认识焊锡原理

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1、认识焊锡原理在选择焊接工程所用的材料和设备，我们必须先清楚地了解焊锡的基本原 理。否则，我们便无法达到焊接效果。润湿从焊接的定义中得知润湿是焊接行业中的主角，其接合即是利用液态焊锡 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上完全一样， 不同的是当温度降低后，焊锡凝固而成接点。当焊锡润湿在基材上时，基材常 因受空气及周围环境地的侵蚀，而会有一层氧化层，阻挡焊锡而无法达到好的 润湿效果，其现象正如水倒在满是油脂的盘子上，水只聚集在部分地方，无法 全面均匀的分布在盘子上。如果我们未能将氧化层除去，其结合力量还是非常 的弱。焊接与胶合当两种材料用胶粘合在一起，其表面的相互粘立脚点是因胶

2、给他们之间一 机械键所致。光亮的表面无法象粗糙或蚀刻的表面粘着得那么好，因为胶不易 固定。胶合是一表面现象，当胶是潮湿状态时，它可从原来的表面上被擦掉。焊接是在焊锡和金属之间形成一分子间键，焊锡的分子穿入基材金属的分 子结构中，而形成一坚固、完全金属的结构。当焊锡溶解时，也不可能完全从 金属表面上把它擦掉，因为它已变为基材金属的一部分。润湿和无润湿是涂有油脂的金属薄板浸到水中，没有润湿现象，不管它上面所涂的油 层多薄。它可能完全看不到，但水会形成球状的水滴，一摇即掉，因此，水并 未润湿或粘在金属薄板上。如将此金属薄板放入热清洗剂中加以清洗，并小心 地干燥。再把它浸入水中，液体将完全地扩散到金属

3、薄板的表面而形成均匀 的膜层，再怎样摇也不会掉，即它已经润湿了此金属薄板。清洁当金属薄板非常干净时，水便会润湿其表面。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。其清洁水准的要求比水在金属薄板 上还要高很多，因为焊锡和金属之间必须是紧密的连接。否则的话，在它们之 间会形成一很薄的污染层。几乎所有的金属在暴露于空气中时，都会立刻氧化, 这种极薄的氧化层将妨碍金属表面上焊锡的润湿作用。毛细管作用如将两个干净的金属表面合在一起后，浸入溶化的焊锡中，焊锡将润湿此 两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，便没有润湿作用，焊锡装不会填满此

4、点。当一电镀贯穿孔的印刷线路板经过一波焊炉时，毛细管作用的力量将锡填 满此孔，并在印刷线路板上面形成一焊锡带，而不是波的压力将焊锡推进此孔表面张力我们都看过昆虫在池塘的表面走而不润湿它的脚，那是因为有一看不到的 压力或力量支持着它，这便是水的表面张力。同样的力量使水在涂满油脂的金 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。我们知道助焊剂在金属的作用就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，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。锡焊温度也会 影响表面张力，

5、即温度越高，表面张力越小。焊锡表面和铜板之间的角度，称 为润湿角度(WETTING ANGLE )，它是所有焊点检验的基础。润湿的热动力平衡焊接工程不可缺的材料是焊锡、助焊剂和基材金属，我们假设基材金属的 表面是完全清洁、无氧化物。当一滴焊锡滴在基材表面上，助焊剂在焊锡四周时，简称a. 焊锡为 L : LIQUID，b. 助焊剂为 F: FLUX (或 V: VAPOR)，c. 基材金属为 S : SOLID BASE METAL当焊锡润湿在基材表面上，静止下来时，亦即是力平衡的状态。PSF二PLS+PLF COS a PSF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

6、+PLF COS a，此时开始扩散， a角度逐渐变小，PLF COS a值变大，直到力量平衡为止。1、a90。如果整个系统力量达到平衡90,则表示SF的值小，亦即其 液体的扩散力差。以a角度来说，a90时称为退润湿DEWET ) , a=180时称 为退未润湿(NODEWET ) ,90 av180时为润湿不良POORLY WETTEDSURFACE )2.90 M，我们称为边际润湿(MARGINAL WETTING )。通常M 75C，这种润湿也是不能接受的程度。3、avM,此种为良好润湿(GOOD WETTING )，在品质要求高的产品，M 值的要求可低于75。由上述说明a角度越小表示润湿

7、越好。了解焊锡合金金属我们日常生活中所熟悉的物质，大部分人大概无法很正确的定义出什么是 金属。正确的来说金属是一个具有光泽、坚硬、有延展性、好的热与电的导体 的化学元素，在所有化学元素中有73种是金属。金属的原子是被限制在一个特定的范围内以三度空间运动，这是所有结晶 物质的典型，原子有秩序的排列在结晶中，称为空间格子（space lat）ce原子 之间的距离是用埃（angstron）为单位。其距离依不同原子，在不同温度下有不同的距离，一是AO （angstron）等 于1 x109m，而每一种金属又有不同的结晶形成，只有在某些特别情况下，可得 到单一结晶或多结晶结构产生，是视其金属由液体转换为

8、固体时的温度变化。 当金属液体冷却时，许多结晶开始形成，慢慢向三度空间延伸，相遇在颗粒边 界（Grain boundaries每一结晶之间，并没有很平整的表面，而且也无法控制， 但在冶金学上的回火，却可以改变颗粒（grain的大小及结构。在日常生活中常用的不是纯的金属，而且合金在两种以上的不同金属组合 具有其独特的特性，与其原来金属的特性完全不同。通常的合金分为含铁合金 及非铁合金，焊锡即属于非铁合金。合金的形成是在金属液体时混合而成的， 金属的混合即像水与酒精混合一样，也有可能两者只有部分溶解，因此会分为 两种，如水与油的混合，形成二个不同的相（phasM。也有些金属在液体时能 互溶，当温度

9、降低固化后，又再分离。也有可能两种金属互溶后形成金属化合 物（lntermetallic compounds金属化合物（Intermetallic compounds两种以上的金属依固定的化学剂量比例结成一个无法区分的均匀相(phase，其结构与本性，依各组成分子的原子半径及电子活性而定，可由金 相学检验看到。固溶体(Solid Solution一个金属原子进入另一金属原子结晶格内成为另一金属的一部分，与金属 化合物最大的不同点在于其溶入量，并没有一定的比率，而固溶体的溶入量视 温度而定，因此我们常发现当温度下降后会有单一金属沉淀出来，其现象与水 溶液完全一样。劳动硬化(Work harden

10、ing)常受外力使金属结晶破坏，合金变得更强更硬，我们称为work hardening 此现象可加热到某一温度一段时间后，改变压力即可回复原来结构，我们称之 为回火，大部分焊锡合金的回火温度都在室温下，因此不会发生硬化。我们再强调，当两种以上金属在液体中混合时，会有：(1)固溶体的产生 (2)金属化合物的产生。(3)维持原来的成份。也就是因为有了这么多的反 应，而造成许多问题。举例来说，焊锡63锡/37铅的比例为共融比例，当焊锡由液体降温到183C 时，焊锡开始凝固，此时温度不再下降，但热量继续散失，直到全部固化，温 度开始继续下降。其中温度不变，而热量有所改变，我们称之为凝固热。但是 如果成

11、份为60锡/40铅，则从190C开始有固体出现，而温度继续下降直到183C 时才全部凝固。我们可从下列公式算出190C,也可从计算中得知在浆状范围内 焊锡到底是有什么样的东西在里面。以60/40来说，其中比例应该含有95.%的 63/37及4.77%的铅。63/37熔点183C，纯铅熔点327C 183Cx0.9523+327Cx0.0477=190C当温度降至190时，开始有铅凝固，而在此温度下63/37成份的焊锡还是呈液体，因此我们看起来整个焊锡呈现浆糊状，一般说来这种浆状范围对焊接 过程中的影响并不太大，但是如果在浆状范围这段温度内，焊点受到摇动则会 产生所谓的冷焊或焊点粗糙的问题。当然

12、因为浆状范围的温度高，相对的焊接 温度亦要提高。一般说来，大部分人都认为63/37的焊锡要60/40要好。事实上，如果使用 在单面板孔径较大者，60/40反而要比63/37好用，因为60/40的焊点较大，较易 填满整个孔径。溶液硬化(Solution hardening当小量的其他金属加入结晶格内，亦会发生类似劳动硬化的力量改变结晶， 如此改变称之为溶液硬化。如锑加入焊锡，即是这种效果，这种处理对焊锡的 特性非常重要。共晶点(Eutc Ti):固体转液体且液体转固体为扩张强度(Tersil strength (Alloy)63/37(61.9%晶点为183.丈 选择63/37主要因锡在锡炉工作

13、 时含量会降低63 60、60 57相转变(phase diagram要了解焊锡特性，要先了解焊锡的相转变图，在讨论焊锡的相转图前解释 几个词。(1) 共融组合(Eu tec tic composition常两种金属以特定比例混合后，具有同 一溶点，且其熔点较原来的金属熔点为低，此种成份组合我们称之为共融组合。(2) 相(phas():当两不同金属互溶形成一个均匀的结构，且维持稳定，我们 称之为单相(ONEPHASE )。而实际上当两种金属液态混合时，A部分会溶入B, B部分也会溶入A。这种情况下，就有两个不同但均匀的结构，每一个部分就称 为相；而多种成份组合也会有更多的相形成，但所有的相都会

14、达到平衡状态。(3)熟活性(t hermally ac tiv当温度上升时，金属原子距离开始加大，称此原 子受热活性作用。一旦此能量超过原子束缚力时，则打破结晶形态形成液态。(4)熔解热(Heat of fusion当溫度上升，金属开始熔解，直到金属完全熔解, 虽然一直加热，但温度并未上升，此时的热量将固体熔为液体，称此热量为熔 解热。(5)相转变图：将合成的成份与温度改变及相的变化，称之为相转变图认识助焊剂助焊剂的功能及用途助焊剂是一种具有化学及物理活化性能的物质，能够除去被焊金属表面的 氧化物或其他已形成的表面膜层以及焊锡本自外表上所形成的氧化物；以达到 被焊表面能够沾锡及焊牢的日的。助焊

15、剂的功用还可保护金属表面，使在焊接 的高溫环境中而不再被氧化。第三个功能就是减少熔锡的表面张力(Surface tensio)，以及促进焊锡的分散及流动等。助焊剂对被焊表面的涂布方法：有传统波焊中的流沫泡沫式、波流式、喷射式及表面粘浸式等方法。在预热过程中，般助焊剂在得到热能的协助后，都能充满活性从而对各种金属外表执行清洁的任务。因此，助焊剂本自在各种涂布焊接工程学上，除清洁作用外，还有润湿性、扩散性、助焊剂活性、化学 活性等。助焊剂在不同温度下的活性Ac tivation &Deac tivation Temperatures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

16、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。加一个例子，如使用氯气做为助焊剂，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，亦可能降低其活性，如松香在超过600 （315U ）时，几乎 无任何活性，如果无法避免高温时，可将预热时间缩短。也可以利用此一特性，将助焊剂活性纯化以防止腐蚀现象，但在应用上要 特别注意受热时间与温度，以确保活性纯化。润湿能力Wetting Power为了能清理基材表面的氧化层，助焊剂要能对基材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。