焊接原理与焊_可靠性分析

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1、焊接原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. 焊接质量 五. 焊接质量控制方法 六. 影响SMT组装质量的关键工序 七. 锡铅焊料特性,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

2、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

3、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,焊接过程中焊接金属表面（母材）、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， 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

4、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）母材被熔融活性强的助焊剂容易熔融母材。 （4）助焊剂中的金属盐与母材进行置换反应。,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,锡焊机理,（1）润湿 （2）扩散 （3）溶解 （4）冶金结合，形成结合层,润湿角,焊点的最佳润湿角Cu-Pb/Sn 1545 ,当=0时，完全润湿；当=180时，完全不润湿；,=焊料和母材之间的界面与焊料

5、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,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。,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

6、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,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。,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（s

7、elf alignment）。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。,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, 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。,锡铅合金配比与表面张力及

8、粘度的关系（280测试）,粘度与表面张力,分子运动,焊接中降低表面张力和黏度的措施,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。 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。, 表 mn/m粘 面度 张 540力 520500T（） 480 10 20 30 40 50 Pb含量%温度对黏度的影响 250时Pb含量与表面张力的关系,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。 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,金属原子以结晶排

9、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。,Pb,Sn,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,（3）溶解,母材表面的Cu分子被熔融焊料融蚀,金属间结合层 Cu3Sn和Cu6Sn5,金属间结合层 Cu3Sn和Cu6Sn5,放大1,00

10、0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）,关于无铅焊接原理,无铅焊接过程、原理与有铅是一样的。 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。,Sn-Ag-Cu系统中

11、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： （a）Ag与Sn在221形成锡基质相位的共晶结构和金属之间的化合相位(Ag3Sn)。 （b）Cu与Sn在227形成锡基质相位的共晶结构和金属间的化合相位(Cu6Sn5)。 （c）Ag与Cu在779形成富Ag 相和富Cu 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 。,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Ag 3Sn较硬，当Ag含量超

12、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”,三. 焊点可靠性分析,影响焊点强度的因素： （1）金属间合金层（金属间结合层）质量与厚度 （2）焊接材料的质量 （3）焊料量,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（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（相）， Cu 含量由40%增加到66%。当温度继续升高和

13、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。,以63Sn/37Pb焊料与Cu表面焊接为例,（1）金属间合金层（金属间结合层）质量与厚度,焊缝(结合层)结构示意图,Pb,熔融Sn/Pb焊料侧,Cu焊端表面,Cu,Sn,Cu6Sn5,Cu3Sn,富Pb层,焊料直接与Cu生成的合金层,红色的箭指示的是 Cu3Sn 层,Cu6Sn5与Cu3Sn两种金属间结合层比较,Cu Cu3Sn Cu6Sn5 富Pb层Sn/Pb,拉伸力 （千lbl/in2）,*4

14、m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0.5m时抗拉强度最佳；,*0.54m时的抗拉强度可接受；,*0.5m时，由于金属间合金层太薄，几乎没有强度；,金属间合金层厚度（m）,金属间合金层厚度与抗拉强度的关系,金属间合金层厚度与抗拉强度的关系,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，才能发生化学扩散反应） (d) 焊

15、接温度和焊接时间,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210230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期曲线 才能获得最好焊点质量。,Sn-Pb系焊料金相图,A-B-C线液相线 A-D、C-E线固相线 D-F、E-G线溶解度曲线 D-B-E线共晶点 L区液体状态 L+、L+区二相混合状态 +区凝固状态,（2）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,