錫焊原理與焊點可靠性分析-經(jīng)典ppt課件

1、錫焊原理與焊點可靠性分析,一. 概述 二. 錫焊原理 三. 焊點可靠性分析 四. 關于無鉛焊接機理 五. 錫基焊料特性,內(nèi)容,一. 概述,熔焊 焊接種類 壓焊 釬焊,釬焊,壓焊,熔焊,超聲壓焊 金絲球焊 激光焊,電子裝配的核心連接技術：焊接技術 焊接技術的重要性 焊點是元器件與印制電路板電氣連接和機械連接的連接點。焊點的結(jié)構和強度就決定了電子產(chǎn)品的性能和可靠性,焊接方法（釬焊技術,手工烙鐵焊接 浸焊 波峰焊 回流焊,軟釬焊,焊接學中，把焊接溫度低于450的焊接稱為軟釬焊，所用焊料為軟釬焊料,軟釬焊特點,釬料熔點低于焊件熔點。 加熱到釬料熔化，潤濕焊件。 焊接過程焊件不熔化。 焊接過程需要加焊劑

2、。（清除氧化層） 焊接過程可逆。（解焊,電子焊接是通過熔融的焊料合金與兩個被焊接金屬表面之間生成金屬間合金層（焊縫），從而實現(xiàn)兩個被焊接金屬之間電氣與機械連接的焊接技術,當焊料被加熱到熔點以上，焊接金屬表面在助焊劑的活化作用下，對金屬表面的氧化層和污染物起到清洗作用，同時使金屬表面獲得足夠的激活能。熔融的焊料在經(jīng)過助焊劑凈化的金屬表面上進行浸潤、發(fā)生擴散、溶解、冶金結(jié)合，在焊料和被焊接金屬表面之間生成金屬間結(jié)合層（焊縫），冷卻后使焊料凝固，形成焊點。焊點的抗拉強度與金屬間結(jié)合層的結(jié)構和厚度有關,二. 錫焊原理,錫焊過程焊接過程是焊接金屬表面、助焊劑、熔融焊料和空氣等之間相互作用的復雜過程,表面

3、清潔,焊件加熱,熔錫潤濕,擴散結(jié)合層,冷卻后形成焊點,物理學潤濕、黏度、毛細管現(xiàn)象、熱傳導、擴散、溶解,化學助焊劑分解、氧化、還原、電極電位,冶金學合金、合金層、金相、老化現(xiàn)象,電學電阻、熱電動勢,材料力學強度（拉力、剝離疲勞）、應力集中,焊接過程中焊接金屬表面（母材，以Cu為例）、助焊劑、熔融焊料之間相互作用,1. 助焊劑與母材的反應 （1）松香去除氧化膜松香的主要成分是松香酸，融點為74。170呈活性反應， 300以上無活性。松香酸和Cu2O反應生成松香酸銅。松香酸在常溫下和300以上不能和Cu2O起反應。 （2）溶融鹽去除氧化膜一般采用氯離子Cl-或氟離子F- ，使氧化膜生成氯化物或氟化

4、物。 （3）母材被溶蝕活性強的助焊劑容易溶蝕母材。 （4）助焊劑中的金屬鹽與母材進行置換反應,2. 助焊劑與焊料的反應 （1）助焊劑中活性劑在加熱時能釋放出的HCl，與SnO起還原反應。 （2）活性劑的活化反應產(chǎn)生激活能，減小界面張力，提高浸潤性。 （3）焊料氧化，產(chǎn)生錫渣。 3.焊料與母材的反應 潤濕、擴散、溶解、冶金結(jié)合，形成結(jié)合層,錫焊原理,1）潤濕 （2）擴散 （3）溶解 （4）冶金結(jié)合，形成結(jié)合層,潤濕角,焊點的最佳潤濕角 Cu-Pb/Sn 1545,當=0時，完全潤濕；當=180時，完全不潤濕,焊料和母材之間的界面 與焊料表面切線之間的夾角,分子運動,1）潤濕,液體在固體表面漫流的

5、物理現(xiàn)象 潤濕是物質(zhì)固有的性質(zhì) 潤濕是焊接的首要條件,潤濕力（ Wa,BSV,CSL,ALV,當固、液、氣三相達到平衡時：BSV= CSL +ALV COS,BSV：固體與氣體之間的界面張力 可以將BSV看作是液體在固體表面漫流的力（潤濕力：Wa） CSL ：固體與液體之間的界面張力 ALV ：液體與氣體之間的界面張力 BSV與CSL的作用力都沿固體表面，但方向相反。 設潤濕力為Wa， 其近似值： 將BSV代入式中,S：固體 L：液體 V：氣體 ：潤濕角,L液體,S固體,Wa BSV+ ALV- CSL,Wa = CSL +ALV COS+ ALV- CSL Wa = ALV（1 + COS

6、）潤濕力關系式,V氣體,從潤濕力關式可以看出：潤濕角越小，潤濕力越大,分子運動,潤濕條件,a）液態(tài)焊料與母材之間有良好的親和力，能互相溶解。 互溶程度取決于：原子半徑和晶體類型。因此潤濕是物質(zhì)固有的性質(zhì)。 （b）液態(tài)焊料與母材表面清潔，無氧化層和其它污染物。 清潔的表面使焊料與母材原子緊密接近，產(chǎn)生引力，稱為潤濕力。 當焊料與被焊金屬之間有氧化層和其它污染物時，妨礙金屬原子自由接近，不能產(chǎn)生潤濕作用。這是形成虛焊的原因之一,分子運動,表面張力,表面張力在不同相共同存在的體系中，由于相界面分子與體相內(nèi)分子之間作用力不同，導致相界面總是趨于最小的現(xiàn)象。 由于液體內(nèi)部分子受到四周分子的作用力是對稱的

7、，作用彼此抵消，合力=0。但是液體表面分子受到液體內(nèi)分子的引力大于大氣分子對它的引力，因此液體表面都有自動縮成最小的趨勢。 熔融焊料在金屬表面也有表面張力現(xiàn)象,大氣,大氣,液體內(nèi)部分子受力合力=0,液體表面分子受液體內(nèi)分子的引力大氣分子引力,分子運動,表面張力與潤濕力,熔融焊料在金屬表面潤濕的程度除了與液態(tài)焊料與母材表面清潔程度有關，還與液態(tài)焊料的表面張力有關。 表面張力與潤濕力的方向相反，不利于潤濕。 表面張力是物質(zhì)的本性，不能消除，但可以改變,分子運動,表面張力在焊接中的作用,回流焊當焊膏達到熔融溫度時，在平衡的表面張力的作用下，會產(chǎn)生自定位效應（self alignment）。表面張力使

8、回流焊工藝對貼裝精度要求比較寬松，比較容易實現(xiàn)高度自動化與高速度。同時也正因為“回流動”及“自定位效應”的特點，回流焊工藝對焊盤設計、元器件標準化有更嚴格的要求。如果表面張力不平衡，焊接后會出現(xiàn)元件位置偏移、吊橋、橋接、等焊接缺陷,波峰焊波峰焊時，由于表面張力與潤濕力的方向相反，因此表面張力是不利于潤濕的因素之一,SMD波峰焊時表面張力造成陰影效應,熔融合金的粘度與表面張力是焊料的重要性能。 優(yōu)良的焊料熔融時應具有低的粘度和表面張力，以增加焊料的流動性及被焊金屬之間的潤濕性。 錫鉛合金的粘度和表面張力與合金的成分密切相關,錫鉛合金配比與表面張力及粘度的關系（280測試,粘度與表面張力,分子運動

9、,焊接中降低表面張力和黏度的措施,提高溫度升溫可以降低黏度和表面張力的作用。 升高溫度可以增加熔融焊料內(nèi)的分子距離，減小焊料內(nèi)分子對表面分子的引力。 適當?shù)慕饘俸辖鸨壤齋n的表面張力很大，增加Pb可以降低表面張力。63Sn/37Pb表面張力明顯減小,表 mn/m 粘 面 度 張 540 力 520 500 T（） 480 10 20 30 40 50 Pb含量% 溫度對黏度的影響 250時Pb含量與表面張力的關系,增加活性劑能有效地降低焊料的表面張力，還可以去掉焊料的表面氧化層。 改善焊接環(huán)境采用氮氣保護焊接可以減少高溫氧化。提高潤濕性,毛細管現(xiàn)象,毛細管現(xiàn)象是液體在狹窄間隙中流動時表現(xiàn)出來的

10、特性。 將兩塊平行的金屬板或細管插入液體中，金屬板內(nèi)側(cè)與外側(cè)的液面高度將有所不同，如果液體能夠潤濕金屬板，則內(nèi)側(cè)的液面將高于外側(cè)的液面，反之，金屬板內(nèi)側(cè)的液面將低于外側(cè)的液面,液體能夠潤濕金屬板,液體不能潤濕金屬板,在熔融焊料中也存在毛細管現(xiàn)象,毛細管現(xiàn)象在焊接中的作用,在軟釬焊過程中，要獲得優(yōu)質(zhì)的釬焊接頭，需要液態(tài)釬料能夠充分流入到兩個焊件的縫隙中。 例如通孔元件在波峰焊、手工焊時，當間隙適當時，毛細作用能夠促進元件孔的“透錫”。 又例如再流焊時，毛細作用能夠促進元件焊端底面與PCB焊盤表面之間液態(tài)焊料的流動,毛細作用液體在毛細管中上升高度的表達式,式中： H毛細管中液柱的高度 液體（焊料）

11、的表面張力 液體（焊料）的密度 g 重力加速度 R 毛細管半徑,2 H = gR,從式中看出液體在毛細管中上升高度： 與表面張力成正比； 與液體的密度、比重成反比； 與毛細管直徑有關,金屬原子以結(jié)晶排列，原子間作用力平衡，保持晶格的形狀和穩(wěn)定。 當金屬與金屬接觸時，界面上晶格紊亂導致部分原子從一個晶格點陣移動到另一個晶格點陣,擴散條件：相互距離（金屬表面清潔，無氧化層和其它雜質(zhì)， 兩塊金屬原子間才會發(fā)生引力） 溫度（在一定溫度下金屬分子才具有動能,2）擴散,四種擴散形式：表面擴散；晶內(nèi)擴散；晶界擴散；選擇擴散,Pb,Sn,表面擴散,向晶粒內(nèi)擴散,分割晶粒擴散,選擇擴散,表面擴散、晶內(nèi)擴散、晶界

12、擴散、選擇擴散示意圖,Cu表面,熔融Sn/Pb焊料側(cè),晶粒,3）溶解,母材表面的Cu分子被熔融的液態(tài)焊料溶解或溶蝕,金屬間結(jié)合層 Cu3Sn和Cu6Sn5,金屬間結(jié)合層 Cu3Sn和Cu6Sn5,放大1,000倍的QFP引腳焊點橫截面圖,以63Sn/37Pb焊料為例， 共晶點為183 焊接后（210-230） 生成金屬間結(jié)合層： Cu6Sn5和Cu3Sn,4）冶金結(jié)合，形成結(jié)合層（金屬間擴散、溶解的結(jié)果,最后冷卻凝固形成焊點,三. 焊點可靠性分析,影響焊點強度的主要因素： （1）金屬間合金層（金屬間結(jié)合層）質(zhì)量與厚度 （2）焊接材料的質(zhì)量 （3）焊料量 （4）PCB設計,當溫度達到210-23

13、0時， Sn向Cu表面擴散，而Pb不擴散。初期生成的Sn-Cu合金為：Cu6Sn5（相）。其中Cu 的重量百分比含量約為40%。 隨著溫度升高和時間延長， Cu 原子滲透（溶解）到Cu6Sn5 中，局部結(jié)構轉(zhuǎn)變?yōu)镃u3Sn（相）， Cu 含量由40%增加到66%。當溫度繼續(xù)升高和時間進一步延長， Sn/Pb焊料中的Sn不斷向Cu表面擴散，在焊料一側(cè)只留下Pb，形成富Pb層。 Cu6Sn5和富Pb層之間的的界面結(jié)合力非常脆弱，當受到溫度、振動等沖擊，就會在焊接界面處發(fā)生裂紋,以63Sn/37Pb焊料與Cu表面焊接為例,1）金屬間合金層（金屬間結(jié)合層）質(zhì)量與厚度,焊縫(結(jié)合層)結(jié)構示意圖,Pb,熔

14、融Sn/Pb焊料側(cè),Cu焊端表面,Cu,Sn,Cu6Sn5,Cu3Sn,富Pb層,焊料直接與Cu生成的合金層,紅色的箭指示的是 Cu3Sn 層,Cu6Sn5與Cu3Sn兩種金屬間結(jié)合層比較,Cu Cu3Sn Cu6Sn5 富Pb層 Sn/Pb,拉伸力 （千lbl/in2,4m時，由于金屬間合金層太厚，使連接處失去彈性，由于金屬間結(jié)合層的結(jié)構疏松、發(fā)脆，也會使強度小,厚度為0.5m時抗拉強度最佳,0.54m時的抗拉強度可接受,0.5m時，由于金屬間 合金層太薄，幾乎沒有強度,金屬間合金層厚度（m,金屬間合金層厚度與抗拉強度的關系,金屬間合金層厚度與抗拉強度的關系,金屬間結(jié)合層的質(zhì)量與厚度與以下因

15、素有關,a)焊料的合金成份和氧化程度 （要求焊膏的合金組分盡量達到共晶或近共晶； 含氧量應小于0.5%，最好控制在80ppm以下） (b) 助焊劑質(zhì)量（凈化表面，提高浸潤性） (c) 被焊接金屬表面的氧化程度（只有在凈化表面，才能發(fā)生化學擴散反應） (d) 焊接溫度和焊接時間,焊點和元件受熱的熱量隨溫度和時間的增加而增加。 金屬間結(jié)合層的厚度與焊接溫度和時間成正比。 例如183以上，但沒有達到210230時在Cu和Sn之間的擴散、溶解，不能生成足夠的金屬間結(jié)合層。只有在220 維持2秒鐘的條件下才能生成良性的結(jié)合層。但焊接溫度更高時，擴散反應率就加速，就會生成過多的惡性金屬間結(jié)合層。焊點變得脆

16、性而多孔,焊接熱量是溫度和時間的函數(shù),運用焊接理論正確設置溫度曲線 才能獲得最好焊點質(zhì)量,Sn-Pb系焊料金相圖,A-B-C線液相線 A-D、C-E線固相線 D-F、E-G線溶解度曲線 D-B-E線共晶點 L區(qū)液體狀態(tài) L+、L+區(qū)二相混合狀態(tài) +區(qū)凝固狀態(tài),2）焊接材料的質(zhì)量,有鉛、無鉛都應選擇共晶或近共晶焊料合金,最佳焊接溫度線,液態(tài),固態(tài),3）與焊料量有關,4）PCB設計,四.關于無鉛焊接原理,1）目前應用最多的無鉛焊料合金 （2）關于Sn-Ag-Cu系焊料的最佳成分 （3）IPC推薦的無鉛焊料 （4）無鉛焊接原理,1）目前應用最多的無鉛焊料合金,目前應用最多的用于再流焊的無鉛焊料是三元

17、共晶或近共晶形式的Sn-Ag-Cu焊料。Sn(34)wt%Ag(0.50.7)wt%Cu是可接受的范圍，其熔點為217左右。 美國采用Sn3.9Agwt%0.6wt%Cu無鉛合金 歐洲采用Sn3.8Agwt%0.7wt%Cu無鉛合金 日本采用Sn3. 0Agwt%0.5wt%Cu無鉛合金 Sn-0.7Cu-Ni焊料合金用于波峰焊。其熔點為227。 手工電烙鐵焊大多采用Sn-Cu、Sn-Ag或Sn-Ag-Cu焊料,2）關于Sn-Ag-Cu系焊料的最佳成分,Sn-Ag-Cu系焊料的最佳成分，日、美、歐之間存在一些微小的差別，日本的無鉛實施在世界上處于領先地位，對無鉛焊料有很深入的研究，他們的研究表

18、明Sn-Ag-Cu焊料中Ag與Sn在221形成共晶板狀的Ag3Sn合金，當Ag含量超過3.2wt%以后（出現(xiàn)過共晶成分）板狀的Ag3Sn合金會粗大化，粗大的板狀Ag3Sn較硬，拉伸強度降低，容易造成疲勞壽命降低，他們的結(jié)論是：“在共晶點附近，成分不能向金屬間化合物方向偏移”，因此選擇使用低Ag的 Sn3Ag0.5Cu,Sn-Ag-Cu無鉛焊料中Ag與Sn在221形成共晶板狀的Ag3Sn合金,板狀的Ag 3Sn較硬，當Ag含量超過3. 2wt%以后（出現(xiàn)過共晶成分）拉伸強度降低，容易造成疲勞壽命降低，因此推薦使用低Ag的 Sn3Ag0.5Cu,結(jié)論：“在共晶點附近，成分不能向金屬間化合物方向偏移

19、,3）IPC推薦的無鉛焊料：Ag含量為3.0wt%的Sn-Ag-Cu焊料,由于Sn95.8Ag3.5Cu0.7無鉛焊料美國已經(jīng)有了專利權；另外由于Ag含量為3.0wt%的焊料沒有專利權；價格相對較便宜；焊點質(zhì)量較好。因此IPC推薦采用Ag含量為3.0wt%（重量百分比）的Sn-Ag-Cu焊料,無鉛焊料合金的熔點,Sn63Pb37與SnAg3.8Cu0.7性能比較,繼續(xù)攻克研究更理想的無鉛焊料,雖然Sn基無鉛合金已經(jīng)被較廣泛的應用，但與Sn63Pb37共晶焊料相比較仍然有以下問題： 熔點高34 表面張力大、潤濕性差 價格高,但IPC認為：無鉛焊料的種類不能很多，要單一標準化，否則對元件、對可靠性

20、會有很大影響。 IPC-A-610D就是以Sn -Ag Cu焊料做的標準,4）無鉛焊接原理,無鉛焊接過程、原理與63Sn-37Pb基本是一樣的。 主要區(qū)別是由于合金成分和助焊劑成分改變了，因此焊接溫度、生成的金屬間結(jié)合層及其結(jié)合層的結(jié)構、強度、可靠性也不同了。 何況有鉛焊接時Pb是不擴散的， Pb在焊縫中只起到填充作用。另外，無鉛焊料中Sn的含量達到95%以上。金屬間結(jié)合層的主要成分還是Cu6Sn5和Cu3Sn 。 當然也不能忽視次要元素也會產(chǎn)生一定的作用,Sn-Ag-Cu系統(tǒng)中Sn與次要元素Ag和Cu之間的冶金反應,在Sn-Ag-Cu三個元素之間有三種可能的二元共晶反應： （a）Ag與Sn在

21、221形成錫基質(zhì)相位的共晶結(jié)構和金屬之間的化合相位(Ag3Sn)。 （b）Cu與Sn在227形成錫基質(zhì)相位的共晶結(jié)構和金屬間的化合相位(Cu6Sn5)。 （c）Ag與Cu在779形成富Ag 相和富Cu 相共晶合金。 但在Sn-Ag-Cu的三種合金固化溫度的測量研究中沒有發(fā)現(xiàn)779相位轉(zhuǎn)變。在溫度動力學上解釋：更適于Ag或Cu與Sn反應，生成Ag3Sn和Cu6Sn5,Sn-Ag-Cu三元合金相圖,液態(tài)時的成分： LSn+Cu6Sn5+Ag3Sn,在平衡狀態(tài)凝固的結(jié)晶是很規(guī)則的形狀 （冷卻速度無限慢時,實際生產(chǎn)條件下是 非平衡狀態(tài)凝固的結(jié)晶,Sn-Ag-Cu合金凝固特性導致無鉛焊點顆粒狀外觀粗糙,

22、非平衡狀態(tài)凝固： Sn先結(jié)晶，以枝晶狀（樹狀）出現(xiàn)，中間夾Cu6Sn5和Ag3Sn,Sn-Ag-Cu焊點金相切片,Sn-Cu合金二元相圖,Sn-Cu的液相線 斜率大 (比Sn/Pb大十幾倍)，液相溫度對成分很敏感。 因此少量成分變化，就會使熔點偏移，造成焊接溫度的變化,熔點隨成分變化而變化,波峰焊時隨著Cu不斷增加， 熔點也不斷提高,液態(tài),固態(tài),最佳焊接溫度線,Sn-Pb系焊料金相圖,Sn-Cu系焊料合金,影響焊接質(zhì)量的主要因素,1) PCB設計 (2) 焊料的質(zhì)量：合金成份及其氧化程度 無論有鉛、無鉛都應選擇共晶或近共晶焊料合金 (3) 助焊劑質(zhì)量 (4) 被焊接金屬表面的氧化程度（元件焊端、PCB焊盤） (5) 工藝：印、貼、焊（正確的 溫度曲線） (6) 設備 (7) 管理,五. 錫基焊料特性,a 浸入液態(tài)焊料中的固體金屬會產(chǎn)生溶解，生產(chǎn)中將這種現(xiàn)象稱之為浸析現(xiàn)象，或“溶蝕”現(xiàn)象，俗稱“被吃”。 b.影響浸析的因素被焊金屬、焊料成