，中中间间夹夹Cu6Sn5和Ag3Sn。。Sn-Ag-Cu焊焊点点金金相相切切片片Sn-Cu合金金二二元元相相图图Sn-Cu的的液液相相线线斜斜率率大大(比比Sn/Pb大大十十几几倍倍)，，液液相相温温度度对对成成分分很很敏敏感感。。因此此少量成分变化化，就会使熔熔点偏移，造成焊接温温度的变化。。熔点随成分变变化而变化波峰焊时随着着Cu不断增增加，熔点也不断提提高。液态固态最佳焊接温度度线Sn-Pb系系焊料金相图图Sn-Cu系焊料料合金金影响焊焊接质质量的的主要要因素素(1)PCB设计计(2)焊焊料的的质量量：合合金成成份及及其氧氧化程程度无论有有铅、、无铅铅都应应选择择共晶晶或近近共晶晶焊料料合金金(3)助助焊剂剂质量量(4)被被焊接接金属属表面面的氧氧化程程度（（元件件焊端端、PCB焊盘盘）(5)工工艺：：印、、贴、、焊（（正确的的温温度曲曲线）(6)设设备(7)管管理五.锡锡基基焊料料特性性a浸入液液态焊焊料中中的固固体金金属会会产生生溶解解，生生产中中将这这种现现象称称之为为浸析析现象象，或或“溶溶蚀””现象象，俗俗称““被吃吃”。。b.影响响浸浸析析的的因因素素————被被焊焊金金属属、、焊焊料料成成分分、、焊焊料料的的温温度度和和流流动动速速度度。。金金、、银银、、铜铜在在焊焊料料中中均均有有较较高高的的溶溶解解速速度度。。温度度上上升升，，溶溶解解速速度度增增加加；；焊焊料料流流动动速速度度增增加加，，溶溶解解速速度度也也增增加加。。c.金、、银在液液态焊料料中也有有很高溶溶解能力力，在焊焊接厚膜膜电路和和银-钯钯合金端端电极的的片式元元件时也也会出现现“浸析析”现象象，使用用含银焊焊料可以以解决上上述问题题。d.在生生产中应应正确调调节焊接接的时间间和温度