表面組裝焊接機(jī)理實(shí)用教案

1、基本概念 1、潤濕：在焊接過程中，我們把熔融的焊料在被焊金屬表面上形成(xngchng)均勻、平滑、連續(xù)并且付著牢固的合金的過程，稱之為焊料在母材表面的潤濕。 2、潤濕力：在焊接過程中，將由于清潔的熔融焊料與被焊金屬之間接觸而導(dǎo)致潤濕的原子之間相互吸引的力成為潤濕力。 3、焊料的潤濕與潤濕力： 舉例來說，在清潔的玻璃板上滴一滴水，水滴可在玻 璃板上完全鋪開，這時(shí)可以說水對(duì)玻璃板完全潤濕；如果滴的是一滴油，則油滴會(huì)形成(xngchng)一球冠狀，發(fā)生有限鋪開，此時(shí)可以說油滴在玻璃板上能有限潤濕；若滴一滴水銀，則水銀將形成(xngchng)一個(gè)球體在玻璃板上滾動(dòng)，這時(shí)說明水銀對(duì)玻璃不潤濕如圖4-2

2、所示。 第1頁/共16頁第一頁，共17頁。表面張力(biominzhngl)定義：作用于液體表面,促使液體表面收縮的力叫做表面張力。1、表面張力與潤濕力 在焊接過程中,焊料的表面張力是一個(gè)不利于焊接的重要因素,但是,因?yàn)楸砻鎻埩κ俏锢淼奶匦?只能改變(gibin)它,不能取消它,在SMT焊接過程中,降低焊料表面張力可以提高焊料的潤濕力，減小表面張力的方法。下面以錫鉛焊料為例,說明減小表面張力的方法： 1) 表面張力一般會(huì)隨著溫度的升高而降低，因此可以通過提高溫度的方法來降低表面張力。 2) 改善焊料合金成分(如錫鉛焊料隨鉛的含量增加表面張力降低)。 3) 增加活性劑,可以去除焊料的表面氧化層,

3、并有效地減小焊料的表面張力。 4) 采用保護(hù)氣體,降低表面張力。介質(zhì)不同,焊料表面張力不同，采用在氮?dú)夥諊羞M(jìn)行焊接，就是基于這個(gè)理論依據(jù)。 第2頁/共16頁第二頁，共17頁。 焊接(hnji)時(shí)，液態(tài)焊料對(duì)固態(tài)母材的潤濕是最基本的過程。因此，要獲得優(yōu)質(zhì)的焊接(hnji)接頭，就必須保證液態(tài)焊料能良好地潤濕母材，只有這樣，釬料才能順利填充釬縫間隙，所以，一般情況下希望液態(tài)焊料在母材上的接觸角要小于20，SMT焊接(hnji)要求小于30。 第3頁/共16頁第三頁，共17頁。3、潤濕(rn sh)條件 （1）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

4、濕(rn sh)是物質(zhì)固有的性質(zhì)。 （2）液態(tài)焊料與母材表面應(yīng)當(dāng)保持清潔，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(rn sh)力。當(dāng)焊料與被焊金屬之間有氧化層和其它污染物時(shí)，妨礙金屬原子自由接近，不能產(chǎn)生潤濕(rn sh)作用。這是形成虛焊的原因之一。第4頁/共16頁第四頁，共17頁。4、潤濕程度(chngd)的目測(cè)評(píng)估： （1) 潤濕良好：指在焊接面上留有一層均勻、連續(xù)、光滑、無裂痕、付著好的焊料，此時(shí)潤濕角小于30度。通過切片觀察，則在結(jié)合面上形成均勻的金屬面化合物，并且沒有氣泡。 （2) 部分潤濕：金屬表面一些地方(dfng)被焊料潤濕，另一些地方(d

5、fng)表現(xiàn)不潤濕。在潤濕區(qū)的邊緣上，潤濕角明顯偏大。 （3) 弱潤濕：表面起初被潤濕，但過后焊料從部分表面濃縮成液滴。 （4) 不潤濕：焊料在焊料面未能形成有效鋪展，甚至在外力作用下，焊料仍可去除。第5頁/共16頁第五頁，共17頁。9、毛細(xì)作用(zuyng)： 把直徑很小的管子插入(ch r)液體中液體會(huì)自動(dòng)沿著管子上升到高于液面一定高度，但也可能會(huì)下降到比原來的液面低，這種現(xiàn)象稱為毛細(xì)管現(xiàn)象，如圖4-6和圖4-7所示。毛細(xì)管現(xiàn)象是液體在狹窄間隙中流動(dòng)時(shí)所表現(xiàn)出來的固有特性。第6頁/共16頁第六頁，共17頁。潤濕(rn sh)曲線 潤濕曲線是用來表征(bio zhn)元器件引腳可焊性的一條曲

6、線，是一條合力、時(shí)間關(guān)系曲線如圖4-8所示 第7頁/共16頁第七頁，共17頁。 潤濕曲線表現(xiàn)的是在實(shí)驗(yàn)各個(gè)階段器件引腳/焊端和熔融(rngrng)釬料界面的力和潤濕情況，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的圖形和標(biāo)準(zhǔn)中的要求進(jìn)行對(duì)比就可以判斷器件是否潤濕良好。 第8頁/共16頁第八頁，共17頁。焊接(hnji)機(jī)理 釬焊的本質(zhì)就是固體金屬表面被某種熔化合金浸潤或叫潤濕。這種現(xiàn)象可用物理(wl)定律來表示。如用自由能來解釋熔化合金的浸潤現(xiàn)象。 FUTS 式中：F是自由能，U是內(nèi)能，S是熵（物理(wl)學(xué)上指熱能除以溫度所得的商，標(biāo)志熱量轉(zhuǎn)化為功的程度），T是溫度。 第9頁/共16頁第九頁，共17頁。 F與U和S兩種因

7、素有關(guān)，即與內(nèi)能和熵的改變有關(guān)。當(dāng)固體與液體接觸時(shí)，如果自由能F減少，即F是負(fù)值，則表明整個(gè)系統(tǒng)將發(fā)生反應(yīng)，即焊料的原子與固體的原子接觸，引起了位能的變化，如果固體原子吸引焊料，熱量被釋放出來，U是負(fù)值。F的符號(hào)最終決定于U的大小和符號(hào)，它控制著浸潤是否能夠發(fā)生。若在基體金屬和焊料之間產(chǎn)生反應(yīng)，這就表明有良好(lingho)的浸潤性和粘附性。如果固體金屬不吸引焊料，U是正值。這時(shí)，增加TS值的外部熱能，能對(duì)浸潤起誘發(fā)作用。在焊接加溫時(shí)，表面可能被浸潤，在冷卻時(shí)，焊料趨于凝固。 第10頁/共16頁第十頁，共17頁。釬料焊接機(jī)理可從以下幾個(gè)方面(fngmin)來解釋： 1、要實(shí)現(xiàn)焊料的釬料焊接，首

8、先要產(chǎn)生漫流，漫流又稱為鋪展，通常低表面能的材料在高表面能的材料上漫流。漫流過程就是整個(gè)系統(tǒng)的表面自由能減小的過程。一個(gè)系統(tǒng)兩個(gè)元件自由能相同時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生漫流。在電子組裝中采用錫鉛焊，一般(ybn)都是液相的錫鉛焊料在固體表面上的漫流。 2、其次要產(chǎn)生浸潤，軟釬焊的第一個(gè)條件，就是已熔化的焊料在要連接的固體金屬的表面上充分漫流以后，使之熔合一體，即潤濕。 粗看起來，金屬表面是很光滑的。但是，若用顯微鏡放大看，就能看到無數(shù)凹凸不平，晶粒界面和劃痕等，熔化的焊料沒著這種凹凸與傷痕，就產(chǎn)生毛細(xì)作用，引起漫流浸潤。 第11頁/共16頁第十一頁，共17頁。 3、擴(kuò)散：在軟釬焊中與浸潤現(xiàn)象同時(shí)產(chǎn)生的，還有

9、焊料對(duì)固體金屬的擴(kuò)散現(xiàn)象。由于這種擴(kuò)散，在固體金屬和焊料的邊界層，往往形成金屬化合物層（即合金層）。由于金屬原子在晶格點(diǎn)陣中呈熱振動(dòng)狀態(tài)，所以在溫度升高時(shí)，它會(huì)從一個(gè)晶格點(diǎn)陣自由地移動(dòng)到其它晶格點(diǎn)陣，這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散現(xiàn)象。擴(kuò)散速度和擴(kuò)散量取決于溫度和時(shí)間。擴(kuò)散的程度因焊料的成分和母材金屬的種類及不同的加熱溫度而異。通過擴(kuò)散而形成的中間層，會(huì)使結(jié)合部分的物理特性和化學(xué)特性發(fā)生變化，尤其是機(jī)械特性和耐腐蝕性等變化更大。因此，有必要對(duì)擴(kuò)散進(jìn)行充分的研究。從擴(kuò)散的現(xiàn)象上看，擴(kuò)散可分為三類：晶內(nèi)擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散和表面擴(kuò)散。 （1）表面擴(kuò)散：熔化焊料的原子沿著被焊金屬結(jié)晶(jijng)表面的擴(kuò)散叫做表面擴(kuò)散

10、。用錫-鉛系列焊料焊接鐵、銅、銀、鎳等金屬時(shí)，錫在其表面有選擇地?cái)U(kuò)散，由于鉛使表面張力下降，還會(huì)促進(jìn)擴(kuò)散。這種擴(kuò)散屬于表面擴(kuò)散。 第12頁/共16頁第十二頁，共17頁。 （2）晶界擴(kuò)散：這是熔化的焊料原子向固體金屬的晶界擴(kuò)散，液態(tài)金屬原子由于具有較高的動(dòng)能，沿著固體金屬內(nèi)部的晶粒邊界，快速向縱深擴(kuò)展。與異種金屬原子間晶內(nèi)擴(kuò)散相比(xin b)，晶界擴(kuò)散是比較容易發(fā)生的。另外，在溫度比較低的情況下，同后面說到的體擴(kuò)散相比(xin b)，晶界擴(kuò)散容易產(chǎn)生，而且其擴(kuò)散速度也比較快。 用錫-鉛焊料焊銅時(shí)，錫在銅中既有晶界擴(kuò)散，又有體擴(kuò)散。另外，越是晶界多的金屬，即金屬的晶粒越小，越易于結(jié)合，機(jī)械強(qiáng)度也

11、就越高。 第13頁/共16頁第十三頁，共17頁。 （3）晶內(nèi)擴(kuò)散：熔化焊料擴(kuò)散到母材內(nèi)部的晶粒中去的過程叫做晶內(nèi)擴(kuò)散。由于晶界之間的能量起伏，因此這個(gè)擴(kuò)散階段，可形成不同成分的合金（尤其是在使用無鉛焊料時(shí)），沿不同的結(jié)晶方向(fngxing)，擴(kuò)散程度不同。由于擴(kuò)散，母材內(nèi)部生成各種組成的合金。在某些情況下，如焊料的擴(kuò)散超過母材允許的固溶度，就會(huì)產(chǎn)生象銅和錫共存的那種晶格變化，使晶粒分開，形成新晶粒。這種擴(kuò)散是在銅及黃銅等金屬被加熱到較高溫度時(shí)發(fā)生的。 （4）選擇擴(kuò)散：當(dāng)選用二種以上的金屬元素組成的焊料焊接時(shí)，其中某一金屬元素先擴(kuò)散，或者只有某一金屬元素?cái)U(kuò)散，其它金屬元素根本不擴(kuò)散，這種擴(kuò)散叫做選擇擴(kuò)散。如當(dāng)用錫-鉛焊料焊接某一金屬時(shí)，焊料成分中的錫向固體金屬中擴(kuò)散，而鉛不擴(kuò)散，這就是選擇擴(kuò)散。因此在合金層靠焊料一側(cè)，在顯微鏡下觀察金相，可看到一層薄薄的黑色帶狀，這就是富鉛層，如圖4-9所示。第14頁/共16頁第十四頁，共17頁。圖4-9 界面(jimin)上的富鉛層 第15頁/共16頁第十五頁，共17頁。感謝您的觀看(gunkn)！第16頁/共16頁第十六頁，共17頁。NoImage內(nèi)容(nirng)總結(jié)基本概念。1、潤濕：在焊接過程中，我們把熔融的焊料在被焊金屬表面(biomin)上形成均勻、平滑