锡焊机理与焊点可靠性分析

关于锡焊机理与焊点可靠性分析内容1．锡焊机理与焊点可靠性分析2．SMT关键工序-再流焊工艺控制3．波峰焊工艺4．无铅焊接的特点、工艺控制及过渡阶段应注意的问题5．无铅生产物料管理6．焊点质量评定及IPC-A-610D介绍第2页,共82页，星期六，2024年，5月

锡焊机理与焊点可靠性分析第3页,共82页，星期六，2024年，5月学习、运用焊接理论，提高无铅焊接质量焊接是电子制造工艺中的关键工序。SMT的质量目标是提高直通率。除了要减少肉眼看得见的缺陷外，还要克服虚焊、焊点内部应力大、内部裂纹、界面结合强度差等肉眼看不见的焊点缺陷。学习焊接理论、了解焊接过程，是为了从根本上采取措施，提高电子连接的可靠性。运用焊接理论指导生产实践，掌握正确的工艺方法，提高无铅焊接质量。第4页,共82页，星期六，2024年，5月⑴产生电子信号或功率的流动⑵产生机械连接强度焊缝

焊点要求焊接后在焊料与被焊金属界面生成金属间合金层（焊缝）第5页,共82页，星期六，2024年，5月一.概述二.锡焊机理三.焊点强度和连接可靠性分析四.关于无铅焊接机理五.锡基焊料特性内容第6页,共82页，星期六，2024年，5月一.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第7页,共82页，星期六，2024年，5月电子装配的核心——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。第8页,共82页，星期六，2024年，5月焊接方法（钎焊技术）手工烙铁焊接浸焊波峰焊再流焊第9页,共82页，星期六，2024年，5月软钎焊

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。

第10页,共82页，星期六，2024年，5月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）第11页,共82页，星期六，2024年，5月

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。第12页,共82页，星期六，2024年，5月

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.锡焊机理第13页,共82页，星期六，2024年，5月锡焊过程——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）、应力集中第14页,共82页，星期六，2024年，5月焊接过程中焊接金属表面（母材，以Cu为例）、助焊剂、熔融焊料之间相互作用1.助焊剂与母材的反应（1）松香去除氧化膜——松香的主要成分是松香酸，融点为74℃。170℃呈活性反应，230~250℃转化为不活泼的焦松香酸，300℃以上无活性。松香酸和Cu2O反应生成松香酸铜。松香酸在常温下和300℃以上不能和Cu2O起反应。（2）溶融盐去除氧化膜——一般采用氯离子Cl-或氟离子F-

，使氧化膜生成氯化物或氟化物。（3）母材被溶蚀——活性强的助焊剂容易溶蚀母材。（4）助焊剂中的金属盐与母材进行置换反应。第15页,共82页，星期六，2024年，5月2.助焊剂与焊料的反应（1）助焊剂中活性剂在加热时能释放出的HCl，与SnO起还原反应。（2）活性剂的活化反应产生激活能，减小界面张力，提高浸润性。（3）焊料氧化，产生锡渣。3.焊料与母材的反应润湿、扩散、溶解、冶金结合，形成结合层。第16页,共82页，星期六，2024年，5月锡焊机理（1）润湿（2）扩散（3）溶解（4）冶金结合，形成结合层第17页,共82页，星期六，2024年，5月润湿角θ焊点的最佳润湿角

Cu----Pb/Sn15~45°

当θ=0°时，完全润湿；当θ=180°时，完全不润湿；θ=焊料和母材之间的界面与焊料表面切线之间的夹角分子运动（1）润湿液体在固体表面漫流的物理现象润湿是物质固有的性质润湿是焊接的首要条件第18页,共82页，星期六，2024年，5月润湿力（Wa

）θBSVCSLALV当固、液、气三相达到平衡时：BSV=CSL+ALVCOSθ

BSV：固体与气体之间的界面张力

可以将BSV看作是液体在固体表面漫流的力（润湿力：Wa）CSL

：固体与液体之间的界面张力ALV

：液体与气体之间的界面张力

BSV与CSL的作用力都沿固体表面，但方向相反。设润湿力为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

）——润湿力关系式V气体从润湿力关式可以看出：润湿角θ越小，润湿力越大第19页,共82页，星期六，2024年，5月分子运动润湿条件（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。这是形成虚焊的原因之一。第20页,共82页，星期六，2024年，5月分子运动表面张力

表面张力——在不同相共同存在的体系中，由于相界面分子与体相内分子之间作用力不同，导致相界面总是趋于最小的现象。由于液体内部分子受到四周分子的作用力是对称的，作用彼此抵消，合力=0。但是液体表面分子受到液体内分子的引力大于大气分子对它的引力，因此液体表面都有自动缩成最小的趋势。熔融焊料在金属表面也有表面张力现象。大气大气液体内部分子受力合力=0液体表面分子受液体内分子的引力＞大气分子引力第21页,共82页，星期六，2024年，5月分子运动表面张力与润湿力

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。

表面张力是物质的本性，不能消除，但可以改变。第22页,共82页，星期六，2024年，5月分子运动表面张力在焊接中的作用

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（selfalignment）。表面张力使再流焊工艺对贴装精度要求比较宽松，比较容易实现高度自动化与高速度。同时也正因为“再流动”及“自定位效应”的特点，再流焊工艺对焊盘设计、元器件标准化有更严格的要求。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。第23页,共82页，星期六，2024年，5月波峰焊——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。SMD波峰焊时表面张力造成阴影效应第24页,共82页，星期六，2024年，5月

•熔融合金的粘度与表面张力是焊料的重要性能。

•优良的焊料熔融时应具有低的粘度和表面张力，以增加焊料的流动性及被焊金属之间的润湿性。

•锡铅合金的粘度和表面张力与合金的成分密切相关。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锡铅合金配比与表面张力及粘度的关系（280℃测试）粘度与表面张力第25页,共82页，星期六，2024年，5月分子运动焊接中降低表面张力和黏度的措施①提高温度——升温可以降低黏度和表面张力的作用。升高温度可以增加熔融焊料内的分子距离，减小焊料内分子对表面分子的引力。②适当的金属合金比例——Sn的表面张力很大，增加Pb可以降低表面张力。63Sn/37Pb表面张力明显减小。

η表mn/m

粘面度张540

力520500T（℃）4801020304050Pb含量%

温度对黏度的影响250℃时Pb含量与表面张力的关系

第26页,共82页，星期六，2024年，5月③增加活性剂——能有效地降低焊料的表面张力，还可以去掉焊料的表面氧化层。④改善焊接环境——采用氮气保护焊接可以减少高温氧化。提高润湿性第27页,共82页，星期六，2024年，5月毛细管现象毛细管现象是液体在狭窄间隙中流动时表现出来的特性。将两块平行的金属板或细管插入液体中，金属板内侧与外侧的液面高度将有所不同，如果液体能够润湿金属板，则内侧的液面将高于外侧的液面，反之，金属板内侧的液面将低于外侧的液面。液体能够润湿金属板液体不能润湿金属板在熔融焊料中也存在毛细管现象第28页,共82页，星期六，2024年，5月毛细管现象在焊接中的作用在软钎焊过程中，要获得优质的钎焊接头，需要液态钎料能够充分流入到两个焊件的缝隙中。例如通孔元件在波峰焊、手工焊时，当间隙适当时，毛细作用能够促进元件孔的“透锡”。又例如再流焊时，毛细作用能够促进元件焊端底面与PCB焊盘表面之间液态焊料的流动。液态焊料在粗糙的金属表面也存在毛细管现象，有利于液态焊料沿着粗糙凹凸不平的金属表面铺展、浸润，因此毛细管现象有利于焊接的。第29页,共82页，星期六，2024年，5月毛细作用—液体在毛细管中上升高度的表达式

式中：H—毛细管中液柱的高度σ—液体（焊料）的表面张力ρ—液体（焊料）的密度g—重力加速度R—毛细管半径

2σH=——ρgR从式中看出液体在毛细管中上升高度：与表面张力成正比；与液体的密度、比重成反比；与毛细管直径有关。第30页,共82页，星期六，2024年，5月

金属原子以结晶排列，原子间作用力平衡，保持晶格的形状和稳定。当金属与金属接触时，界面上晶格紊乱导致部分原子从一个晶格点阵移动到另一个晶格点阵。扩散条件：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）

温度（在一定温度下金属分子才具有动能）（2）扩散四种扩散形式：表面扩散；晶内扩散；晶界扩散；选择扩散。扩散的类型原晶格置换型间隙型第31页,共82页，星期六，2024年，5月PbSn表面扩散向晶粒内扩散分割晶粒扩散选择扩散表面扩散、晶内扩散、晶界扩散、选择扩散示意图Cu表面熔融Sn/Pb焊料侧晶粒第32页,共82页，星期六，2024年，5月（3）溶解母材表面的Cu分子被熔融的液态焊料溶解或溶蚀。第33页,共82页，星期六，2024年，5月

金属间结合层Cu3Sn和Cu6Sn5金属间结合层Cu3Sn和Cu6Sn5放大1,000倍的QFP引脚焊点横截面图以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（4）冶金结合，形成结合层（金属间扩散、溶解的结果）最后冷却凝固形成焊点第34页,共82页，星期六，2024年，5月三.焊点强度和连接可靠性分析评价焊点强度、连接可靠性需要进行可靠性试验焊点的强度、连接可靠性主要包括两方面内容：机械可靠性和电气化学可靠性。焊点的强度、连接可靠性与钎缝的金相组织结构、结合层的厚度有关第35页,共82页，星期六，2024年，5月可靠性试验的主要内容(a)机械可靠性试验：静电损伤试验；疲劳试验（热疲劳、机械疲劳）；冲击试验（跌落冲击、震动冲击）。(b)电气化学可靠性试验：电（离子）迁移；绝缘电阻；腐蚀试验。第36页,共82页，星期六，2024年，5月评价焊点可靠性试验的主要方法温度循环；热冲击；高温高湿储存；潮热；高压锅煮；跌落；振动；三点、五点弯曲等。通过可靠性试验后再进行以下检查和测试：外观及表面检查；焊点强度测试；最后还要做PCBA功能测试。染色试验；金相切片分析；有关可靠性与可靠性检测也是一门学科。第37页,共82页，星期六，2024年，5月影响焊点强度和连接可靠性的

主要因素分析（1）钎缝的金相组织（2）金属间结合层的厚度（3）焊接材料的质量（4）焊料量（5）PCB设计第38页,共82页，星期六，2024年，5月（1）钎缝的金相组织（a）固溶体钎缝组织固溶体组织具有良好的强度和塑性，有利于焊点性能。（b）共晶体钎缝组织一方面是钎料本身含有大量的共晶体组织，另一方面钎料与固体母材能形成共晶体。（c）金属间化合物钎缝组织冷凝时在界面析出金属间化合物。除了溶解、扩散形成化合物外，也可能由母材和钎料直接反应生成金属间化合物。钎缝中过多的化合物对焊点的性能是不利的。因为金属间化合物比较脆，与基板材料、焊盘、元器件焊端之间的热膨胀系数差别很大，容易产生龟裂造成失效。第39页,共82页，星期六，2024年，5月

当温度达到210-230℃时，Sn向Cu表面扩散，而Pb不扩散。初期生成的Sn-Cu合金为：Cu6Sn5（η相）。其中Cu的重量百分比含量约为40%。随着温度升高和时间延长，Cu原子渗透（溶解）到Cu6Sn5中，局部结构转变为Cu3Sn（ε相），Cu含量由40%增加到66%。当温度继续升高和时间进一步延长，Sn/Pb焊料中的Sn不断向Cu表面扩散，在焊料一侧只留下Pb，形成富Pb层。Cu6Sn5和富Pb层之间的的界面结合力非常脆弱，当受到温度、振动等冲击，就会在焊接界面处发生裂纹。从扩散过程分析钎缝组织（以63Sn/37Pb焊料与Cu表面焊接为例）第40页,共82页，星期六，2024年，5月钎缝(结合层)结构示意图Pb熔融Sn/Pb焊料侧Cu焊端表面CuSnCu6Sn5Cu3Sn富Pb层钎缝中的反应是非平衡的，几种反应常常会在钎缝中同时发生钎缝主要有固溶体、共晶体和金属间化合物的混合物组成第41页,共82页，星期六，2024年，5月焊料直接与Cu生成的结合层红色的箭指示的是Cu3Sn第42页,共82页，星期六，2024年，5月Cu6Sn5与Cu3Sn两种金属间化合物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之间的界面白色截面为6边形实芯和中空管状，还有一定量5边形、三角形、较细的园形状、在钎料与Cu界面处有扇状、珊贝状良性，强度较高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第43页,共82页，星期六，2024年，5月拉伸力（千lbl/in2）

*＞4μm时，由于金属间合金层太厚，使连接处失去弹性，由于金属间结合层的结构疏松、发脆，也会使强度小。*厚度为0.5μm时抗拉强度最佳；*0.5~4μm时的抗拉强度可接受；*＜0.5μm时，由于金属间合金层太薄，几乎没有强度；

金属间结合层厚度（μm）金属间结合层厚度与抗拉强度的关系（2）金属间结合层的厚度与抗拉强度的关系IntermetallicCompounds缩写IMC第44页,共82页，星期六，2024年，5月钎缝厚度厚度究竟为多少最佳？焊接后必须生成结合层，此结合层由共晶体、固溶体、金属间化合物的混合物组成。钎缝中不可能没有金属间化合物，但不能太厚。因为金属间化合物比较脆，与基板材料、焊盘、元器件焊端之间的热膨胀系数差别很大，容易产生龟裂造成失效。

理论界有不同的说法：＜4μm，5μm，8μm？业界有一点认识非常统一：第45页,共82页，星期六，2024年，5月金属间结合层的质量与厚度与以下因素有关：(a)焊料的合金成份和氧化程度（要求焊膏的合金组分尽量达到共晶或近共晶；含氧量应小于0.5%，最好控制在80ppm以下）(b)助焊剂质量（净化表面，提高浸润性）(c)被焊接金属表面的氧化程度（只有在净化表面，才能发生扩散反应）(d)焊接温度和焊接时间第46页,共82页，星期六，2024年，5月

焊点和元件受热的热量随温度和时间的增加而增加。金属间结合层的厚度与焊接温度和时间成正比。例如183℃以上，但没有达到210~230℃时在Cu和Sn之间的扩散、溶解，不能生成足够的金属间结合层。只有在220℃维持2秒钟左右的条件下才能生成良性的结合层。但焊接温度更高时，扩散反应率就加速，就会生成过多的恶性金属间结合层。焊点变得脆性而多孔。焊接热量是温度和时间的函数运用焊接理论正确设置温度曲线才能获得最好焊点质量。第47页,共82页，星期六，2024年，5月Sn-Pb系焊料金相图①A-B-C线——液相线②A-D、C-E线——固相线③D-F、E-G线——溶解度曲线④D-B-E线——共晶点⑤L区——液体状态⑥L+

、L+区——二相混合状态⑦

+区——凝固状态（3）焊接材料的质量有铅、无铅都应选择共晶或近共晶焊料合金最佳焊接温度线液态固态第48页,共82页，星期六，2024年，5月（4）与焊料量有关第49页,共82页，星期六，2024年，5月（5）PCB设计第50页,共82页，星期六，2024年，5月四.关于无铅焊接机理（1）目前应用最多的无铅焊料合金（2）关于Sn-Ag-Cu系焊料的最佳成分（3）IPC推荐的无铅焊料（4）PCB焊盘表面材料（5）元器件焊端表面镀层材料（6）无铅焊接机理第51页,共82页，星期六，2024年，5月（1）目前应用最多的无铅焊料合金目前应用最多的用于再流焊的无铅焊料是三元共晶或近共晶形式的Sn-Ag-Cu焊料。Sn(3~4)wt%Ag(0.5~0.7)wt%Cu是可接受的范围，其熔点为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焊料合金用于波峰焊。其熔点为227℃。手工电烙铁焊大多采用Sn-Cu、Sn-Ag或Sn-Ag-Cu焊料。第52页,共82页，星期六，2024年，5月（2）关于Sn-Ag-Cu系焊料的最佳成分Sn-Ag-Cu系焊料的最佳成分，日、美、欧之间存在一些微小的差别，日本的无铅实施在世界上处于领先地位，对无铅焊料有很深入的研究，他们的研究表明Sn-Ag-Cu焊料中Ag与Sn在221℃形成共晶板状的Ag3Sn合金，当Ag含量超过3.2wt%以后（出现过共晶成分）板状的Ag3Sn合金会粗大化，粗大的板状Ag3Sn较硬，拉伸强度降低，容易造成疲劳寿命降低，他们的结论是：“在共晶点附近，成分不能向金属间化合物方向偏移”，因此选择使用低Ag的Sn3Ag0.5Cu。第53页,共82页，星期六，2024年，5月Sn-Ag-Cu无铅焊料中Ag与Sn在221℃形成

共晶板状的Ag3Sn合金

板状的Ag3Sn较硬，当Ag含量超过3.2wt%以后（出现过共晶成分）拉伸强度降低，容易造成疲劳寿命降低，因此推荐使用低Ag的Sn3Ag0.5Cu。结论：“在共晶点附近，成分不能向金属间化合物方向偏移”第54页,共82页，星期六，2024年，5月（3）IPC推荐的无铅焊料：

Ag含量为3.0wt%的Sn-Ag-Cu焊料由于Sn95.8\Ag3.5\Cu0.7无铅焊料美国已经有了专利权；另外由于Ag含量为3.0wt%的焊料没有专利权；价格相对较便宜；焊点质量较好。因此IPC推荐采用Ag含量为3.0wt%（重量百分比）的Sn-Ag-Cu焊料。第55页,共82页，星期六，2024年，5月合金成分熔点（℃）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无铅焊料合金的熔点第56页,共82页，星期六，2024年，5月Sn63\Pb37与Sn\Ag3.8\Cu0.7性能比较合金成分密度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第57页,共82页，星期六，2024年，5月继续攻克研究更理想的无铅焊料

虽然Sn基无铅合金已经被较广泛的应用，但与Sn63\Pb37共晶焊料相比较仍然有以下问题：熔点高34℃

表面张力大、润湿性差价格高但IPC认为：无铅焊料的种类不能很多，要单一标准化，否则对元件、对可靠性会有很大影响。IPC-A-610D就是以Sn-Ag–Cu焊料做的标准。第58页,共82页，星期六，2024年，5月用低Ag的Sn-Ag-Cu替代目前广泛应用于波峰焊的Sn3Ag0.5Cu焊料有了突破深圳亿铖达公司推出的M0507(Sn-0.5Ag-0.7Cu)成本约占Sn-3.0Ag-0.5Cu成本的65~75%熔化温度为217~227℃，性能与SAC305和Sn-0.7Cu合金相差不大。M0507的润湿性、缺陷率均明显优于Sn-0.7Cu与Sn-Cu-Ni，略低于Sn-3.0Ag-0.5Cu。通孔元件焊点拉脱强度约为70牛顿，介于Sn-3.0Ag-0.5Cu和Sn63-Pb37之间；片式电阻焊点剪切强度及QFP封装外引线焊点拉脱强度数据优于Sn-3.0Ag-0.5Cu和Sn-Cu-Ni。第59页,共82页，星期六，2024年，5月另一家焊料供应商Indium公司最近新开发出一种改良的Sn-Ag-Cu合金，在Sn-1.0Ag-0.5Cu的基础上掺杂了其它元素，该掺杂物能够有效增加合金的展延性和柔软性。据悉，一直推广使用Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅焊料的日本厂家也已经开始意识到：在锡条、锡线领域中采用高银的做法是严重的浪费。日本方面为此成立了一个专门委员会进行探讨，其目标就是研制低Ag含量的Sn-Ag-Cu合金。第60页,共82页，星期六，2024年，5月（4）

PCB焊盘表面材料有铅无铅Sn/Pb热风整平（HASL）无铅HASLNi/Au（化学镀Ni和浸镀金ENIG，俗称水金板）Ni/AuCu表面涂覆OSPCu表面涂覆OSP浸银（I－Ag）浸银（I－Ag）浸锡（I－Sn）第61页,共82页，星期六，2024年，5月（5）元器件焊端表面镀层材料有引线元件引线材料有引线元器件焊端表面镀层材料无引线元器件焊端表面镀层材料有铅无铅有铅无铅CuSn/PbSnSn/PbSnNiNi/AuNi42号合金钢Ni/Pd/AuNi/Pd/AuSn/AgSn/AgSn/Ag/CuSn/Ag/CuSn/Ag/BiSn/Ag/Bi第62页,共82页，星期六，2024年，5月

（6）无铅焊接机理无铅焊接过程、原理与63Sn-37Pb基本是一样的。主要区别是由于合金成分和助焊剂成分改变了，因此焊接温度、生成的金属间结合层及其结合层的结构、强度、可靠性也不同了。何况有铅焊接时Pb是不扩散的，Pb在焊缝中只起到填充作用。另外，无铅焊料中Sn的含量达到95%以上。金属间结合层的主要成分还是Cu6Sn5和Cu3Sn

。当然也不能忽视次要元素也会产生一定的作用。(a)以Sn-Ag-Cu焊料与Cu表面焊接为例第63页,共82页，星期六，2024年，5月Sn-Ag-Cu系统中

Sn与次要元素Ag和Cu之间的冶金反应在Sn-Ag-Cu三个元素之间有三种可能的二元共晶反应：①Ag与Sn在221℃形成锡基质相位的共晶结构和ε金属之间的化合相位(Ag3Sn)。②Cu与Sn在227℃形成锡基质相位的共晶结构和η金属间的化合相位(Cu6Sn5)。③Ag与Cu在779℃形成富Agα相和富Cuα相共晶合金。但在Sn-Ag-Cu的三种合金固化温度的测量研究中没有发现779℃相位转变。在温度动力学上解释：更适于Ag或Cu与Sn反应，生成Ag3Sn和Cu6Sn5

。第64页,共82页，星期六，2024年，5月Sn-Ag-Cu三元合金相图液态时的成分：L→Sn+Cu6Sn5+Ag3Sn在平衡状态凝固的结晶是很规则的形状（冷却速度无限慢时）实际生产条件下是非平衡状态凝固的结晶CuCu3SnCu6Sn5Sn-Ag-CuSn-Ag-Cu与Cu焊接钎缝组织空洞第65页,共82页，星期六，2024年，5月Sn-Ag-Cu合金凝固特性

导致无铅焊点颗粒状外观粗糙非平衡状态凝固：Sn先结晶，以枝晶状（树状）出现，中间夹Cu6Sn5和Ag3Sn。Sn-Ag-Cu结晶组织Sn-Pb37共晶组织

Sn-Pb结晶彼此都能在某种程度上固溶对方的元素。结晶的形状比较规则，因此外观比较光滑

第66页,共82页，星期六，2024年，5月Sn-Cu合金二元相图Sn-Cu的液相线斜率大(比Sn/Pb大十几倍)，液相温度对成分很敏感。因此少量成分变化，就会使熔点偏移，造成焊接温度的变化。熔点随成分变化而变化波峰焊时随着Cu不断增加，熔点也不断提高。液态固态最佳焊接温度线Sn-Pb系焊料金相图(b)Sn-Cu系焊料合金第67页,共82页，星期六，2024年，5月(c)Sn系焊料与Ni/Au（ENIG）焊接时的钎缝组织

Sn系焊料(Au,Ni)Sn4Ni3Sn4NiNi-Sn化合物比较稳定，连接强度较好。但是Au能与焊料中的Sn形成Au-Sn间共价化合物（AuSn2、AuSn、AuSn4），在焊点中金的含量超过3%会使焊点变脆，过多的Au原子替代Ni原子，因为太多的Au溶解到焊点里（无论是Sn-Pb还是Sn-Ag-Cu）都将引起“金脆”。所以一定要限定Au层的厚度，用于焊接的Au层厚度≤1µm(一般控制在0.1～0.3µm)。Sn与Ni焊接时生成Ni3Sn、Ni3Sn4、Ni3Sn2（实际在焊接界面看不到Ni3Sn）第68页,共82页，星期六，2024年，5月关于“黒焊盘”问题

(BlackPadsinENIGfinishes)黒焊盘是PCB制造厂的问题，有铅焊接也存在这个问题。黒焊盘处用手指一推，元件就会掉下来。产生原因：(a)Au镀层和镍镀层结构不够致密，空气中的水份容易进入,Ni被氧化。(b)Ni镀层磷含量偏高或偏低.(c)镀镍后没有将酸性镀液清洗干净,长时间Ni被酸腐蚀。

(d)作为可焊性保护性涂覆层的Au镀层在焊接时会完全溶蚀到焊料中，而被氧化或腐蚀的Ni镀层由于可焊性差不能与焊料形成良好的金属间合金层，最终导致虚焊、或焊点强度不足使元件从PCB上脱落。第69页,共82页，星期六，2024年，5月(d)Sn系焊料与42号合金钢(Fe-42Ni)焊接时的钎缝组织Sn系合金与Fe-42Ni界面反应与Cu相比速度比较慢。主要反应：①Fe-42Ni中的Ni向Sn中溶解，凝固时结晶出板状的Ni3Sn4；②剩余的Fe和残留的Ni在界面发生反应生成(Fe,Ni)Sn2，大多形成FeSn2；③42号合金钢与Sn系合金一般能形成良好的界面，但加入Bi会发生界面偏析，因此连接强度明显降低。第70页,共82页，星期六，2024年，5月(e)各种合金元素与不同金属电极焊接后在界面形成的化合物

电极（元件焊端PCB焊盘）焊料合金元素SnPbInAgBiZnSbCuCu6Sn5Cu3Sn－Cu9In4（CuIn2）（Cu4In3）－－Cu5Zn8CuZnCu4SbCu2SbAu（Au6Sn）AuSn2AuSnAuSn4Au2PbAuPb2Au9InAu3InAuInAuIn2－Au2BiAu3ZnAuZnAuZn3AuSb2NiNi3SnNi3Sn4Ni3Sn2－Ni3InNiInNi2In3Ni3In7－NiBiNiBi3NiZnNiZn3Ni5Zn21NiZn8Ni13Sb4Ni5Sb2NiSbNiSb2FeFeSnFeSn2－－－－4种FexZnyFeSb2Fe3Sb2AgAg3Sn（Ag6Sn）－Ag3InAgIn2Ag2In－－AgZnAg5Zn8ε-AgxZnyAg3SbAl－－－Ag3AlAg2Al－－AlSb注：①粗红体字：表示已经在Sn系合金中发现的化合物；②－：从金相图判断为不形成化合物的系③x、y：表示不定比化合物第71页,共82页，星期六，2024年，5月无铅焊接必须注意材料的兼容性从Sn-Ag-Cu焊料与Cu；Sn合金与Ni/Au（ENIG）；Sn系焊料与42号合金钢的界面反应和钎缝组织可看出：不同的焊料合金，甚至同一种焊料合金与不同的金属焊接时的界面反应和钎缝组织都不一样，它们的可靠性也不一样。由于电子元器件的品种非常多，当前正处于过渡时期，特别是元件焊端的镀层很复杂，可能会存在某些元件焊端与焊料的失配现象，造成可靠性问题。因此一定要仔细选择并管理元件。另外，选择

焊料和PCB镀