波峰焊接基礎技術理論之三虛焊

1、波峰焊接基礎技術理論之三 虛焊現(xiàn)象的發(fā)生及其預防1 虛焊現(xiàn)象及其判據(jù)1.1 虛焊現(xiàn)象 現(xiàn)象1： 表面不潤濕，焊點表面呈粗糙的形狀、光澤性差、潤濕性不好(潤濕角900)，如圖1所示。此時釬料和基體金屬界面之間為一層不可焊的薄膜所阻檔，界面層上未能發(fā)生所期望的冶金反應(形成適當厚度的合金層Cu6Sn5+ Cu3Sn )。 這是一種顯形的虛焊現(xiàn)象，從外觀上就能判斷?，F(xiàn)象2： 表面潤濕，但釬料和基體金屬界面未發(fā)生冶金反應(未形成適當厚度的合金層Cu6Sn5+Cu3Sn )，如圖2所示。它是一種穩(wěn)形的虛焊現(xiàn)象，外觀不易判斷，因而危害極大。 1.2 虛焊的判據(jù) 上面所表述的兩種不同的虛焊現(xiàn)象，其共同特點都

2、是結合界面未發(fā)生冶金反應，未形成合適厚度(1.53.5)m的合金層。因此，接合界面上是否形成了合適厚度的銅錫合金層就構成了虛焊現(xiàn)象的唯一判據(jù)。此時若將焊點撕裂，就可發(fā)現(xiàn)釬料和基體金屬之間相互成犬牙交錯狀的裂痕，即基體金屬上有釬料殘留物，釬料上也有基體金屬的痕跡。相反，若將虛焊點撕裂時，在基體金屬和釬料之間沒有任何相互楔入的殘留物，而是很清楚的相互分開，好似用漿糊粘往的一樣。2 虛焊的形成機理2.1 軟釬接過程中所發(fā)生的物理現(xiàn)象2.2.1 軟釬接接合的物理過程 通過軟釬接，金屬為什么會接合到一起并形成連接強度呢？以常用的錫-鉛合金軟釬料來說，它是通過軟釬料潤濕接合金屬表面，利用擴散作用在界面產(chǎn)生

3、合金層(金屬間化合物)，從而結成一體。以波峰焊接為例，在合適的溫度作用下， 焊點在軟釬接過程中所發(fā)生的物理化學過程，按照發(fā)生的先后可描述如下：2.2.2 潤濕作用及Young定理2.2.2.1 潤濕作用 軟釬接過程中接合作用的第一步，是軟釬料借助毛細管現(xiàn)象在接合金屬表面上充分鋪展開，這現(xiàn)象就叫做潤濕。 為使熔融的軟釬料潤濕固體金屬表面，必須具備一定的條件。其條件之一就是被焊金屬表面必須是潔凈的。這樣軟釬料與被接合的基體金屬的原子間距離才能接近到原子間力作用的程度。2.2.2.2 潤濕過程中的作用力 作用于原子間的力 在高溫下具有粘性的二相同金屬間，只要在高溫下加上不大的壓力，就可以使它們之間相

4、互緊密貼合。軟釬接時，因為軟釬料處于熔融狀態(tài)，在金屬表面產(chǎn)生潤濕，不需加外力，只要基體金屬表面是潔凈的，就能很容易地達到原子間力作用所需要的距離。 熔融金屬的聚合力及附著力 潤濕是物質(zhì)所具有的聚合力的作用結果，而緊密貼合與表面張力有關。產(chǎn)生表面張力的原因是聚合力。為了分析此問題，我們以在玻璃管中的液體和管壁接觸部位的狀態(tài)來說明，如圖3所示。 在圖3中，液體分子受到對玻璃壁的附著力F f 及液體本身的聚合力F c 的作用(忽略重力作用)，按液面形狀作用于液面分子的外力是垂直于液面的。圖3(左)由于水與玻璃壁之間的附著力大，所以合力F d 的方向是指向玻璃壁內(nèi)的。因此，合力F d 與成直角的液面成

5、為凹面。當出現(xiàn)這種凹面時，因表面張力作用產(chǎn)生收縮力，而使管內(nèi)液面上的壓力減少。然而在同一液面上各點的壓力必然是相等的，所以液面上升。 在軟釬接中，潤濕和熔融釬料的聚合力及基體金屬的附著力有關，聚合力越弱，即固體面與液體原子的附著力比液面原子聚合力越大，越易產(chǎn)生毛細管現(xiàn)象。 由此可知，為實現(xiàn)軟釬接，首先要產(chǎn)生潤濕，由于潤濕，當軟釬料與基體金屬的原子間距離非常接近時，原子的聚合力即發(fā)生作用，使軟釬料與基體金屬合并為一體，完成了接合。 表面張力 表面張力是在液體的表面分子因受聚合力的作用而被拉向液體內(nèi)部，成為表面面積最小時所發(fā)生的。在液體內(nèi)部的每個分子，被其它分子所包圍，受力狀態(tài)是平衡的。而液面的分

6、子，因其上部存在著不同的相，而這個相的分子密度小，因而受到垂直于液面并指向液體內(nèi)部的力。因此，在液體表面產(chǎn)生結膜現(xiàn)象，使表面面積收縮為最小(球形)。這種力就是表面自由能，該力稱為表面強力。 毛細管現(xiàn)象 在潔凈的固體金屬表面上，放置熔融狀態(tài)的潔凈釬料，釬料液體就會在固體金屬表面擴展并潤濕固體金屬。這一現(xiàn)象是液態(tài)釬料在固體金屬表面的細小凹凸間隙中，借助于毛細管現(xiàn)象，向四方擴展而引起的。 2.2.2.3 Young 定理 液態(tài)釬料在固體金屬表面的潤濕過程，則產(chǎn)生下述自由能，如圖5所示。 圖5中： F SF ：固體金屬與助焊劑之間的界面張力(自由能)； F LS ：液態(tài)釬料與固體金屬之間的界面張力(自

7、由能)； F LF ：液態(tài)釬料與助焊劑之間的界面張力(自由能)； ：接觸角； cos：潤濕系數(shù)。 這些自由能之間的關系可以用Young定理來描述，即： PSF=PLS+PLFcos ( 1 ) 設附著功為Wa ，其近似值可用下式表示： Wa=PSF+PLFPLS ( 2 ) 由式( 1 )和式 ( 2 )可得到： Wa = PLSPLF cos+PLF PLS PLF ( cos 1 ) ( 3 ) 圖5中的“A”點上三個矢量的平衡狀態(tài)，表示了表面能的平衡，PLF 是作用于與液體曲面相切方向的液體的表面張力，也就是使液態(tài)釬料表面積為最小的力。為1800時，為完全不潤濕狀態(tài)，而為00 時，為完全

8、潤濕。在工業(yè)批生產(chǎn)中可作如下分級： 00 300 潤濕優(yōu)良 300 400 潤濕良好 400 550 潤濕可接受 550 700 潤濕不良2.2.3 擴散作用及Fick定理2.2.3.1 擴散作用 在接合過程中，在發(fā)生潤濕現(xiàn)象后立即伴有擴散作用，因而形成了界面層或合金層。因晶格中金屬原子不斷地進行著熱振動，當溫度達到足夠高時，就從一個晶格向其它晶格自由移動，這現(xiàn)象稱為擴散。移動的速度及數(shù)量與溫度和時間有關。 擴散隨釬料、固體金屬的種類及溫度等的不同而各異，由擴散而形成的中間層，對接合部的物理、化學性能，特別是機械性能、抗蝕性能有很大的影響。 軟釬接中，釬料在基體金屬的晶粒中的擴散稱體擴散，擴散

9、到基體金屬內(nèi)部晶粒中的Sn可產(chǎn)生不同組分的界面合金層，如圖6所示。 2.2.3.2 金屬間化合物 軟釬接是依靠在接合界面上生成合金層而形成連接強度的。這種合金層通常是一種金屬間化合物。這種以合金的金屬成分按原子量的比例結合的化合物，叫做金屬間化合物。 當用Sn/Pb系釬料焊接銅時，釬料中的Sn向銅中擴散而產(chǎn)生Cu-Sn-Cu的結合，這種結合與接合有關。在普通溫度下生成Cu3Sn(相)(基體金屬側)、Cu6Sn5(相)(釬料側)，而在300以上時則將出現(xiàn)Cu31Sn8(相)以及其它結構不明的合金。 金屬間化合物是一種硬度高而脆性大的合金相。銅與錫的化學親合力很強，因此，在釬接界面上銅與錫形成的金

10、屬間化合物生長很快，據(jù)有關資料介紹，純錫在265液態(tài)下與銅生成的金屬間化合物層，一分鐘就能達到1.25m的厚度。2.2.3.3 Fick定律 Fick定律描述了在軟釬料過程中擴散現(xiàn)象發(fā)生的規(guī)律： dmDS dt ( 4 ) 式中：dm 釬料組分的擴散量； D 擴散系數(shù)； S 擴散面積； 沿擴散方向擴散組分的濃度梯度； dt 擴散時間。 由公式( 4 )可知，擴散數(shù)量與濃度梯度、擴散系數(shù)、擴散面積、和擴散時間有關。公式中的負號表示擴散是由高濃度向低濃度方向進行，當釬料中某些組分的含量比被焊金屬高時，由于存在濃度梯度，就會發(fā)生該組分向被焊金屬中擴散。一般固態(tài)金屬在液相中的擴散系數(shù)約在10-5g /

11、cm2 sec數(shù)量級。 所以被焊金屬在液態(tài)釬料中的擴散速度比液態(tài)釬料在固體的被焊金屬中的擴散速度要大的多。 液態(tài)釬料向被焊的固態(tài)金屬中擴散常見的形式為：液態(tài)釬料沿被焊金屬表面 、結晶內(nèi)部以及晶界等方式進行。對于用錫-鉛釬料釬接銅時多發(fā)生沿表面和晶內(nèi)的擴散方式，如圖7所示。 用Sn/Pb系釬料焊接銅時，錫和銅能形成合金，而鉛不與銅形成合金。因此，只有Sn以一定速度擴散到基體金屬銅中去，而鉛不進行擴散(原地不動)。這種只有Sn擴散的現(xiàn)象叫選擇擴散，如圖8所示。 出現(xiàn)選擇擴散時，當靠近銅的Sn擴散到銅內(nèi)后，距銅較遠的Sn原子則由于Pb原子的阻擋減慢了擴散速度。經(jīng)過一定時間后在靠銅的附近會形成富鉛層。

12、出現(xiàn)鉛偏析現(xiàn)象時，往往使接合界面的性質(zhì)發(fā)生種種變化，導致接合強度急劇下降。3 虛焊現(xiàn)象發(fā)生的條件3.1 虛焊現(xiàn)象1 的發(fā)生條件 虛焊現(xiàn)象1的特征是：既未發(fā)生潤濕又未發(fā)生擴散，好似用漿糊粘住似的，這種接頭不能叫釬接，只能叫粘可焊性差甚至不可焊。其形因不外乎是： 外部原因 外購PCB、元器件等可焊性不合格，進入公司庫房前未進行嚴格的入庫驗收試驗； 庫存環(huán)境不良，庫存期大長 由于儲存環(huán)境和儲存期限與保持PCB和元器件良好的可焊性有著密切的關系。因此，PCB和元器件的存儲環(huán)境必須具備恒溫、恒濕、空氣質(zhì)量 好，無腐蝕性氣體(如硫、氯等) 和無油污的環(huán)境中儲存。否則會導致可焊性劣化。 多數(shù)助焊劑只能除掉銹

13、和氧化膜，而不能去除油脂那樣的有機薄膜。如果元器件和PCB在儲存過程中，PCB和元器件上沾上了油脂等污染物后，會產(chǎn)生錫、鉛的偏析和針孔，降低焊接強度。也容易在鉛的偏析和釬料界面上產(chǎn)生裂紋，從外現(xiàn)看并無異常，但卻是潛伏著影響可靠性的因素。 儲存期的長短應視地區(qū)(例如南方、北方)和當?shù)氐目諝赓|(zhì)量而定，一般希望庫存期愈短愈好。例如PCB在大氣中放置一個月后，可焊性明顯變差且容易附著氣泡(吸潮)，如圖9所示。特別是在拆除真空封裝狀態(tài)上線插件后，在濕熱或空氣污染厲害的地區(qū)在流水線上滯留時間最好不要超過24小時就完成焊接工序。3.2 虛焊現(xiàn)象2的發(fā)生條件3.2.1 虛焊現(xiàn)象 2形成 的物理過程 虛焊現(xiàn)象2

14、 的特征是：發(fā)生了潤濕但未發(fā)生擴散，它表明了PCB及元器件的可焊性不存在問題，出現(xiàn)此現(xiàn)象的根本原因是焊接的工藝條件選擇不合適。 我們知道軟釬接過程中原子的擴散現(xiàn)象是雙向的，即： 被焊金屬(基體金屬)向釬料中的擴散 被焊金屬在釬料中的溶解條件是：釬料和被焊金屬在液態(tài)下能夠互溶，則在釬接過程中被焊金屬就能溶于液態(tài)釬料。被焊金屬在液態(tài)釬料中的溶解量可用下式表示： Gy Cy ( 1 - e ) ( 5 ) 式中： G 被焊金屬的溶解量； y 液態(tài)釬料密度； Cy 被焊金屬在液態(tài)釬料中的極限溶解度； Vy 液態(tài)釬料的體積； a 被焊金屬原子在液態(tài)釬料中的擴解系數(shù)； t 接觸時間；接。形成虛焊現(xiàn)象1的根

15、本原因就是基體金屬表面不潔凈，表面氧化或者被臟物、油脂、手汗?jié)n等污染而導致表面可 s 液相和固相的接觸面積。 由公式( 5 )可以看出：隨著釬接溫度的提高和釬接保溫時間的延長， 被焊金屬在液態(tài)釬料中的溶解量都會增多。溫度對溶解量的影響，主要反映在式( 5 )中溶解度系數(shù) a 的增大上，如圖10所示。 若釬料與被焊金屬能形成金屬間化合物時，由于金屬間化合物的出現(xiàn)，阻礙了被焊金屬向釬料中的溶解速度。在化合物形成的溫度曲線上表現(xiàn)出溶解速度有所下降，如圖11所示。 被焊金屬向釬料中擴散過程，由于被焊金屬元素溶于釬料中，與釬料成分起合金化作用。因而使得釬接接頭性能提高了，例如Sn的抗拉強度b =1.5k

16、g / mm2，而形成銅、錫合金層后的接頭抗拉強度提高到b = 5.7kg / mm2。 當然被焊金屬溶于釬料的量不適當(偏多)時，也是帶來使釬料熔點提高、流動性變差、被焊金屬出現(xiàn)溶蝕等不良后果的原因。 釬料組分向被焊金屬中擴散 由Fick定理可知：在一定的溫度下，釬料組分中的Sn向被焊金屬中的擴散量也是與加熱的時間成正比的，它表明了適宜的合金層的形成是需要時間的。 因此焊接溫度偏低，焊接時間偏短是造成虛焊現(xiàn)象2發(fā)生的主要原因。3.2.2 波峰焊接中如何控制合金化過程 波峰焊接中PCB通過波峰時其熱作用過程大致可分為三個區(qū)域，如圖12所示。 助焊劑潤濕區(qū) 被覆在PCB板面上的助焊劑，經(jīng)過預熱區(qū)

17、的預熱，一接觸釬料波峰后溫度驟升，助焊劑迅速在基體金屬表面上潤濕、漫延。受溫度的劇烈激活，釋放出最大的化學活性迅速凈化被焊金屬表面。此過程大約只需0.1秒的時間即可完成。 釬料潤濕區(qū) 經(jīng)過助焊劑凈化的基體表面，在基體金屬表面吸附力的作用下和助焊劑的拖動下，迅速在基體金屬表面上漫流開來。一旦達到釬料的潤濕溫度后，潤濕過程便立即發(fā)生。此過程通常只需10-3 sec即可完成。 合金層形成區(qū) 釬料在基體金屬上發(fā)生潤濕后，擴散過程便緊隨其后發(fā)生。由于生成最適宜厚度的合金層(3.5m左右)需要經(jīng)歷一段時間過程。因此，潤濕發(fā)生后還必須有足夠的保溫時間，以獲得所需要厚度的的合金層。通常該時間為(25)sec。

18、保溫時間之所以要取一個范圍，主要是受被焊金屬熱容量的大小而不同。熱容量大的，升溫速率慢，獲得合適厚度的合金層的時間自然就得長一些；而熱容小的，升溫速率快，合金層的生成速度也要快些，因而保溫時間就可以取得短些。對一般元器件來說，該時間優(yōu)選為(34)sec。 4 虛焊的預防4.1 強化對元器件可焊性的管理4.1.1 嚴把外協(xié)、外購件入庫驗收關 必須將可焊性不良的PCB和元器件拒之門外，因此，必須嚴格執(zhí)行入庫驗收手續(xù)： 每批外購元器件到貨后，均必須抽樣怍可焊性試驗，合格后才可正式入庫。對一般元器件的引腳采用彎月面潤濕法測量可焊性時，當釬料槽溫度取250時潤濕時間應0.6sec。經(jīng)過可焊性測試的元器件可以繼續(xù)裝機使用。 每批外協(xié)的PCB到貨后應任意抽取三塊采用波峰法作可焊性測試，合格后才能接收。由于經(jīng)過可焊性試驗后的PCB不能再使用，因此，每批訂購時必須多加三塊作工藝試驗件。4.1.2 優(yōu)化庫存期的管理 所有PCB和元器件必須在恒溫、恒濕、空氣質(zhì)量 好，無腐蝕性氣體(如硫、氯等) 和無油污的環(huán)境中儲存。 考慮到可焊性的存儲期限， 所有元器件必須實行先入先出的原則，以免造成一部分元器件因庫存期過長而導致可焊性惡化。 儲存期的長短應視地區(qū)(例如南方、北方)和當?shù)氐目諝赓|(zhì)量而定，一般希望庫存期愈短愈好。例如PCB在深圳的濕熱環(huán)境下最好不要超過一個月。在拆除真空封裝