经典：锡焊原理与焊点可靠性分析-经典

锡焊原理与焊点可靠性分析一.概述二.锡焊原理三.焊点可靠性分析四.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回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.锡焊原理锡焊过程——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，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。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。锡焊原理（1）润湿（2）扩散（3）溶解（4）冶金结合，形成结合层润湿角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润湿力（Wa）θBSVCSLALV当固、液、气三相达到平衡时：BSV=CSL+ALVCOSθBSV：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回流焊——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）。表面张力使回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“回流动”及“自定位效应”的特点，回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。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。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。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（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.焊点可靠性分析影响焊点强度的主要因素：（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（4）PCB设计当温度达到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。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CuSnCu6Sn5Cu3Sn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CuCu3SnCu6Sn5富Pb层Sn/Pb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；金属间合金层厚度（μm）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。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（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液态固态（3）与焊料量有关（4）PCB设计四.关于无铅焊接原理（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）无铅焊接原理（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。（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。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”（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。无铅焊料合金的熔点Sn63\Pb37与Sn\Ag3.8\Cu0.7性能比较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。（4）无铅焊接原理无铅焊接过程、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。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：（a）Ag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)。（b）Cu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)。（c）Ag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。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焊点金相切片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Sn-Cu系焊料合金影响焊接质量的主要因素(1)PCB设计(2)焊料的质量：合金成份及其氧化程度无论有铅、无铅都应选择共晶或近共晶焊料合金(3)助焊剂质量(4)被焊接金属表面的氧化程度（元件焊端、PCB焊盘）(5)工艺：印、贴、焊（正确的温度曲线）(6)设备(7)管理五.锡基焊料特性a浸入液态焊料中的固体金属会产生溶解，生产中将这种现象称之为浸析现象，或“溶蚀”现象，俗称“被吃”。b.影响浸析的因素——被焊金属、焊料成分、焊料的温度和流动速度。金、银、铜在焊料中均有较高的溶解速度。温度上升，溶解速度增加；焊料流动速度增加，溶解速度也增加。c.金、银在液态焊料中也有很高溶解能力，在焊接厚膜电路和银-钯合金端电极的片式元件时也会出现“浸析”现象，使用含银焊料可以解决上述问题。d.在生产中应正确调节焊接的时间和温度，特别是在波峰焊中，以避免过量的铜溶于焊料中（PCB焊盘、引脚均为铜）。应经常监测焊料中铜的含量，一旦超标，应及时清除过量的铜锡合金。浸析现象63Sn37Pb合金的热膨胀系数CTE是24.5×10-6，从室温升到183℃，体积会增大1.2%，而从183℃降到室温，体积的收缩却为4%，故锡铅焊料焊点冷却后有时有缩小现象。冷凝收缩现象无铅焊料也有冷凝收缩现象（a）降低熔点。（b）改善机械性能，提高锡铅合金的抗拉强度和剪切强度。（c）降低表面张力，有利于焊料在被焊金属表面上的润湿性。（d）抗氧化，增加焊料的抗氧化性能，减少氧化量。铅在焊料中的作用锡基合金在固态时不易氧化，然而在熔化状态下极易氧化。特别是在机械搅拌下，如在波峰焊料槽中受机械泵搅拌，更加强了氧化物的生成，大部分以锡渣的形式出现在锡槽的表面，严重时会堵塞波峰出口，大量的黑色的SnO粉末的生成会导致焊料性能恶化、变质，严重时整个焊料均会报废。液态锡基焊料的易氧化性无铅波峰焊由于Sn的含量达99%以上，温度提高30℃，液态焊料高温氧化问题严重（a）加入防氧化油（b）使用活性炭类的固体防氧化剂（c）使用防氧化焊料防氧化焊料是在锡铅合金焊料中添加少量的其它金属粉末来实现焊料防氧化性能的提高。目前使用较多的是加入微量稀有金属末改善锡铅焊料的防氧化性能，焊接工艺性如润湿性也不受影响。（d）N2保护。锡基焊料的防氧化个人观点供参考，欢迎讨论