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1、SMT无铅焊接技术,内容,1锡焊机理与焊点可靠性分析 2SMT关键工序-再流焊工艺控制 3波峰焊工艺 4无铅焊接的特点及工艺控制 5. 过渡阶段有铅、无铅混用应注意的问题,锡焊机理与焊点可靠性分析,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。, 产生电子信号或功率的流动 产生机械连接强度,
2、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）,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,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
3、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
4、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，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，230250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C
5、u2O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。,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=18
6、0时，完全不润湿；,=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,润湿力（ Wa ）,BSV,CSL,ALV,当固、液、气三相达到平衡时：BSV= CSL +ALV COS ,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 ：润湿角,L液体,S固体,Wa
7、BSV+ ALV- CSL,Wa = CSL +ALV COS+ ALV- CSL Wa = ALV（1 + COS ）润湿力关系式,V气体,从润湿力关式可以看出：润湿角越小，润湿力越大,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
8、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,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
9、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（self 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
10、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 520 500 T（） 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
11、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,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,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
12、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 。,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 液体（焊料）的表面张力 液体（焊料）的密度 g 重力加速度 R 毛细管半径,2 H = gR,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。,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。
13、,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,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分子被熔融的液态焊料溶解或溶蚀。,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
14、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,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,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 。,评价焊点可靠性试验的主要方法,温度循环；
15、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。,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,（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。,当温度达到210-230时， S
