微电子器件的软钎焊及表面组装技术

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1、第四章第四章 微电子器件的软钎焊及表面组装技术微电子器件的软钎焊及表面组装技术第一节第一节 概述概述 第二节第二节 软钎焊的基本原理软钎焊的基本原理第三节、软钎料合金第三节、软钎料合金第四节第四节 软钎剂软钎剂第五节第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏药芯软钎焊丝和钎料膏第六节第六节 机械化软钎焊技术机械化软钎焊技术 第七节第七节 表面组装技术及再流焊方法表面组装技术及再流焊方法第八节第八节 SMTSMT焊点的可靠性问题焊点的可靠性问题第一节第一节 概述概述所谓软钎焊软钎焊，是指采用熔点（或液相线温度）低于427的填充金属（钎料）在加热温度低于被连接金属（母材）熔化温度的条件下实现金属间冶金连接的一类

2、方法。软钎焊连接依靠钎料对母材的润湿来形成接头。与硬钎焊相比，软钎焊连接的温度低，操作方便，并且不过分强调母材与钎料之间的溶解、扩散等相互作用过程。第一节第一节 概述概述一、一、 软钎焊在电子工业中的地位软钎焊在电子工业中的地位 在电子工业中，软钎焊技术由于以下几方面的原因而使其始终并将继续居于主导地位。1 1、软钎焊具有显著的经济性、高效性和可靠性、软钎焊具有显著的经济性、高效性和可靠性。由于连接是在相对较低的温度下完成的。使得许多常规有机高分子材料和电子元件因受热而改变性能和破坏等问题得以有效地避免。并且，相对低成本的材料，简单的工具和可控的工艺使得软钎焊具有特别明显的经济性和高效性。而且

3、在自动化软钎焊操作中，在一般民用产品上，已经取得接头返修率低于百万分之一的水平，而在北美航空部门，已有了每小时钎焊150亿个焊点而无失败的报导。这些都充分说明了软钎焊方法的经济、高效和可靠的特点。2 2、软钎焊具有制造和修理的方便性。、软钎焊具有制造和修理的方便性。与其它冶金连接方法相比，软钎焊是对操作工具要求相对简单和易于操作的工艺，并且由于软钎焊接头是可以“拆卸” 的接头，或者说软钎焊过程是“可逆”的，因而使得软钎焊连接的修补十分简单方便。并且修补过的接头可以像原始接头一样可靠。可以预料，只要我们还使用由导体、半导体和绝缘体等构成的基于电磁脉冲的电路，软钎焊技术就是必不可少的。第一节第一节

4、 概述概述从材料来看，在电子工业中的被连接材料主要是有色金属，并且种类繁多，经常涉及到贵金属和稀有金属以及多元合金多层金属组合体系。此外，还常常涉及到非金属材料的连接问题。由于被连接对象的多样性，因而完成连接所使用的材料（钎料等）也表现出种类繁多和组成复杂的特点。从被连接对象的尺寸特征来看，小、细、薄、精，构成了这类被连接对象最为鲜明的标志。例如：许多焊点的尺寸常常不足一个平方毫米；焊点间距也仅有零点几毫米等。并且，随着电子产品小型化、轻量化、高精度及高可靠性的要求，使得连接对象的尺寸还在不断减小。电子产品的这种特点和发展趋势对连接技术提出新的更高的要求，因而，一些新的工艺方法不断涌现。目前最

5、具生命力的最有影响的当首推表面组装技术（surface mount technology ，简称SMT）。这一技术的出现使得在印刷电路板制造中传统的通孔安装技术迟早将被淘汰。在技术发达国家中，SMT技术在印制板上的应用已达到90，在我国，SMT也正在迅速推广。SMT技术的出现对软钎焊材料提出了新的要求，使得对钎料膏的需求量迅速增加，并且推动了一些产业的发展和进步 二、电子工业中钎焊连接的特点及发展趋势二、电子工业中钎焊连接的特点及发展趋势第二节第二节 软钎焊的基本原理软钎焊的基本原理一、软钎焊的定义一、软钎焊的定义 钎焊一直被区分为“硬钎焊”（Brazing）和“软钎焊”（Soldering）

6、。为此，将450作为分界线，规定钎料液相线温度高于450所进行钎焊为硬钎焊，低于450的为软钎焊。从事电子产品钎焊工作的人认为，在315以下进行的钎焊为软钎焊。在电子行业中，绝大多数的钎焊工作是在300以下完成的。在450以上进行的钎焊连接，在电子行业中是比较少的。二、钎料与母材间的相互作用二、钎料与母材间的相互作用 在电子钎料中，应用最广泛的金属元素是锡，在大多数电子钎料中都或多或少地含有锡。在众多的被连接材料中，应用最多的是铜。因此，研究铜与锡之间的相互作用问题就具有特别重要的意义。我们知道，使钎料与母材之间发生适当的相互作用，从而实现冶金结合是获得优良焊点的基本前提。这就要求母材组分可以

7、在液态钎料中溶解，并最终可以形成固溶体，共晶体或金属间化合物。 第二节第二节 软钎焊的基本原理软钎焊的基本原理锡以易于和多种金属元素形成金属间化合物为特征，用锡基钎料进行钎焊时，在结合处形成金属间化合物当是最为常见的现象。由铜锡二元合金平衡相图可知，铜与锡在液态下可以无限互溶，在固态下铜在锡中的溶解度则很小。因此，钎焊时母材铜将向液态的锡钎料中溶解，在随后的冷却过程中将会出现金属间化合物Cu6Sn5( )。如果铜的溶解量过多，还可能出现Cu3Sn（相）。可以说，化合物相Cu6Sn5的出现是保证锡钎料与铜母材之间实现冶金连接的基本前提。由于化合物相通常都具有硬而脆的特点，因此，出现过多的化合物相

8、对焊点的性能是不利的。尽管在钎料冷却凝固之后，由液态金属直接形成化合物相的条件已经不存在，但是由于在随后的热过程中，铜与锡之间的相互扩散过程仍可进行。因此，化合物相仍将继续形成和长大。通常是在结合前沿处形成一层连续的化合物层。化合物层在靠近铜母材一侧为Cu3Sn，在邻近锡钎料一侧为Cu6Sn5。当化合物层达到一定厚度时，将会对接头性能产生极为不利的影响。当钎料中含有铅元素时，将会影响到化合物相的长大，这是因为化合物生长速度常数是与扩散体系的成分有关的。第二节第二节 软钎焊的基本原理软钎焊的基本原理三、软钎焊性三、软钎焊性 软钎焊性是指材料易于进行软钎焊连接的能力。对于那些易于实现软钎焊连接的材

9、料，我们称之为软钎焊性优良的材料。反之，则认为其软钎焊性不佳。软钎焊性的好坏，在很大程度上取决于母材钎料体系的润湿状态。一般来说，如果钎料对母材的润湿性能良好，则软钎焊性通常也比较好。所以，人们习惯于用润湿情况来评价和表明软钎焊性，但软钎焊性与润湿性不是完全等同的，如某种钎料在某母材上的润湿性能极佳。润湿角接近于零度，但在钎焊时却可能由于其过分流散而不能保持在钎焊间隙中，因而不能形成良好的钎缝。这样的例子，在实际应用中是屡见不鲜的 第二节第二节 软钎焊的基本原理软钎焊的基本原理软钎料对母材润湿是形成优良焊点的基本前提。润湿的程度可以用钎料在母材上的接触角来表征。接触角小于、等于90时，认为焊点

10、是合格的；大于90时，则认为焊点不合格（见图4-1） 图4-1 合格和不合格焊点的接触角第二节第二节 软钎焊的基本原理软钎焊的基本原理电子部件钎焊时，母材表面的氧化物在加热过程中被钎剂去除。加热不仅使钎剂活化，而且使钎料的表面张力减小，使润湿作用增强。如果母材与钎料之间没有良好的润湿作用，将导致不润湿或反润湿。图4-2给出了元器件引线在印刷电路板润湿良好时形成的钎角形态。此时接触角小于90，并且在焊盘上会留下均匀光滑的钎料层。 图4-2 引线良好润湿时焊点形态示意图 第二节第二节 软钎焊的基本原理软钎焊的基本原理造成焊点润湿不良的原因有以下两方面，一是由于母材表面的氧化物未被钎剂去除干净，使得

11、钎料难以在表面上铺展，从而导致接触角大于90。另一原因是，钎料本已良好润湿母材，但由于工艺不当（如加热时间过长或温度过高等），使得母材表面易于被钎料润湿的金属镀层完全溶解到液态钎料中，并裸露出不易被钎料润湿的基体金属表面，或是由于钎料与母材相互作用，形成了连续的不易被钎料润湿的化合物相。一旦出现这类情形，已铺展开的液态钎料就会回缩，使其表面积趋于最小，使接触角增大，最终形成所谓的反润湿（或称润湿回缩）焊点（见图4-3）。 图4-3 反润湿示意图 第二节第二节 软钎焊的基本原理软钎焊的基本原理四、影响电子元器件软钎焊性的因素四、影响电子元器件软钎焊性的因素 当带有镀层的印制板和元器件引线在较高温

12、度下长时间放置或在氧化气氛中存放时，会造成镀层金属氧化，同时还会使镀层与基体金属之间所形成的化合物层不断长大。这两类情况都将影响到软钎焊性。镀层过分氧化会增加钎剂去除氧化膜的难度，因而可能造成润湿不良，从而影响元器件管脚的软钎焊性。对于这类问题，可以通过增强钎剂活性的方法来解决。但随着钎剂活性的增加，腐蚀性危险性也增大，因此必须进行严格的钎后清洗。这将使生产成本显著增加，并且也不能完全避免腐蚀问题。所以保证印制板和元器引线在钎焊前不过分氧化是非常重要的。第二节第二节 软钎焊的基本原理软钎焊的基本原理锡铅钎料在暴露于大气中的铜锡化合物表面上的润湿性是很差的，因此要保证镀层具有一定的厚度，使其在长

13、期存放过程中化合物不至于生长到表面，镀层的厚度一般不得低于7.5m。保证锡铅共晶合金镀层在某些人为造成的严酷环境中24h后仍具有优良软钎焊性。而当镀层厚度小于2.5m时，经过4h的老化后，就可能出现反润湿现象。 镀层质量对软钎焊同样具有重要意义。热浸镀层的厚度常常不均匀，因而出现局部区域涂层太薄并影响到软钎焊性。电镀镀层的厚度比较均匀，但镀层如果呈现多孔性，并且在镀层表面下常有一些有害的有机物质，这也可能影响到软钎焊性，对于多孔性问题，可以通过控制电镀工艺，形成尺寸细小的晶粒来解决。较小的晶粒尺寸可以保证镀层表面致密光洁，因而不易氧化。 第三节第三节 软钎料合金软钎料合金锡铅钎料是应用最广泛的

14、软钎料。尤其是在电子工业中，锡铅钎料的应用更为普遍。锡铅钎料的性能与其组成有关密切的关系。为此，首先分析锡铅二元合金的平衡相图（见图4-4）。锡铅二元合金构成的是有限固溶体的共晶状态图。其共晶成分为w（Sn）=61.9，w（Pb）=38.l，共晶温度为183。共晶体由面心立方的 （Pb）相和一、锡铅钎料一、锡铅钎料（一）锡铅钎料的物理性能和力学性能（一）锡铅钎料的物理性能和力学性能图4-4 锡铅相图体心立方的（Sn）相组成。共晶温度下，w（Sn）在Pb中的固溶度为19.5。室温时，Sn在Pb中的固溶度仅有23。共晶温度时，Pb在Sn中的固溶度为2.5，室温下，Pb在Sn中的固溶度仅为万分之几。

15、 第三节第三节 软钎料合金软钎料合金工业用锡铅合金的最佳力学性能是含w（Sn）量为73的合金，而非共晶合金。表 4-1给出了电导率、密度，抗拉强度等性能随合金成分的变化。由于锡铅合金的熔点较低，其再结晶温度低于室温，因此不能产生冷作硬化，而是表现出明显的粘性特征。当锡铅合金的变形量增大时，可以促使（Sn）相从过饱合的（Pb）相中析出，使其强度降低，因而表现出变过形的锡铅合金的强度要比铸态时低。在较高温度下(100 150)，元素的扩散速度较快，此时的力学性能明显下降。 第三节第三节 软钎料合金软钎料合金表4-1 锡铅钎料的物理性能和力学性能第三节第三节 软钎料合金软钎料合金纯Sn，纯Pb和共晶

16、合金都具有良好的流动性，而在固液相温度区间最大处（含w（Sn）=19.5）的合金流动性最差。软钎料合金的流动性是评价钎料工艺性能的重要指标之一，流动性好的钎料具有优良的填缝性能，可以保证获得稳定，良好的钎缝质量。锡铅钎料对铜等多种母材金属均具有良好的润湿性及铺展能力，尤其是共晶成分的钎料合金，在适当温度下其铺展面积明显增大，加上此成分钎料合金的表面张力小，流动性最好，力学性能也十分优异。因此成为电子工业中应用最为广泛的钎料合金。 第三节第三节 软钎料合金软钎料合金（二）钎料对母材的溶蚀及防止（二）钎料对母材的溶蚀及防止在钎焊过程中，由于母材与钎料之间存在相互作用，一些母村组分会溶解到液态钎料中

17、去。例如陶瓷片式电阻或电容器的焊接端都有金或银这类贵金属的金属化层，在钎焊期间，这层金属很容易溶解到液态钎料中去，这样就会露出下面的陶瓷表面，从而导致润湿不良并形成不合格焊点。不同的材料在不同的液态钎料中的溶解速度是不同的。图4-5和4-6给出了铜和银在Sn68-Sn32钎料中溶解的情况。可以看出随着温度的升高，溶解量迅速增加，并且银的溶解速度要比铜快得多。为防止陶瓷片式元件金属化端银镀层的过分溶解，可以采取以下两方面的措施：一是用溶解速度比较缓慢的镍或铂作阻挡层以防止过分溶解;二是使用含银钎料膏，如 Sn62-Pb36-Ag2，从而减缓溶解程度。但这种作用只能用于再流焊，不能用于波峰焊。 第

18、三节第三节 软钎料合金软钎料合金图4-5不同温度下铜在Sn68-Sn32液态钎料中溶解 图4-6不同温度下银在Sn68-Sn32液态钎料中溶解 第三节第三节 软钎料合金软钎料合金二、无铅钎料二、无铅钎料因Sn-Pb钎料中的铅是有毒的物质，进人人体后在骨骼中积累并且不易排出，因此限制铅的应用。1990年美国国会又酝酿在电子工业及其它工业中禁止使用含铅的钎料，尽管未获通过，但已引起电子行业的恐慌，因此近年来又掀起了对无铅钎料的研究热潮。可以推断，在今后的一段时间内无铅钎料的研究与应用必将获得较大的发展。目前，国际上公认的无铅钎料定义是以Sn为基体，添加了Ag、Cu、Sb、In、Bi、Zn等其他合金

19、元素，而w（Pb）的含量在； 0.l0.2以下的主要用于电子组装的软钎料合金 第三节第三节 软钎料合金软钎料合金无铅钎料不是新技术，但今天的无铅钎料研究是要寻求年使用量为56万吨的Sn-Pb钎料的替代产品。因此，替代合金应该满足以下要求：l）其全球储量足够满足市场需求其全球储量足够满足市场需求。某些元素，如 In（铟）和 Bi（铋），储量较小，因此只能作为无铅钎料的添加成分（见表3-2） 表3-2 无铅钎料中替代合金元素的供需情况第三节第三节 软钎料合金软钎料合金2）无毒性无毒性。某些在考虑范围内的替代元素，如Cd（镉）、Te（碲），是有毒的：而某些元素，如Sb（锑），如果改变毒性标准的话，也

20、可以认为是有毒的；3）能被加工成需要的所有形式能被加工成需要的所有形式，包括用于修补的丝；用于钎料膏的粉末：用于波峰焊的bar等。不是所有的合金能够被加工都成所有形式，如鉍的含量增加将导致合金变脆而不能拉拔成丝状；4）相变温度（固相变温度（固- -液相线温度）与液相线温度）与Sn/Sn/P Pb b钎料相近钎料相近；5）合适的物理性能合适的物理性能，特别是电导率、热导率、热胀系数；6）与现有元件基板现有元件基板/ /引线及引线及PCBPCB材料在金属学性能上兼容材料在金属学性能上兼容；7）足够的力学性能足够的力学性能，抗剪强度、蠕变抗力、等温疲劳抗力、热机疲劳抗力、金属学组织的稳定性; 第三节

21、第三节 软钎料合金软钎料合金8）良好的良好的润湿湿性性 从国外文献看，所选择的主要添加合金元素为Ag、Zn、Cu、Sb、Bi、In等。国内外研究的主要无铅钎料见表4-3。表4-3 国内外研究的主要无铅钎料第三节第三节 软钎料合金软钎料合金目前研究出的无铅钎料趋向于多元合金系统，其力学性能优于传统的Sn63Pb37合金，但润湿性能稍差、烙点相差较大，而且由于多采用贵重金属，导致成本过高。此外，无铅钎料在印制电路板组装中的实际应用可能还会引起一系列新的问题：l）无铅钎料的熔点与Sn-Pb 共晶合金相比均偏高或偏低，难以与传统的软钎焊参数相兼容。2）需开发相应的新型钎剂。3）超电势问题超电势问题 S

22、n-Pb针料中Sn与Pb对H、Cl 等元素的超电势都较高，而无铅钎料中Ag、Zn、Cu、Ni等元素对H、CI的超电势都很低，因此采用无铅钎料可能会出现由于超电势的降低而引起钎焊区残留的H、Cl离子迁移产生电极反应，从而引起集成电路元件的短路 第三节第三节 软钎料合金软钎料合金表4-4给出了国外一些公司用于电子行业的无铅钎料合金类型 表4-4 国外一些公司用于电子行业的无铅钎料合金类型 应当指出，在为替代SnPh钎料而开发无铅钎料的同时，还应注意配套钎剂及钎焊方法的开发和钎焊工艺的改进，这样才能使无铅钎料得以迅速的推广和应用 第三节第三节 软钎料合金软钎料合金三、其它软钎料三、其它软钎料 由于结

23、构形式和使用要求等方面的差异，有些电子产品或某些器件不适合用常规的锡铅共晶类钎料来钎焊。例如，钎焊带有含银镀层的器件时，为减少银层的损失，常要求采用含银的钎料；钎焊带有金膜的部位时，可以采用铟钎料；对于需要进行两次钎焊的产品，则需要在两次钎焊过程中分别使用较高熔点的软钎料和较低熔点软钎料等等。电子工业中一些常用钎料合金的成分，特点及用途见表4-5。 表4-5 常用钎料合金的成分及用途 第三节第三节 软钎料合金软钎料合金四、合金的抗氧化处理四、合金的抗氧化处理 当锡铅钎料合金处于液态时，其氧化是非常迅速的。而当采用扒渣方式去除针料槽表面上的氧化渣之后，又会迅速地形成新的氧化渣。特别是对于处在不停

24、地搅动中的液态钎料（如波峰焊），钎料的氧化就更为严重。例如一台容量为 100kg的波峰焊锡槽，每周扒渣所损失的钎料量将近总量的 l4。钎料槽表面的氧化物层主体是锡的氧化物，有关分析表明，其表面为SnO2，厚度为2 nm，其下为SnO和弥散分布的细小的金属铅颗粒，再下面则是SnO和金属锡和铅。由此可见，钎料的氧化问题主要是锡的氧化。对于锡的抗氧化问题，大体上可以分为物理方法和化学方法两类。1）物理方法 2）化学方法 第三节第三节 软钎料合金软钎料合金1 1）物理方法）物理方法物理方法是通过隔绝液态钎料与大气直接接触来实现抗氧化的。常用的方法是在钎料液面上加一层有机液体物质来复盖，使锡液面的氧分压

25、大大降低，这样不仅可隔绝锡液与大气的接触，还有助于使溶解于锡液中的氧含量降低。现用作抗氧化剂的有机物大体为两种类型:一类为由低分子聚合物及其羧酸组成的锡合金抗氧化剂，最典型的是低分子量聚苯醚和聚苯醚羧酸混合物，该混合物随着聚苯羧酸含量的增加，抗氧化的效果明显加强，说明聚苯醚羧酸起重要的作用。这类抗氧化剂的特点是耐热性好，在350下仍可正常使用。并且使用寿命长，但其缺点是制备困难，且价格昂贵。另一类抗氧化剂是由油类和还原剂配合而成。最常用的是矿物油，动物油和植物油及蜡等，还原剂有不饱合羧酸，高分子树脂，天然树脂等，此外还需要配合热稳定剂和防蚀剂等。这类抗氧化剂的原料来源丰富，价格便宜，且还原能力

26、强，但耐热性和使用寿命差一些 。第三节第三节 软钎料合金软钎料合金2 2）化）化学学方法方法化学方法是在液态钎料合金中添加微量的表面活性元素，它比Sn和Pb更亲氧，并且与Sn和Pb的氧化物生成稳定致密的表面膜以保持SnPb合金不进一步氧化。这层表面膜一经除去便会再生。常用的保护元素有w（P）0.003和w（Ga）0.001。后者比前者更耐温，可以到400而不失其保护功能。这种化学方法对静态保护特别有效。在波峰焊的动态条件下，由于不断撇除表面膜，导致微量元素的损失，需要定时添加Ga的中间合金 第四节第四节 软钎剂软钎剂在绝大多数的软钎焊过程中都要使用软钎剂。钎剂不仅要起到去除母材和钎料表面氧化膜

27、的作用，同时还要在钎焊过程中保护已去除氧化膜的清洁表面不再氧化，并且还应促进钎料在母材表面的润湿和铺展。电子工业中所用的软钎剂是非常多的。按照钎剂组成物质的不同，可以分为无机软钎剂和有机软钎剂两大类。无机软钎剂主要由盐酸、氢氟酸、磷酸、氯化锌、氯化铵等无机酸和无机盐等组成，由于这类钎剂具有很强的腐蚀性，因而在电子行业中很少应用。应用最多的当属有机软钎剂。软钎剂分类的另一种方法是按照钎剂具有的活性来划分。可以分为“R”级（无活性）。“RMA”级（中度活性）“RA”（完全活性）、“SRA”（超活性）等。 第四节第四节 软钎剂软钎剂一、松香基软钎剂一、松香基软钎剂 松香是从松树的根部或树皮中提取的天

28、然产品，其主成是占7085的松香酸C19H29COOH。其中 d一海松香酸和l 海松香酸又约占 10-15。松香的软化点为 172-1750C，略低于锡铅共晶钎料的熔化温度（1830C）。在室温下，固态的松香是无活性的，因而也不具有腐蚀性，电绝缘性能良好。加热时，熔化的松香酸可以与铜、锡等金属表面的氧化物发生反应，从而去除氧化膜。非活性松香软钎剂 (R型）是由纯松香加溶剂制成的未经活化的液体钎剂。这类钎剂多用于自动钎焊中即要求无腐性残渣，但又规定要使用松香的印刷电路板。这类软钎剂有许多不同品种以满足各种标准的各项要求。中度活性松香钎剂（RMA型）是目前品种最多的一类软钎剂，由于使用了有机酸、胺

29、和氨化合物，胺的卤化物等物质作为活化剂，使钎剂的活性增强，钎焊质量提高。按照MIL-F-14265的规定，卤素含量应小于0.2。这类软钎剂由于可选用的活化剂种类繁多，因而钎剂的品种也非常多，现已广泛应用于计算机，无线电通讯，航空航天和军事产品上，并且在彩电等民用产品上也有广泛的应用。 第四节第四节 软钎剂软钎剂全活性松香软钎剂（RA型）具有更强的活性，因而具有流动性好，扩展速度快的特点。使用这类钎剂可以在黄铜和镍等难以软钎焊的金属上获得一般松香型钎剂所不能达到的效果。选择适当的活性剂，可以保证钎剂无腐蚀性及绝缘性。这类钎剂已广泛用于电线，电缆和电视机等产品，但对于要求高可靠和长寿命的产品，则仍

30、被视为是危险的，因而常常要求钎后清洗。清洗时，常常是采用非极性溶剂去除松香，然后用极性溶剂（如水）去除活化剂残渣和其它离子化合物。也有可能采用这两类溶剂的混合物在一次清洗过程中去除这两类物质。超活性松香软钎剂（SRA型）是具有很强活性和中等腐蚀性的一类软钎剂。这类软钎剂可以钎焊可伐合金，镍和不锈钢等。由于钎剂残渣非常活泼，因而钎后要进行充分的清洗。这类钎剂都不满足MILF14265的要求，因而只能用于民用产品。并且，除非可以保证将钎剂残渣彻底清洗干净，否则不推荐使用这类钎剂。 第四节第四节 软钎剂软钎剂二、非松香基软钎剂二、非松香基软钎剂非松香基软钎剂主要包括以下几类物质：有机酸：有机酸一般具

31、有中等去除氧化膜的能力，并且作用比较缓慢。由于是有机化合物，因而对温度敏感。有机酸钎焊后仍然是具有腐蚀性的，有机酸一般易于清洗。在这一组中常用的有乳酸、油酸、硬脂酸、苯二酸、柠檬酸等。有机卤化物：有机卤化物或有机肢的卤氢酸盐的活性很强，类似于无机酸类。它们所含有的有机官能团决定了它们对温度敏感。相对来说，这类物质比其它有机软钎剂更具有腐蚀性，因而要求进行认真的钎后清洗。在这类物质中常用的有盐酸苯胺，盐酸烃胺，盐酸谷胺酸和软脂酸溴化物等。 胺和氨类化合物：这类物质由于不含卤化物，因而成为许多专利钎剂的添加剂。这类物质具有一定的腐蚀性，并且对温度非常敏感。常用的有乙二胺、二乙胺、单乙醇胺、三乙醇铵

32、等。铵和氨的各种衍生物也被用作为钎剂材料，最普通的就是磷酸苯胺。有机酸（OA型）软钎剂比松香基软钎剂的活性强，但比无机软钎剂的活性弱。由于它们可溶于水。因此，当其固体物的含量较少时，可以用极性溶剂很方便的将残渣去除。并同样可以保证较高的可靠性。这类钎剂多用于民用产品，但也有成功地用于军事产品的例子，如Boeing飞机公司就将其用于空中发射巡航导弹和飞机早期预警系统的电子部件的钎焊。 第四节第四节 软钎剂软钎剂表3-6按照化学活性由高到低的顺序给出了各类物质作为钎剂时的性能比较结果 表3-6 各类钎剂物质的性能比较第四节第四节 软钎剂软钎剂三、水溶性软钎剂三、水溶性软钎剂 非活化松香钎剂可以不必

33、钎后清洗，但其活性较低，钎焊性能较差。用添加活性剂来提高钎剂的活性后，腐蚀这一潜在的危险就越来越强烈，因而大多数活性钎剂都需要钎后清洗。电子工业中用于树脂类软钎剂清洗的最常用的清洗剂是CFCll3（三氟三氯乙烷），但由于这类物质对大气臭氧层有破坏作用，因而在1987年，包括美国和欧共体成员国在内的24个国家签署了控制使用CFC化合物的蒙特利尔协议。由于对CFC类物质使用的限制，因而人们开始考虑使用可以用水作为清洗剂的钎剂。根据组成针剂的活化剂物质的不同，水溶性钎剂可以按表3-7分类. 表3-7 水溶性钎剂类型第四节第四节 软钎剂软钎剂目前许多公司都有可用于电子工业的水溶性软钎剂。如Alpha公

34、司的 850（OA型）水溶性有机软钎剂已普遍用于印刷电路板的钎焊，这类钎剂要求钎后即时清洗；855857为中性的水溶性软钎剂，用于钎焊印制板，可以延迟清洗；870和871钎剂中不含有机酸，而含有水溶性树脂，是可以用水或有机溶剂清洗的钎剂。Multicore的水溶性钎剂分为五种类型：1）标准型，其固体含量分别为10、20和40三种浓度用于印刷电路板的波峰焊；2）中性型，用于要求非酸性钎剂的印制板的波峰焊；3）无卤素型，用于元器件引线的搪锡和难以钎焊的印制板的波峰焊；4）浓缩型，用于最难钎焊元件引线（如镀镍件）的搪锡；5）不燃型，用于印制板的辊子镀锡。第四节第四节 软钎剂软钎剂四、免清洗软钎剂四、

35、免清洗软钎剂自蒙特利尔公约签署以来，发展起来的另一类具有特色的钎剂是免清洗钎剂。这类钎剂的最大特点是省去了清洗工序，因而减少了与清洗工序相关联的设备、材料、能源和废物处理等方面的费用，有利于降低成本。免清洗软钎剂一般由合成树脂和性能更加稳定的活性剂组成，其固相成分的典型值为3550，明显低于传统的RMA钎剂（RMA钎剂中固相物的典型值为5560）。免清洗针剂的残渣主要有合成树脂及活性剂残余反应物（金属氧化物），在高温下残渣变软，但不吸潮，表面绝缘电阻的典型值为7.59.91010。免清洗软钎剂的相容性问题是这类钎剂在应用时需要重点考虑的问题。相容性问题包含以下两方面含意，一是各钎剂之间的相容性

36、，二是免清洗钎剂与现行钎焊工艺之间的相容性。Foxbor公司的研究表明，在印制板的针焊工艺中，如果需要采用不同的免清洗钎剂，则可能由于钎剂之间不相容而导致泄漏电流过大，并对生产线造成危害。在钎焊工艺方面，下列问题是实现由RMA钎剂向免清洗钎剂转换的关键 第四节第四节 软钎剂软钎剂l）润湿能力 免清洗钎剂腐蚀性的降低也意味着其去除氧化层能力的降低，从而可能导致促进钎料润湿能力的降低；2）涂覆工艺 由于免清洗钎剂的溶剂多为低级醇类物质，而这类物质难以发泡并且易燃，因而只能用于波峰涂覆，这又常常造成过量涂覆和留下残渣，而要去除残渣则失去了免清洗的意义；3）预热工序 免清洗针剂对避免钎焊表面再氧化的保

37、护作用是非常有限的，因此预热温度过高将对钎剂的使用极为不利，但如果预热温度过低，又会造成挥发物质在钎焊时才逸出，从而导致气孔缺陷明显增加；4）工艺参数 免清洗钎剂的使用将要求钎焊工艺参数重新确定。如波峰焊时，由于钎剂中固相成分相对减少而改变了熔融钎料的界面张力，从而改变了钎料波峰出口区的几何参数，因此需要对传送带速度，倾角和波峰高度等参数重新进行优化组合，以避免钎焊缺陷增加；5）钎焊气氛 使用免清洗钎剂常常需要使用惰性气体（如氦气）来保护以防止再氧化，但氮气氛可能使某些树脂基钎剂最终形成粘性的、未氧化的残渣，并且氮气还可能引起树脂过分铺展，从而使桥接危险增大。 第四节第四节 软钎剂软钎剂对于免

38、清洗软钎剂，通常希望其具有以下特点：l）润湿率或铺展面积大，具有良好的软钎焊性能；2）焊后无剩余物，印刷电路板表面干净不粘；3）固态含量极少，不含卤化物，易挥发物含量极少；4）焊后印刷电路板的表面绝缘电阻高；5）能够进行良好的探针测试；6）操作工艺简便易行，烟雾气味小；7）常温下化学性能稳定，无腐蚀作用。对于每种具体的免清洗钎剂来说，要同时满足上述要求是非常困难的。国内外的免清洗钎剂都是根据不同的要求来配制的。如固态物含量的降低有利于降低腐蚀性，减少焊后的残余物及获得较高的表面绝缘电阻，但却会削弱发泡质量，影响软钎焊性。而增加固态物的含量虽有利于提高软钎焊性，减少桥接和焊球，但却导致表面绝缘电

39、阻下降，残余物增加，表面发粘等。因此，只能根据具体产品的要求来决定合取和适当平衡。免清洗软钎剂的具体配方多属专利，各生产厂家对其产品也只是介绍其性能和适用范围，如 Multicore公司的X32-105免清洗钎剂是一种不含天然松香、无卤化物的完全没有残留物的钎剂，可用于一般基板（包括单面板、双面板和多层板）的钎焊。这种钎剂适用于发泡、喷雾和浸渍等工艺方法。该钎剂钎后检验通过了美军清洁度标准（MlLP28809）、美军铜镜试验（MlL-F-1426）、英国军规（DTD-599A）和美国贝尔规范（TR-TSY-00008）。其一般特性为：相对密度0.812 0.001（在25下）；固体含量2.50

40、.5w/w；酸值160.5mg KOHl/g；闪点 12；气味酒精味；色泽无色 第五节第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏药芯软钎焊丝和钎料膏药芯软钎焊丝（俗称焊锡丝）和钎料膏（即焊膏）都是钎料合金与钎剂的复合体，其共同的特点是在钎焊时，钎料和钎剂是一次性同时施加上去的，所不同的是软钎焊丝为丝状，主要用于手工烙铁钎焊，而钎料膏为膏状物，多用于各种再流焊过程。一、药芯软钎焊丝一、药芯软钎焊丝药芯软钎焊丝是将软钎剂预先密封在钎料合金坯料的内部，经过拉拔而制成的中心为软钎剂芯，外边包裹有软钎料合金的丝材。按照不同的钎料合金与不同性能的钎剂组合，可以有很多品牌和规格的药芯软钎料丝。而按照钎剂类型的不同，大体上

41、可以分为以下几类：第五节第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏药芯软钎焊丝和钎料膏（1 1）树脂芯软钎焊丝）树脂芯软钎焊丝此类为以松香基软钎剂为芯的软钎料丝。以松香为软钎剂制作成松香芯软钎焊丝由来以久，随着各种活性松香基软钎剂的开发和应用，也出现了符合QQS5l7E标准的各种R型、RMA型和RA型等树脂芯软钎焊丝。近年来，为避免树脂芯软钎焊丝中钎剂的空断并提高拉制的效率，国外多数厂家采用三芯和五芯的钎剂模具挤制坯料，并拉制出了多芯的软钎料丝。此外，基于软钎料合金的优良塑性和先进的拉伸技术，现已可将丝径拉伸到023mm。软钎料丝的性能指标应同时满足对单纯钎料和钎剂所要求的指标，如合金的熔点，钎剂的腐蚀性，

42、残渣量等。此外，由于药芯软钎料丝多由钎焊工人手工操作使用，因此而特别希望药芯软钎料丝的发烟量少，气味无刺激，无有害气体以及不产生钎剂的崩溅等。 第五节第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏药芯软钎焊丝和钎料膏（2 2）无铅软钎焊丝）无铅软钎焊丝这是随着国际社会禁止用铅的呼声不断高涨，各种无铅钎料的研制不断获得成功而出现的新型软钎焊丝。这类软钎焊丝的药芯（钎剂）与传统的各类软钎焊丝并无明显差异，只是用无铅钎料替代了锡铅钎料合金。（3 3）水溶性树脂芯软钎焊丝）水溶性树脂芯软钎焊丝已有多家公司用水溶性钎剂作为药芯材料制作出了残渣可用水清洗的药芯软钎焊丝。如Alpha公司和Kester公司所生产的水溶性药芯软

43、钎焊丝都具有钎后残渣可用水清洗，以及热稳定性更为优良的特点。Multicore HydroX水溶性软钎焊丝含有专门为电子工业研制的水溶性钎剂。虽然其活性极强而适用于焊难钎焊的零件，但其残渣可以迅速完全地溶于水而除去。第五节第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏药芯软钎焊丝和钎料膏（4 4）免清洗药芯软钎焊丝）免清洗药芯软钎焊丝以免清洗钎剂作为药芯材料所制成的软钎焊丝即为免清洗药芯软钎焊丝。表48给出了KuPing公司生产的免清洗药芯软钎焊丝的各项技术指标 表4-8 免清洗药芯软钎焊丝的技术指标第五节第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏药芯软钎焊丝和钎料膏二、钎料膏二、钎料膏 钎料膏是由钎料合金粉末、钎剂及粘结剂

44、混合所构成的膏状体，其优点在于容易实现钎料量的控制，便于复杂结构的装配和易于实现钎焊过程自动化。在实际生产过程中，经常会遇到需要将粉状钎料与钎剂混合并用溶剂调成糊状来使用。从原则上来说，这也可以称之为钎料膏或膏状钎料。但目前真正以成型产品出售并获得比较广泛应用的还仅限于电子产品钎焊用的钎料膏。随着微电子组装技术的发展和表面组装技术的不断推广应用，对钎料膏的需求量也越来越大。新型的具有更为优异性能的钎料膏也在不断问世。钎料膏已成为印制电路板组装中用来形成电子元器件外引线软钎焊接头的最重要材料。一般而言，印制电路板组装的第一道工序即为在其焊盘上印制/滴注钎料膏。第五节第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏药

45、芯软钎焊丝和钎料膏（1 1）钎料膏的组成）钎料膏的组成电子级钎料膏通常是由钎料合金粉和钎剂载体（软钎剂、溶剂、活化剂和调节流变特性的介质等）组成。1 1）钎料合金粉）钎料合金粉 钎料合金粉末是钎料膏的重要组成部分，约占钎料膏总重量的8590，总体积的5060。钎料合金粉末由熔融态钎料合金经雾化沉积工艺制成。雾化沉积工艺是指采用高压气体（空气、氩气、氮气）或水为介质将液态金属或合全破碎成小液滴，然后快速冷却成粉末的过程 第五节第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏药芯软钎焊丝和钎料膏钎料合金粉末的主要性能参数为粉末颗粒形状和粉末粒度。粉末颗粒形状分为球形和不定形，ANSIJ-STD005 中规定钎料合金粉

46、末中至少有90为球形，球形的定义标准为颗粒长一宽比在l0107之间（见图4-7）。图4-7 球形钎料合金粉末 第五节第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏药芯软钎焊丝和钎料膏表3-9 粉末目数与粉末直径的对应关系粉末粒度是粉末直径的一种表征方法，通常以目数为单位。粉末粒度与粉末直径之间的对应关系如表39所示。第五节第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏药芯软钎焊丝和钎料膏表4-10 J-STD-005 中对钎料合金粉末尺寸分布的要求 目数越大，合金粉末直径越小，固定质量的粉末群的表面积越大，因此也越容易氧化。J-STD005 中规定的粉末颗粒尺寸分布如表4-10所示 第五节第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏药芯软钎焊丝

47、和钎料膏钎料合金粉是构成钎缝金属的主要来源。通常对锡铅系软钎料合金粉的成分及颗料度的允差是很小的。钎料合金粉的形状以球形为主，也有采用不定型粉与球形粉混合使用的。粉的颗粒度一般取为100目（149m）、200目（74m）、250目（63m）、300目（46m）、325目（45m）和 325目以下（45m）等几个等级，以便适应不同的涂覆方法。丝网印制时，一般要求用200-325目的合金粉，模板印刷时，粉的颗粒度可以稍大一些，并且粉的颗料度要均匀一致。钎料膏中的合金粉含量（质量分数）通常在75-90左右。为获得钎后较高的金属沉积量，常取85-90。第五节第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏药芯软钎焊丝和钎

48、料膏2 2）钎料载体）钎料载体 载体控制着钎料膏的干燥速度并与钎料合金粉一起控制着流变行为，主要起着净化钎料合金粉的表面和促进润湿的作用。载体在室温下应是液体或凝胶体，在85下迅速干燥，并且在钎焊温度下维持其活性。载体主要由松香或树脂、溶剂、活化剂和流变改性剂组成。松香是钎剂的主体，常用水白松香。活化剂可以是有机胺、有机酸或胺的卤氢酸盐等。根据其活性程度同样分为R型，RMA型、RA型、OA型、SRA型、SA型等。同时又将活性剂及其残留物的活性分为三等，低（L）、中等（M）和高（H）；另一方面，又特别注明了活性剂中卤化物的含量，0代表不含卤化物，l代表含有卤化物，在含有卤化物的活性剂中，L形的标

49、准是卤化物含量O5，M形为052.0，H形为2.0。溶剂和流变改性剂主要用于调节液体的流动性和粘度。为保证钎料膏的长期使用性能，溶剂可选用单种或多种有机物系统。 第五节第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏药芯软钎焊丝和钎料膏溶剂作为载体，溶解钎剂系统中的各种固体成分，使之成为均相溶液。溶剂的基本特性如下：l）对钎剂系统中各种固体成分均有良好的溶解性；2）室温下具有非常低的蒸汽压，可以满足粘性和缓慢干燥的要求；3）在预热工序可以完全蒸发且不发生飞溅：4）具有低毒性和高闪点。添加剂是指为适应工艺及工艺环境而加入的具有特殊物理和化学性质的物质。最重要的添加剂是流变调节剂，又称粘结剂，用来控制钎料膏的粘度和沉

50、积特性。流变性能是钎料膏最重要的整体性能。流变性是指流体在恒定或可变的切力作用下粘度随时间变化的特性。对于钎料膏而言，其粘度应在刮扳的切力作用下迅速减小以利于印制，而一旦印制终止则恢复原来值。这是钎料膏能够被涂覆于印制电路板的焊盘之上，又能在涂覆后保持一定粘度以固定电子元器件的基础 第五节第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏药芯软钎焊丝和钎料膏（2 2）钎料膏的类型及用途）钎料膏的类型及用途钎料膏的种类可以按钎料、钎剂和使用方式的不同来划分。按照使用方式的差异，可以将钎料膏分为丝网印刷用钎料膏，模板印刷用钎料膏和定量分配器用钎料膏。按这种方式划分钎料膏，其差异主要体现在钎料合金粉的颗粒度上，定量分配器

51、用钎料膏的钎料合金粉最细，丝网印刷用钎料膏的合金粉次之，模板印刷用针料膏的合金粉最粗。钎料膏也可以按合金粉的成分来划分。锡铅合金系钎料膏是应用最为广泛的一类，尤其以 Sn60/Pb40和 Sn63/Pb37两种应用最多。Sn5Pb95和 Snl0/Pb90由于合金的熔点较高，因而用于要求较高钎焊温度的场合。锡铅银系钎料膏主要用于镀银材料的钎焊，钎料合金粉成分中添加银是为了减少厚膜中银的过分溶解。常用的有 Sn62/Pb36Ag2和 Sn5/Pb935Agl5。锡银系钎料膏中典型的为Sn95Ags和Sn965Ag35，其钎焊温度比较高，通常用于要求焊点具有较高强度和较高的抗热疲劳性能的场合。此外

52、还有锡锑系，银锑系，铅铟系和锡铟系等，其特点与相应的钎料合金相同 。第五节第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏药芯软钎焊丝和钎料膏表4-11 为日本田村钎料膏的合金成分及用途 第五节第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏药芯软钎焊丝和钎料膏按照钎剂类型的不同，又可将钎料膏分为树脂基钎料膏，水清洗钎料膏和免清洗钎料膏，而按照钎剂活性的差异，则可分为R型、RMA型、RA型钎料膏等。这主要取决于所用钎剂的类型。英国Multicore公司的最新产品目录中介绍了它所生产的四类钎料膏： l）免清洗型（氮气氛）配方特殊，氮气钎焊流程完美，固体物含量极低，钎后目检不易分辨出残留物，减少对清洗的要求； 2）免清洗与低残留物型可用

53、于空气或氮气钎焊流程，钎后残留物低，可以不进行清洗； 3）普通松香型传统的松香钎料膏，残留物安全无腐蚀性，也可提供含有卤化物或非卤化物活化剂的钎料膏，以满足军用和民用产品的要求； 4）水溶型一一钎后残渣易于用水清除，活性强，可用于难以钎焊的表面，网印寿命长。 除上述四类之外，还有一种X32型“无渣”钎料膏，其钎剂是根据该公司的X32专利合成化学制剂制成，不含松香，不含卤化物，钎后不留残渣。用这种钎料育生产的印刷电路板，不用清洗即可达到军用标准MlLP28809清洁度试验的要求 第五节第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏药芯软钎焊丝和钎料膏表4-12给出了该公司钎料膏的钎剂类型和用途。表4-13给出了一

54、些国内生产的钎料育类型及适用范围。 表4-12 英国Multicore公司钎料膏的钎剂类型和用途表4-13 国内市场销售的钎料育第五节第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏药芯软钎焊丝和钎料膏（3 3）钎料膏的特性及要求）钎料膏的特性及要求 1 1）粘度）粘度 钎料膏的粘度是受钎料合金粉的形状及颗粒度、钎剂成分及含量和温度等因素影响的主要性能之一。粘度的确定要考虑使用方式、印刷量的大小以及印刷图形的形状等。为获得良好的印刷性能，就要选择粘度适当的钎料膏，从而保证在印刷过程中不粘网，不糊网。表4-14给出了不同使用方式所对应的钎料膏粘度的参考值 表4-14钎料膏使用的参考值第五节第五节 药芯软钎焊丝和钎料

55、膏药芯软钎焊丝和钎料膏2）软钎焊性 钎料膏的软钎焊性主要取决于其钎剂的活性和钎料合金粉的性能，对此可参照钎剂、钎料的特点加以分析和检验。3）坍塌性 钎料育的坍塌性与其粘度、钎料粉的形状和颗料度分布、钎剂含量及印刷厚度等因素有关。细密的印刷图形容易形成塌边，造成器件引脚间的桥接。4）残留颗料 钎料膏经长时间放置后粘度变化大，钎后容易产生残留颗粒，这主要是由于钎料合金粉的含氧量过高造成的。5）钎料球 用钎料膏进行钎焊后，在焊点附近常常会发现一些钎料小球。产生的原因一是印刷时图形边缘的钎料粉脱落，二是由于钎料粉的含氧量过高，由于在较高温度下，钎料小球的位置可能变化，因而会影响到产品的可靠性。6）残渣

56、清洗性 除了水清洗钎料膏之外，使用其它类型的钎料膏，在民用产品上通常可以不用清洗，而在要求高可靠性的军用产品上，由于残渣中有钎料小球存在，在受热时可能滚动，因而必须清洗。 第五节第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏药芯软钎焊丝和钎料膏性能优良的钎料膏，除了要保正确的合金成分之外，还应满足以下要求：1）成品钎料膏在存放期间内应具有良好的化学稳定性，钎料粉与液态钎剂之间在常温下应不发生化学反应；2）印刷性、挤出性良好，印刷图形清晰，不易堵塞网眼或针孔；3）钎料膏涂布后在较长时间内可保持粘性，有利于器件的定位和钎焊；4）钎剂与钎料粉不易分离，若产生轻微分离后，略经搅拌应即可恢复混悬状态；5）钎料膏的表皮应不

57、易团化，以防止网眼及针孔堵塞；6）触变性好，涂布后塌边，渗润小，从而保证印刷图形的清晰以及钎后不产生不必要的焊珠及桥接现象；7）钎焊时润湿性良好；8）毒性小。随着表面组装过程中引线间距的不断减小组装密度的提高，对钎料膏性能的要求也愈加严格。对钎料用于 0.3mm超细间距时的问题进行了分析和总结。其结果见表4-15。 第五节第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏药芯软钎焊丝和钎料膏表4-15 钎料膏用于超细间距的试验结果第六节第六节 机械化软钎焊技术机械化软钎焊技术 电子元器件与印刷电路板之间的连接是电子产品中数量最多，批量最大，应用最广泛的一类连接模式。由于印制板上的焊点多，结构形式及尺寸相近，因此最适

58、合于一次可以完成众多焊点连接的软钎焊技术。大批量同规格的产品以机械化方式完成钎焊操作尤其重要。目前，绝大多数的印制板钎焊都是以机械化方式来制造的。一、一、机械化软钎焊过程机械化软钎焊过程概述概述一块印刷电路板自元器件插装完毕之后到形成最终产品需要经过许多步骤，在机械化作业中，这些步骤在同一件传送带上完成的。其过程如图48所示 图4-8 机械化软钎焊过程示意图第六节第六节 机械化软钎焊技术机械化软钎焊技术在图示的软钎焊过程中，主要包含以下步骤：l）装载印制板 这是过程进行的初始位置，在这里要将已经插装好的元器件和印制板安放到传送带上。在某些自动化程度很高的生产线上，元器件的插装也是由机械完成的，

59、在这种情况下，元器件的插装也可以作为上述过程的一个环节。2）涂覆软钎剂 插装好元器件的印制板需要在这一工位上对各个连接点涂覆软钎剂。所用钎剂通常都是液体，涂覆可以采用发泡、波峰、浸渍、刷涂和喷射等多种方式来进行。3）预热 预热的目的:一是通过提高温度来增强软钎剂的流动性，使其顺利达到理想位置，二是使钎剂中易挥发组分挥发掉，活性组分开始去除氧化膜，为钎料的润湿作为准备。4）软钎焊 经过预热的印制板在这工位上完成钎焊，具体的钎焊方法有浸焊、拖焊和波峰焊几种方式。在某些生产线上，特别是对于通孔安装形式的印制板的软钎焊，常常将软钎焊过程分两步进行，即先进行一次浸焊，然后将伸出长度较长的元器件引线切短，

60、此后再进行一次波峰焊，以保证焊点有理想的形状，并减少软钎焊缺陷，从而保证连接质量。 第六节第六节 机械化软钎焊技术机械化软钎焊技术5）冷却 经过软钎焊工序之后，印制板和元器件都处于较高温度下，并且焊点处的钎料尚未完全凝固，此时稍有振动就会影响焊点的连接质量，并且较高的温度对于一些热敏感的元器件性能是非常不利的。因此，在印制板离开软钎焊位置后就应使其迅速冷却，使焊点处的钎料金属迅速凝固，同时也可以缩短印制板和元器件在高温下的停留时间。6）卸载印制板 在这一工位上，印制板的软钎焊连接已经完成，可以将其从传送带上取下并准备进行焊点质量检验，对于配备有自动化焊点质量检测系统的生产线，也可以经过检测后再

61、卸载。 第六节第六节 机械化软钎焊技术机械化软钎焊技术二、钎剂涂覆二、钎剂涂覆在机械化软钎焊过程中，所用的软钎剂都是液态的，这主要是便于机械化操作。常用的涂覆方式有以下几种：（1 1）发泡涂覆）发泡涂覆发泡涂覆是利用充气器产生低压空气使液体软钎剂产生泡沫，通过一个收集器使泡沫聚集在一起，印制板在聚集的泡沫上方运动并与泡沫接触，这样就可以将软钎剂涂覆到印制板上（见图4-9） 图4-9 发泡涂覆软钎剂的基本原理 为获得适当的涂覆剂量，要求钎剂组元与溶剂有合适的比例，以维持适当的粘度，所产生的泡沫的大小以其直径1-2mm为佳。所用的空气压力应尽可能低，一般不超过0.3个大气压。这种方式的优点在于适合

62、于连续作业，对印制板进人泡沫区的深度没有严格要求，但应避免涂覆软钎剂过量，通孔内易于涂覆上钎料同时又不使产生过量沉积。这种方法的不足在于并非所有的软钎剂都适合于发泡；需要对溶剂的蒸发进行定期补偿；应用于较热的印制板时不稳定；硅化物会破坏泡沫，容易造成这类污染区域内的钎剂量不足；由于所用溶剂的沸点都比较高，因而需要延长后续预热工序的时间。 第六节第六节 机械化软钎焊技术机械化软钎焊技术（2 2）波峰涂覆）波峰涂覆波峰涂覆的原理见图4-10。通过一个放置于钎剂糟底部的叶轮旋转产生一个双侧波峰，印制板在些波峰上通过就可以实现软钎剂的涂覆。为维持软钎剂液面的高度，需要配备一个可调节的波高控制器，为去除

63、印制板上多余的软钎剂而配置一个软毛刷。对于通孔安装式印制板，当板下元器件引线的伸出长度超过1.5mm时，特别适合采用波峰涂覆。波峰涂覆用松香基钎剂中的固体含量可以达到60，而发泡涂覆时一般不超过35。 图4-10 波峰涂覆软钎原理示意图 波峰涂覆软钎剂的优点是适合于连续作业，各种液体软钎剂均可采用这种方法，特别适合于通孔安装印制板，还可用于较热的印制板。其不足之处在于对钎剂液面高度的要求非常严格，溶剂挥发损耗较大，需要定期补充，另外还存在着软钎剂渗入到某些元器件内部的危险。 第六节第六节 机械化软钎焊技术机械化软钎焊技术（3 3）浸渍涂覆）浸渍涂覆这种方法是将印制板待软钎焊的一面浸人到液态钎剂

64、的表面上来实现钎剂涂覆的。将液态钎剂置于一个敞口的容器中，而在不使用时，需将容器盖上，以防止溶剂过分挥发损耗。在自动化软钎焊过程中一般不使用这种方法，而在钎焊过程与钎剂涂覆过程是分开进行的情况下，这种方法却是非常可行的。（4 4）刷涂钎剂）刷涂钎剂用一个圆形毛刷，其下端与软钎剂接触，上端与印刷板的待钎焊面接触，当毛刷旋转时，就将软钎剂涂到了印制板上。刷涂方法不适合于带有通孔的印制板 第六节第六节 机械化软钎焊技术机械化软钎焊技术（5 5）喷射涂覆）喷射涂覆喷射涂覆软钎剂的原理如图4-11所示。将一个不锈钢丝网制作的鼓形件半浸没于液体钎剂中，钢网鼓在钎剂中旋转。在钢网鼓中通人压缩空气，使液体钎剂

65、向上喷射，当印制板在喷射区上方通过时，就完成了钎剂的涂覆。 图4-11 喷射涂覆软钎剂的原理示意图软钎剂的涂覆量与钢网鼓的旋转速度，空气压力及软钎剂的密度有关，理想的钎剂涂覆厚度为6-20m。这种方法的优点在于适合于所有液态钎剂，以异丙醇作溶剂，不需要很大的预热时间；可以调节涂覆钎剂层的厚度，软钎剂不会渗入到印制板元器件一侧的小孔中，不存在因元器件与软钎剂接触而影响质量的危险；允许存在伸出长度较长的引线。这种方法的不足之处在于不适合于带有通孔的印制板，因为钎剂不能充分渗入到通孔中；喷射方式易造成较多的钎剂损耗，当印制板上有较大直径的孔时需要预先覆盖，以防止软钎剂通过这些大孔喷射到印制板的元器件

66、一侧上去。 第六节第六节 机械化软钎焊技术机械化软钎焊技术三、浸渍软钎焊三、浸渍软钎焊浸渍软钎焊是将插装了元器件并涂有软钎剂的印制板浸到液态钎料槽中来完成的。多数情况下，印制板处于水平位置，垂直向下移动并与熔融钎料相接触，停留一段时间后再向上提起，待焊点上的液态钎料凝固后，浸焊过程就完成了（见图3-12a）。 图3-12 侵焊过程示意图浸焊也可以按如下方式进行：先将印制板与钎料液面构成30角，并使印制板垂直向下移动使其一端与熔融钎料接触，然后使印制板向另一端下降使整个板与液态钎料接触，停留一段时间后，将先侵人端抬起，使印制板与钎料液面构成30角，然后再将整个印制板垂直向上提起，从而完成整个浸焊

67、过程（见图4-12b）。以这种方式进行浸焊，有利于气泡的排出，并可减少桥接缺陷。 第六节第六节 机械化软钎焊技术机械化软钎焊技术浸渍软钎焊具有以下特点：1）投资成本相对较低；2）焊机的操作与维修简单；3）浸焊适合于单面板，对于带有通孔的双面板由于向印制板安放元件一侧的传热不充分。因而结果不理想；4）如果浸焊过程不是自动进行的话，钎焊质量极易受操作者人为因素的影响；5）钎剂受热释放出的气泡防碍被钎表面与钎料的接触，这不利于优良焊点的形成；6）如果印制板上元器件引脚的间距很小的话，浸焊极易造成焊点之间桥接；7）自动化浸焊过程对钎料液面的温度要求非常严格。 第六节第六节 机械化软钎焊技术机械化软钎焊

68、技术四、波峰焊四、波峰焊波峰焊（wave soldering）是借助于钎料泵使熔融态钎料不断垂直向上地朝狭长出口涌出，形成2040mm高的波峰。钎料波以一定的速度和压力作用于印制电路板上，充分渗入到待钎焊的器件引线和电路板之间，使之完全润湿并进行钎焊。由于钎料波峰的柔性，即使印制电路板不够平整，只要翘曲度在3以下，仍可得到良好的钎焊质量。 波峰焊是当前印制板生产中应用最广泛的方法。波峰焊时，由一泵动系统产生一个稳定、连续和缓外溢的波浪状或涌泉状液态钎料波峰，并使印制板沿某一方向穿过波冠（见图4-13），使板的底部与热的钎料波峰接触，此时，波即向板提供热量和所需的钎料，在毛细作用和辅助的轻微波压

69、作用下，就可以得到优良可靠的软钎焊接头。 图4-13 波峰焊的基本原理第六节第六节 机械化软钎焊技术机械化软钎焊技术钎料波峰可以由机械泵或电磁泵来产生，印制板维持着与水平方向成70o角的位置穿越波峰，钎焊时间由印制板所接触到的波面宽度和板的移动速度来决定。波峰焊时，印制板的运动速度在300一600cmmin，其废品率小于万分之几。因此，波峰焊具有很高的生产率和优良的连接质量。波峰焊中比较重要的工艺参数有印制板的传送速度，软钎剂的控制，钎料的温度和波峰的几何形状等，在确定印制板传送速度时，必须考虑到印制板在预热和钎焊时由于上下表面的热膨胀量不同，可能会造成印制板的翘曲的问题。在软钎剂控制方面，要

70、严格监测软钎剂的密度，活性和软钎剂泡沫与钎料波的高度比。合理的温度分布对于减少软钎缺陷，防止过分的热冲击，从而提高成品率方面具有重要的作用。钎料波的形状是最为重要的一个参数。特别是对于混合安装的电路板，钎料波的形状对于防止插装元件出现毛刺和桥接，以及对于防止表面贴装元件中出现放气和钎料空缺都是非常重要的 第六节第六节 机械化软钎焊技术机械化软钎焊技术目前的波峰焊机种类很多，其波峰的形状大致上有：单向和双向、单波峰和双波峰、湍流或振动式，平稳和静区式，油质混合式，干式和含气泡式等。在通孔插装工艺中，主要采用单波峰焊。引线末端接触到钎料波，毛细管作用使针料沿引线上升，钎料填满通孔，冷却后形成钎料圆

71、角。其缺点是钎料波峰垂直向上的力，会给一些较轻的器件带来冲击，造成浮动或虚焊。下面对一些典型的波峰形状加以分别介绍。 （1 1）双向波峰）双向波峰双向波峰也叫标准波峰或“T”型波峰，其形状如图4-14所示。双向波峰是左右对称的，液态钎料沿喷咀向上运动，并沿喷咀侧面流回到钎料槽中。对于图414a的波形，印制板处于水平位置在波峰上运动，对于图414b的波形，印制板要与水平方面构成50-90的一个微小角度。印制板处于水平位置时，产生桥接的可能性增大，使印制板略有倾斜则有利于避免桥接。图4-14 双向波峰示意图第六节第六节 机械化软钎焊技术机械化软钎焊技术（2 2）扩展波峰）扩展波峰将喷咀一侧的托板延

72、长（通常是将前托板延长）就可形成扩展波峰。“波峰就是典型的扩展波峰（见图4-15）。由于这种波峰所特有的形状，使得液态钎料相对于印制板的流动速度加快，这就提供了一种有效的冲刷作用，因而有助于润湿。 图4-15 波峰示意图 （3 3）双波峰）双波峰对于安装有无引线元件或引线间距较小的印制板，常采用双波峰方式进行软钎焊。顾名思意，“双波峰”也就是有前后两个波峰，这两个波峰的形状和作用是不同的。第一个波峰是湍流波峰，其波面的宽度比较窄，波高与波宽之比大于1，峰端有23排交错排列的小波峰，在这样多头的、上下左右不断快速流动的湍流波作用下，钎剂气体都被排除掉，表面张力作用也被减弱，液态钎料从其喷咀流出的

73、速度比较快，以便使钎料能在很窄的间隔内穿过，这将有利于防止钎料空缺,从而获得良好的钎焊质量。但是，仅有一个湍流波峰是不够的，它会在焊点处留下较多的钎料和造成不均匀。因此，还需要经过第二个波峰。 第六节第六节 机械化软钎焊技术机械化软钎焊技术第二个波峰为层流波峰（或平稳波峰），钎料流动平坦而缓慢，其形状与普通插装印制板所用的波峰相同。层流波峰有助于消除第一波峰（湍流波峰）形成的拉尖或桥接等缺陷。双波峰焊已在印制电路板插贴混装上广泛应用。其缺点是印制电路板经过两次波峰，受热量较大，一般耐热性较差的电路板易变形翘曲。双波峰的产生可以由一个泵驱动液态钎料从两个喷咀中流出，也可以采用两个泵，这样比较容易

74、控制，但设备成本增加。双波峰也可以由两台具有不同波形的波峰焊机紧密组合在一起来形成，其效果是相同的。 图4-16 双波峰波形示意图 图4-17 双波峰软钎焊示意图 第六节第六节 机械化软钎焊技术机械化软钎焊技术（4 4）振动波峰）振动波峰为了尽可能减少放气和钎料空缺，Electrovert公司将超声振动波引人到波峰软钎焊过程中，提出了一种被称之为欧米枷波的新波峰形式。在欧米伽波中，引人了一个传感器，以产生振动幅度受控制的低频振动（见图4-18）。由于液态钎料振动，使其更易于进入小间隙，从而排出一些“死角”处的气体。随着印制板移出波峰，振动逐渐减弱，元件通过普通的层流波，从而消除拉尖和桥接。 图

75、4-18 欧米伽波系统示意图 与双波峰相比，欧米伽波钎料用量不足双波峰的一半，钎料损耗量小，并且在消除钎料空缺方面而效果更好。 第六节第六节 机械化软钎焊技术机械化软钎焊技术波峰焊具有如下特点： l）连续操作，生产效率高；2）与浸焊和拖焊相比，印制板下产生的防碍钎料流动的气泡更少； 3）速度快，更有利于通孔印制板的软钎焊；4）对钎料槽内液面高度的要求太高；5）在运动方向上，对印制板的长度没有限制；6）由于需要对软焊机定期清理、因而维护成本高；7）焊机的安装需要熟练和有经验的人员来进行；8）印制板上印刷电路的布线方向应与板穿过波峰时的移动方向相匹配；9）如果元器件引线在板下的伸出长度超过2mm，

76、就应考虑采用其它软钎焊方法。典型的波峰焊工艺参数见表4-16 表4-16 波峰焊的典型工艺参数波峰焊是适用于连接插装件和一些小外形表面贴装件的有效方法，不适用于精密引线间距器件的连接，所以随着传统插装器件的减少，以及表面贴装元件的小型化和精细化，波峰焊的应用逐渐减少。 第七节第七节 表面组装技术及再流焊方法表面组装技术及再流焊方法 一、表面组装技术简介一、表面组装技术简介 表面组装技术（Surface Mount Technology ，SMT）是起始于20世纪60年代，1971年荷兰菲利浦公司率先采用表面组装技术，尤其是在80年代中期，表面组装技术获得了飞速的发展，进人90年代后，表面组装技

77、术已经成熟并且在计算机、信息、通讯等众多高技术领域中获得了广泛的应用。如美国自动化公司的产品100采用片式元件，计算机公司的产品中，片式元件使用达95，通讯产品也有65以上采用了片式元件。 国内的发展也非常迅速，彩电高频头、对讲机、寻呼机等产品中，元器件的片式化率已达到9095。表面组装技术已经逐步取代了传统的通孔安装技术，成为首要的电子产品组装技术与传统的通孔插装技术（Through Hole Tech-nology，THT）相比，SMT具有电子元器件体积小、重量轻、印刷电路板组装密度高、信号传输速度快等优点。自问世以来，SMT由于可有效地减少设备负荷，首先在航空、航天及武器装备等高尖端技术

78、领域得到应用，而后在计算机、通信等商用电子设备上迅速推广。1997年，全世界电子产品的表面组装率达到66，中国为15。2000年分别达到了85和30。 第七节第七节 表面组装技术及再流焊方法表面组装技术及再流焊方法1962 年，日本推出的陶瓷球栅阵列 （Ceramic Ball Grid Array，CBGA）具备了表面组装概念的雏形。1966年美国RCA公司推出片式电阻、电容，首次实现了无源电子元件的片式化。1971年PhilipS公司正式提出了SMT概念，引起了电子装联技术的革命。1991年Motorola 公司推出树脂基板球栅阵列 （Plastic Ball Grid Array，PBG

79、A），使 BGA技术走向实用化。90年代末，多芯片模块 （Multi Chip Module，MCM）、芯片规模封装（Chip Scale Packaging，CSP）等概念的出现使得倒装技术（FliPChip）成为研究热点，推动了SMT的不断发展和推广应用，同时也推动了电子产品的不断发展。可以说，从某种意义上不断地改变着人们的生活。所谓表面组装技术就是将片式元件（无引线的或仅有为安装时固定用的引线）在印刷电路板上不用通孔就直接焊到其表面上的方法。表面组装技术是由片式元件、组装工艺和组装设备三部分组成，它可以概括为，在无源基板上高密度组装各种片式元件的新一代电子组装技术。表面组装技术的关键是贴

80、片技术、钎焊技术和测试技术 第七节第七节 表面组装技术及再流焊方法表面组装技术及再流焊方法焊接技术，特别是软钎焊技术，是SMT工艺过程中的关键技术。一方面由于被连接对象尺寸的微小精细，在传统焊接技术中可以忽略的因素，如溶解量、扩散层厚度、表面张力、应变量等将对材料的焊接性、焊接质量产生不可忽视的影响，因此SMT中的焊接技术在工艺、材料、设备等方面与传统焊接技术有着显著不同；另一方面，SMT艺中焊点既要起到电信号连接的作用，又要起到机械连接的作用，因此焊点可靠性成为SMT组装工艺的重要问题。SMT工艺主要用于印制电路板组装，即微电子元器件信号引出端（外引线）与印制电路板（PCB，printed

81、circuit board）上相应焊盘之间的连接。为适应微电子器件功能更强、信号引出端更多的要求，其外引线设计经历了从外引线分布在器件封装两旁的双列直插 （DIP，dual inline Package）形式，到分布在封装四周（如小外形封装 SO，small outline：四边扁平封装 QFP，quad flat package），再到分布在封装底面的球栅阵列 BGA形式（1997年被称为BGA年）的发展；外引线形式也经历了从适用于插装的直线形，到适用于贴装的j形、翼形和金属镀层的边堡形，再到直接利用钎料凸台作为外引线的发展；相应的微连接技术也经历了从通孔插装（THT，through hol

82、e technology）到表面组装（SMT，surface mount Technology）的革命，极大地推动了微电于产业的发展。 第七节第七节 表面组装技术及再流焊方法表面组装技术及再流焊方法SMT中的焊接工艺主要有波峰焊和再流焊两种。其中再流焊在实际工业生产中得到了最广泛地应用。再流焊和波峰焊的根本区别在于热源和钎料。在波峰焊中，钎料波峰起提供热量和钎料的双重作用；在再流焊中，预置钎料膏在外加热量下熔化，与母材发生相互作用而实现连接。再流焊（reflow soldering）是适用于精密引线间距的表面贴装元件的有效连接方法。由于表面组装技术的兴起，再流较钎焊的应用范围日益扩大。再流焊使

83、用的连接材料是钎料膏，通过印制或滴注等方法将钎料膏涂敷在印制电路板的焊盘上，再用专用设备一贴片机在上面放置表面贴装元件，然后加热使钎料熔化，即再次流动，从而实现连接，这也是再流焊名称的来源。即再流软钎焊是指在软钎焊操作期间不必另外添加软钎料，而是通过使预先放置好的软钎料经过重新熔化来形成软钎焊接头的一类方法。各种再流焊方法以其加热方式不同来区别，但工艺流程均相同，即滴注/印制钎料膏一放置表面贴装元件一加热再流。加热再流前必须进行预热，使钎料膏适当干燥，并缩小温差，避免热冲击。再流焊后，自然降温冷却或用风扇冷却。各种再流焊方法的区别在于热源和加热方法。根据热源不同，再流焊主要可分为红外再流焊、热

84、风再流焊、气相再流焊和激光再流焊。 第七节第七节 表面组装技术及再流焊方法表面组装技术及再流焊方法图4-19 表面组装和通孔安装的结构形式的对比图4-19给出了表面组装与通孔安装的结构形式比较。与通孔安装技术相比，表面组装技术具有如下优点：1）由于片式元件所占面积比插装元件少3050，厚度也大为减少，重量减少约50，因此可以大大提高印制板上元器件的安装密度，有效地利用设备的空间，从而为电子产品的小型化创造了条件；2）由于在印制板上的钻孔数量显著减少，并且不用弯角整形，因而大大节约了印制板上的连接硬件，也节省了时间，成本可以降低约50。 第七节第七节 表面组装技术及再流焊方法表面组装技术及再流焊

85、方法3）由于相当数量的片式元件没有引脚，因而分布电容和分布电感极小，电路的高频性能良好。采用表面组装元器件设计的电路的最高工作频率超过了3MHz，可以缩短电传输延迟时间，可用于时钟频率为10MHz的电路；4）由于表面安装器件小而轻，不易因冲击和振动而导致失效，避免了元器件与印制板之间的二次连接，减少了因连接而引起的故障，因而有利于提高电路的质量。5）便于实现自动化生产，因而具有更高的生产效率。表面组装技术的不足之处在于设备初始投资大，标准尚不完善、表面组装组件的散热困难，二次修补难于进行等，并且在比较恶劣的条件下长期运行时，在可靠性和寿命方面还存在一些问题。但可以预期，通过不断的改进和完善，这

86、些问题将逐步得到解决。 第七节第七节 表面组装技术及再流焊方法表面组装技术及再流焊方法气相再流焊是利用饱和蒸汽的汽化潜热加热实现表面贴装元件与印制电路板之间焊接的软针焊方法。气相再流焊的热源来自氟烷系溶剂（典型牌号为FC70）饱和蒸汽的汽化潜热。图4-20给出了用于SMT的气相钎焊系统示意图。 二、气相再流钎焊二、气相再流钎焊（vapor reflow solderingvapor reflow soldering）图4-20 用于SMT的气相钎焊系统示意图 气相钎焊时，将印制板放在吊篮中从顶部经过辅助蒸气区进人主蒸气区，辅助蒸气是由氟里昂TE（BP-48）经加热后产生的，主蒸气由惰性的氟碳化

87、合物（如Fc-70、Fc-53ll）经加热产生，其沸点为215。第七节第七节 表面组装技术及再流焊方法表面组装技术及再流焊方法当被钎部件进人主蒸气区后，蒸气便在部件表面上凝聚，释放出凝聚潜热并形成连续的液膜覆盖在器件表面，此时部件表面热传递的速率可由下式来描述: QhA（TvTs） （42）式中,Q-从蒸气到部件的热传递速率（JS）； h-传热系数（J/（smm2，h由液体凝聚物的热导率，粘度和密度以及部件 的表面是垂直、水平或倾斜等因素来决定； Tv-饱合蒸气温度（）； Ts-部件表面温度（）； A-部件的表面积（mrn2） 部件在主蒸气区内停留一段时间后，其温度达到主蒸气的温度（215），

88、此时，预先涂覆在焊点处的钎料膏已经熔化，并依靠表面张力的作用形成焊点，随后将部件提升回辅助蒸气区，尽管由于主蒸气区过热可以使辅助蒸气区的温度高于氟利昂TE的沸点，达到85-107，但辅助蒸气区的温度明显低于软钎料的熔点（183），部件在辅助蒸气区停留30-60S后，液态钎料凝固，形成焊点，同时部件上凝聚的液体也流回到气相钎焊系统中去，此时取出部件，软钎焊过程就完成了。 第七节第七节 表面组装技术及再流焊方法表面组装技术及再流焊方法由式（4-2）可以看出，在气相钎焊过程中，只有最大表面加热速率和最高表面温度可以控制，在部件刚进人主蒸气区时，Ts最小，表面加热速度最大，随着时间的延长，加热速度逐渐

89、减小，表面温度不断升高。因此，可以在部件进人主蒸气区之前对其进行预热来达到控制最大表面加热速率的目的。而元件的最高温度取决于在蒸气区内的停留时间，随着时间的延长，Ts逐渐趋近于Tv，加热速度趋近于零。可见部件所能达到的最高温度就是蒸气的温度（215），因此，一般来说，不存在温度过热的问题。 如图4-21所示，印制电路板放置在充满饱和蒸汽的氛围中，蒸汽与表面贴装元件接触时冷凝并放出汽化潜热使钎料膏熔化再流。达到钎焊温度所需的时间，小焊点为56s，大焊点为50s左右。饱和蒸汽同时可起到清洗作用，去除钎剂和钎剂残渣。 图4-21 气相再流焊原理图 第七节第七节 表面组装技术及再流焊方法表面组装技术及

90、再流焊方法气相再流焊的优点是整体加热，溶剂蒸汽可到达每一个角落，热传导均匀，可完成与产品几何形状无关的高质量钎焊；钎焊温度精确，215土3 ，不会发生过热现象。气相焊不需要对输人到焊点或印制板上的热量进行控制，它加热均匀，不管电路板的形状如何，板上元件的温度绝不会超过液体的沸点。因而适合于钎焊各种形状的元件、柔性电路板、引脚和接插等。但气相再流焊的主要传热方式为热传导，因金属传热比塑料速度高，所以引脚先热，焊盘后热，这就容易产生“上吸锡”现象。小型元件（如电阻、电容元件）由于升温速度快（可达到40S），两端引线很难同时达到钎焊温度，先熔化一端所形成的表面张力差将导致所谓 “墓碑”现象。气相再流

91、焊温度不能控制，所以预热必须由其他方法（通常为红外辐射）完成。另一缺点是溶剂价格昂贵，生产成本较高；如果操作不当，溶剂经加热分解会产生有毒的氟化氢和异丁烯气体。 第七节第七节 表面组装技术及再流焊方法表面组装技术及再流焊方法三、红外再流软钎焊三、红外再流软钎焊红外再流焊是利用红外线辐射能加热实现表面贴装元件与印制电路板之间连接的软钎焊方法，也是目前应用最广泛的SMT焊接工艺，红外线辐射能直接穿透到钎料合金内部被分子结构所吸收，吸收能量引起局部温度增高，导致钎料合金熔化再流，图4-22是红外再流焊的基本原理示意图。 图4-22 红外再流焊的基本原理示意图第七节第七节 表面组装技术及再流焊方法表面

92、组装技术及再流焊方法再流焊的钎焊质量主要取决于是否能实现所有焊点的均匀加热，因此钎焊温度工艺参数起着至关重要的作用。红外再流焊的温度工艺参数分为四个阶段（图4-23):预热升温阶段预热升温阶段。钎料膏中的溶剂在此阶段得到挥发。如果预热阶段温度上升过快，将导致两个主要问题，一是溶剂挥发过快带动钎料合金粉末飞溅到印刷电路板上，形成钎料球缺陷：二是钎料图4-23红外再流焊的温度工艺参数预热保温阶段预热保温阶段。在此阶段温度缓慢上升，主要目的是激活钎剂和促使印刷电路板上的温度均匀分布。绝大多数软钎剂的活性温度为145，因此这一阶段的温度一般为150，最大不超过180。就保温时间而言，如果太短，将导致冷

93、焊（cold joint）和墓碑现象（tomb stone）等缺陷；如果太长，钎剂的助焊性能在再流焊之前就被浪费了。典型的预热保温时间为l3min 膏粘度变化过快导致钎料膏坍塌，形成桥连缺陷。典型的预热升温速率为12/s，最大不超过4S。第七节第七节 表面组装技术及再流焊方法表面组装技术及再流焊方法再流阶段再流阶段。此阶段温度高于钎料合金熔点，钎料熔化并与待结合面金属发生溶解-扩散反应而形成焊点。就再流温度而言，为避免焊点界面处的金属间化合物层过厚，理想的钎焊温度为超过钎料合金熔点3040。温度过高会带来一系列问题，如焊点表面氧化、印刷电路板分层且电性能改变、钎剂焦化等。再流保温时间（温度在钎

94、料合金熔点之上的时间）一般为3090s，最好控制在60s以下，温度梯度应在253 /S左右。再流保温时间过短将导致润湿不良，而时间过长，将导致焊点界面金属间化合物层过厚而降低焊点可靠性。 冷却阶段冷却阶段，焊点凝固，最终实现固态连接，焊点凝固，最终实现固态连接。冷却速率对最终的焊点强度有重要影响。从焊点的强度角度来讲，冷却速度越快，其金属学组织越细化，焊点强度越高；同时，冷却速度增加还可以抑制界面金属间化合物的生长。但是可能的冷却速度要考虑到元器件自身对温度冲击的承受能力，一般而言，冷却速率应控制在 34/S。 第七节第七节 表面组装技术及再流焊方法表面组装技术及再流焊方法红外再流焊一般采用隧

95、道加热炉，适用于流水线大批量生产。其缺点是表面贴装元件因表面颜色的深浅、材料的差异及与热源距离的远近，所吸收的热量也会有所不同；体积大的表面贴装元件会对小型元件造成阴影，使之受热不足而降低钎焊质量，如PLCC器件引线位于壳体的下面，由于壳体对红外辐射的遮蔽作用，钎料达不到熔化温度，无法用红外再流焊的方法钎焊，加热区间的温度设定难以兼顾所有表面贴装元件的要求。 图4-24为典型的红外再流焊机示意图。这类设备一般有8-20个可以独立控制的热辐射板，每个板内装有监测温度的热电偶。红外辐射板从顶部和（或）底部对放在传送带上行进中的印制板加热钎焊。为了去除钎料膏中的易挥发成分，需要对印制板逐渐加热，经过

96、适当的预热时间之后，再使其升高到软钎焊所需要的再流温度，然后再冷却下来，完成整个软钎过程。 图4-24 用于SMT的红外再流焊软钎焊系统示意图第七节第七节 表面组装技术及再流焊方法表面组装技术及再流焊方法近红外系统同样可以用于再流焊,其加热速度较快，这时可以使钎料膏迅速固化，这样可以避免因“表皮”先固化结壳时可能产生的“爆炸”现象，因而可以使钎料膏的溅散和焊珠都明显减少。但近红外系统存在着色彩灵敏度和阴影效应的问题。即由于元器件和封装材料的颜色不同，造成对短红外线的吸收程度不同，因而使各元件受热不均匀。并且印制板上被遮挡的部分，由于未能接受红外辐射，因而温度更低，严重时会直接影响到软钎焊质量。

97、中等波长的红外辐射在整个色谱上的吸收率是均匀的，并且当对流作为主要的加热热量来源时，遮挡效应也可以避免。因此，人们更喜欢采用这类对流红外式的再流焊系统，尤其是产品种类变化较大时，这一系统更为方便。 第七节第七节 表面组装技术及再流焊方法表面组装技术及再流焊方法四、四、热风再流再流焊（hot air reflow soldering）热风再流焊是利用受热空气的热传导实现表面贴装元件与印制电路板之间焊接的软钎焊方法。其热源为加热器的辐射热，受热空气在鼓风机等的驱动下在再流焊炉中对流，并实现热量传递。与红外再流焊相比，热风再流焊可实现更为均匀的加热。目前商品化的再流焊设备实际上多采用红外与热风相结合

98、的加热方式。 五、激光再流焊（五、激光再流焊（laser reflow Solderinglaser reflow Soldering）与自发辐射的普通光源不同，激光是光的受激辐射，因而，激光具有方向性好，相干性好和亮度高的特点。利用激光作为热源的特点之一是高密度的能量在短时间内可以使被加热材料在很小的范围内达到所需要的温度。当激光光束照射到材料表面时，一部分被材料表面反射，其余部分进人材料内部被吸收。吸收的这部分能量转化为材料晶格的热振动，使其温度升高。如果照射到材料表面的激光功率密度为q0，则材料内部距离表面为x处的功率密度q(X)可由下式确定： q(x) = q0(1-R)exp(-ax

99、) （4-3） 式中, R-材料对激光的反射率； a-材料的吸收系数 第七节第七节 表面组装技术及再流焊方法表面组装技术及再流焊方法对于金属材料来说，由于吸收系数很大，因而趋肤深度很小因而可将激光作为表面热源来考虑，即激光能量在材料表面转化为热量，然后通过热传导对材料进行加热。可用于焊接的激光器有CO2气体激光器和YAG-Nd（钇铝石榴石一钕）固体激光器。由于CO2气体激光器可以产生较大功率（如几千瓦），因而多用于激光熔化焊，而对于软钎焊过程来说，由于被连接对象的尺寸很小，并且钎料对YAG-Nd激光能量的吸收率要大于对CO2激光能量的吸收率，加热效率高，并且不易损坏基板和元件，因而激光软钎焊采

100、用的更多的是YAG-Nd激光器。 第七节第七节 表面组装技术及再流焊方法表面组装技术及再流焊方法激光软钎焊系统一般由微机控制系统，YAG固体激光器，光导纤维传输与聚集单元，X-y工作平台和外部接口等几部分组成（见图 4-25）。由于激光软钎焊系统的自动化程度比较高，因此其钎焊速度可以达到手工软钎焊的10倍以上，但由于是逐点进行钎焊，因此效率要比气相钎焊，红外钎焊和波峰焊低得多。逐点加热所带来的好处是避免了元器件整体受热，图4-25 激光软钎焊系统因而特别适合于对热敏感的元件，并且逐点加热钎焊方式可以和激光检测系统结合起来，因而可以在钎焊过程进行的同时完成对所有焊点的质量检测，这一点在要求高可靠

101、性的航空、航天、军事产品中显得尤为重要。图4-26给出了激光软钎焊检测系统的详细工作过程。但是由于这类系统的成本过高，因而在民用产品上仍未获得广泛应用。对于民用产品来说，工业界强调的是工艺控制，而非对质量的检验。加热速度快是激光软钎焊系统的又一个优点，由于其再流时间仅300ms左右，因此，在这样短的时间内，不足以在钎料与母材界面处形成金属间化合物，并且快速的冷却使得激光软钎焊焊点具有更好细密的显微组织，因而具有更高的可靠性。 第七节第七节 表面组装技术及再流焊方法表面组装技术及再流焊方法图4-26 激光软钎焊检测系统的详细工作过程第八节第八节 SMTSMT焊点的可靠性问题焊点的可靠性问题 随着

102、SMT技术的发展和在航空、航天、军事等要求高可靠性的高技术领域中的不断推广和应用，其可靠性问题，尤其是热循环失效问题越来越受到重视。所谓热循环失效是指焊点在热循环或功率循环过程中，由于芯片载体材料和基本材料所存在的明显的热膨胀系数的差异所导致的蠕变一疲劳失效。通孔安装（THT）的焊点，依靠其本身的结构特点保证了其机械连接的可靠性，而钎料主要是起电气连接的作用。但对于表面组装焊点来说，由于焊点尺寸小及其结构上的特点，决定了钎料不仅要起到电气连接的作用，同时还起到机械连接的作用。这就对SMT焊点提出了更为严格的要求。通常芯片载体的材料为A12O3陶瓷，其热膨胀系数（CTE）为6.0ppm/。基板材

103、料为环氧玻璃纤维复合板（FR4），其热膨胀系数为20.0ppm，二者相差三倍以上。当环境温度发生变化或元件本身通电发热时，由于二者间热膨胀系数的差异，在焊点的钎料内部产生周期性变化的应力应变过程，从而导致了焊点的失效。 第八节第八节 SMTSMT焊点的可靠性问题焊点的可靠性问题 在 SMT工艺中，软钎料合金，主要是 Sn-Pb合金，将陶瓷芯片载体与树脂印刷电路板连接起来。SMT的工艺特点决定了其焊点既要起到电信号连接的作用，又要起到机械连接的作用。电子组装件通常用于精密仪器中，服役环境的振动、外力等载荷条件较为少见，主要是承受热循环载荷。这一方面来自于电子产品开关等操作造成的功率循环，一方面来

104、自于服役环境的温度循环。由表3-17可以看出，后者的循环温度范围相当大。由于陶瓷芯片载体与树脂基板之间存在热膨系数 （Cofficient of Thermal Expansion，CTE）的不匹配，前者一般为10-6/，后者一般为2010-6/，温度循环将在软钎料合金内部导致热应力-应变循环，同时引发金属学组织的演化。力学和金属学因素的共同作用导致宏观表现为裂纹的萌生与扩展，实质为电信号传输失真的失效现象。这就是SMT焊点可靠性问题的来源。 表4-17 不同服役场合下电子产品的耐热极限和性能要求第八节第八节 SMTSMT焊点的可靠性问题焊点的可靠性问题一、一、 失效机制失效机制研究结果表明，

105、SMT焊点的失效主要有力学和金属学两方面原因。SMT焊点的结构形式决定了一薄层韧性的软钎料合金在变形过程中要受到周围刚性弹性基板的约束，从而在焊点界面处形成较高的应力三轴度，并引发界面空洞损伤失效（见图4-27）。 图4-27 承受-55125温度循环载荷后SMT焊点断口第八节第八节 SMTSMT焊点的可靠性问题焊点的可靠性问题金属学方面，Sn-Pb软钎料合金中的Sn可与印制电路板上的Cu焊盘之间形成金属间化合物Cu6Sn5。和Cu3Sn，这种金属间化合物的形成是实现连接的基础，但其对焊点可靠性又有着负面影响。研究结果表明，随着Cu-Sn金属间化合物层厚度的增加，SMT焊点的热疲劳寿命降低（见

106、表 4-18） 表4-18 不同金属间化合物层厚度SMT焊点的疲劳寿命第八节第八节 SMTSMT焊点的可靠性问题焊点的可靠性问题二、改善途径二、改善途径改善SMT焊点的可靠性，提高其服役寿命是一个非常复杂的问题，它涉及到材料学、力学、新工艺、新技术的开发等众多领域（见图4-28），归纳起来，大体上有以下几个方面: 图4-28 SMT焊点可靠性问题的研究内容第八节第八节 SMTSMT焊点的可靠性问题焊点的可靠性问题1）改善焊点几何结构焊点形态的优化设计。SMT焊点尺寸细小的特点使得焊点几何形状的微小变化将引起其力学性能相当大的变化。在深入研究焊点成形机理的基础上，通过控制钎焊焊接参数，如焊盘尺寸

107、、焊点高度、钎料合金量等，可以获得预期的焊点几何形态。焊点的大小及形状不同，其承载能力也将不同，这是显而易见的，不同的几何结构将使焊点在承载时内部的应力分布不同，其应变程度也不同。因而，焊点的几何结构直接关系到其热循环寿命。 NBrady等人考察了25密尔(1mil=25.4x10-6m）间距的QFPL型形引线焊点形态对强度的影响，得到如下经验公式。 N2.1X10.58X2十6.2X32.6X4十2.1X5 （4-4）其中Xi（i=1，2，3，4，5，）是焊点形态参数，如图3-29所示。研究认为，各形态参数中焊点根部圆角高度（X3)，圆角的曲率半径（X4）和圆角的长度（X5）是影响焊点拉伸强

108、度的重要参数。 第八节第八节 SMTSMT焊点的可靠性问题焊点的可靠性问题图4-29 QFPL型形引线焊点二维形态参数第八节第八节 SMTSMT焊点的可靠性问题焊点的可靠性问题W.M sherry等人对 84I/O非城堡型 LCCC焊点的剪切性能进行了试验研究，结果表明，对于 D、G、B三种焊点形态（见图4-30），其剪切性能不同，B形的焊点在室温下的剪切性能最好。并且焊点形态对剪切破断位置也有影响，对于D形焊点。剪切破断发生于下界而（钎料与陶瓷界面）附近，而对于B形和G形焊点，剪切破断则发生于下界面（钎料与基板界面）附近. 图4-30 非城堡型LCCC焊点的剪切性能 第八节第八节 SMTSM

109、T焊点的可靠性问题焊点的可靠性问题王国忠对带有边堡的无引线 SMT焊点的形态问题进行了详细的理论分析和实验研究，得到了焊盘伸出长度。间隙高度和钎料量变化所造成的焊点形状变化与其热循环寿命的关系，指出平型或微凸型焊点的热循环寿命是最高的，大约是凹型焊点寿命的5倍（见图4-31），并且不同形态的焊点，其断裂所发生的位置也不同（见图4-32）。 图4-31 焊点形状变化与其热循环寿命关系图4-32 焊点热循环失效裂纹扩展路径模式第八节第八节 SMTSMT焊点的可靠性问题焊点的可靠性问题2 2）研制高可靠性软钎料）研制高可靠性软钎料SMT焊点失效是特定载荷条件下钎料的蠕变一疲劳断裂问题，因此钎料的性能

110、对焊点的可靠性有决定性的影响，研制高可靠性的钎料对提高SMT焊点的可靠性、推动SMT的广泛应用无疑具有重要的意义。目前最常用的 SuedPo软钎料的热循环寿命并不高，在经受-55125周期为 1小时的热循环时，大约在100周期后，焊点即告断裂失效。表4-19给出了几种软钎料的焊点热循环寿命与SnP共晶钎料的相对比较结果。可以看出，不同成分的软钎料，其热循环寿命是不同的。Sn-Ag软钎料的热循环寿命很高，但其所带来的问题一是含w（Ag）4使成本提高，二是软钎料熔点升高（232T），不易为现行的各种表面组装工艺所接受，因而应用到了限制。 表4-19 几种软钎料合金的抗疲劳性第八节第八节 SMTSM

111、T焊点的可靠性问题焊点的可靠性问题近期，朱颖等人对用混合稀土改性的60Sn/40Pb钎料进行了深人研究，发现微量ceLa混合稀土的加人就可以起到细化晶粒，强化晶界，提高晶内抗变形能力的作用。改性后的SnPb钎料工艺性能无明显变化，而焊点的热循环寿命则可提高3倍。3 3）开开发CTECTE匹配材料匹配材料基板和芯片载体材料的膨胀系数（CTE）差异是热循环过程中应力产生的主要原因，因此，研制新型的基板和芯片载体材料，使其热膨胀系数相匹配，就可以减小应力的幅值，从而改善焊点的受力状态，并进而提高焊点的可靠性。但CTE匹配后，仍不能完全消除应力差异，因为在功率循环过程中，各处的温度是不同的，温度分布的复杂性，必然导致单纯依靠CTE匹配就不能满足多种要求。此外，这是材料的开发问题已超出了本章的范围，在此不作详细介绍。已经研制开发了42Ni-Fe合金（CTE510-6/）、Cu-因瓦合金-Cu复合材料板（CTE2.81310-6/）等新型基板材料，效果较好，但是由于新型材料制作工艺复杂、价格昂贵，其实用性受到很大限制。 谢谢大家！