錫焊機(jī)理與焊點(diǎn)可靠性分析

關(guān)于錫焊機(jī)理與焊點(diǎn)可靠性分析內(nèi)容1．錫焊機(jī)理與焊點(diǎn)可靠性分析2．SMT關(guān)鍵工序-再流焊工藝控制3．波峰焊工藝4．無鉛焊接的特點(diǎn)、工藝控制及過渡階段應(yīng)注意的問題5．無鉛生產(chǎn)物料管理6．焊點(diǎn)質(zhì)量評(píng)定及IPC-A-610D介紹第2頁,共82頁，2024年2月25日，星期天

錫焊機(jī)理與焊點(diǎn)可靠性分析第3頁,共82頁，2024年2月25日，星期天學(xué)習(xí)、運(yùn)用焊接理論，提高無鉛焊接質(zhì)量焊接是電子制造工藝中的關(guān)鍵工序。SMT的質(zhì)量目標(biāo)是提高直通率。除了要減少肉眼看得見的缺陷外，還要克服虛焊、焊點(diǎn)內(nèi)部應(yīng)力大、內(nèi)部裂紋、界面結(jié)合強(qiáng)度差等肉眼看不見的焊點(diǎn)缺陷。學(xué)習(xí)焊接理論、了解焊接過程，是為了從根本上采取措施，提高電子連接的可靠性。運(yùn)用焊接理論指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，掌握正確的工藝方法，提高無鉛焊接質(zhì)量。第4頁,共82頁，2024年2月25日，星期天⑴產(chǎn)生電子信號(hào)或功率的流動(dòng)⑵產(chǎn)生機(jī)械連接強(qiáng)度焊縫

焊點(diǎn)要求焊接后在焊料與被焊金屬界面生成金屬間合金層（焊縫）第5頁,共82頁，2024年2月25日，星期天一.概述二.錫焊機(jī)理三.焊點(diǎn)強(qiáng)度和連接可靠性分析四.關(guān)于無鉛焊接機(jī)理五.錫基焊料特性內(nèi)容第6頁,共82頁，2024年2月25日，星期天一.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第7頁,共82頁，2024年2月25日，星期天電子裝配的核心——連接技術(shù)：焊接技術(shù)焊接技術(shù)的重要性——焊點(diǎn)是元器件與印制電路板電氣連接和機(jī)械連接的連接點(diǎn)。焊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度就決定了電子產(chǎn)品的性能和可靠性。第8頁,共82頁，2024年2月25日，星期天焊接方法（釬焊技術(shù)）手工烙鐵焊接浸焊波峰焊再流焊第9頁,共82頁，2024年2月25日，星期天軟釬焊

焊接學(xué)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。

第10頁,共82頁，2024年2月25日，星期天軟釬焊特點(diǎn)釬料熔點(diǎn)低于焊件熔點(diǎn)。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。（清除氧化層）焊接過程可逆。（解焊）第11頁,共82頁，2024年2月25日，星期天

電子焊接——是通過熔融的焊料合金與兩個(gè)被焊接金屬表面之間生成金屬間合金層（焊縫），從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)被焊接金屬之間電氣與機(jī)械連接的焊接技術(shù)。第12頁,共82頁，2024年2月25日，星期天

當(dāng)焊料被加熱到熔點(diǎn)以上，焊接金屬表面在助焊劑的活化作用下，對(duì)金屬表面的氧化層和污染物起到清洗作用，同時(shí)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(jìn)行浸潤、發(fā)生擴(kuò)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(diǎn)。焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度與金屬間結(jié)合層的結(jié)構(gòu)和厚度有關(guān)。二.錫焊機(jī)理第13頁,共82頁，2024年2月25日，星期天錫焊過程——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(fù)雜過程表面清潔焊件加熱熔錫潤濕擴(kuò)散結(jié)合層冷卻后形成焊點(diǎn)物理學(xué)——潤濕、黏度、毛細(xì)管現(xiàn)象、熱傳導(dǎo)、擴(kuò)散、溶解化學(xué)——助焊劑分解、氧化、還原、電極電位冶金學(xué)——合金、合金層、金相、老化現(xiàn)象電學(xué)——電阻、熱電動(dòng)勢(shì)材料力學(xué)——強(qiáng)度（拉力、剝離疲勞）、應(yīng)力集中第14頁,共82頁，2024年2月25日，星期天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(yīng)（1）松香去除氧化膜——松香的主要成分是松香酸，融點(diǎn)為74℃。170℃呈活性反應(yīng)，230~250℃轉(zhuǎn)化為不活潑的焦松香酸，300℃以上無活性。松香酸和Cu2O反應(yīng)生成松香酸銅。松香酸在常溫下和300℃以上不能和Cu2O起反應(yīng)。（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物。（3）母材被溶蝕——活性強(qiáng)的助焊劑容易溶蝕母材。（4）助焊劑中的金屬鹽與母材進(jìn)行置換反應(yīng)。第15頁,共82頁，2024年2月25日，星期天2.助焊劑與焊料的反應(yīng)（1）助焊劑中活性劑在加熱時(shí)能釋放出的HCl，與SnO起還原反應(yīng)。（2）活性劑的活化反應(yīng)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(yīng)潤濕、擴(kuò)散、溶解、冶金結(jié)合，形成結(jié)合層。第16頁,共82頁，2024年2月25日，星期天錫焊機(jī)理（1）潤濕（2）擴(kuò)散（3）溶解（4）冶金結(jié)合，形成結(jié)合層第17頁,共82頁，2024年2月25日，星期天潤濕角θ焊點(diǎn)的最佳潤濕角

Cu----Pb/Sn15~45°

當(dāng)θ=0°時(shí)，完全潤濕；當(dāng)θ=180°時(shí)，完全不潤濕；θ=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(yùn)動(dòng)（1）潤濕液體在固體表面漫流的物理現(xiàn)象潤濕是物質(zhì)固有的性質(zhì)潤濕是焊接的首要條件第18頁,共82頁，2024年2月25日，星期天潤濕力（Wa

）θBSVCSLALV當(dāng)固、液、氣三相達(dá)到平衡時(shí)：BSV=CSL+ALVCOSθ

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(shè)潤濕力為Wa，其近似值：將BSV代入式中S：固體L：液體V：氣體θ

：潤濕角L液體S固體Wa≈BSV+ALV-CSLWa=

CSL+ALVCOSθ+ALV-CSLWa

=ALV（1+

COSθ

）——潤濕力關(guān)系式V氣體從潤濕力關(guān)式可以看出：潤濕角θ越小，潤濕力越大第19頁,共82頁，2024年2月25日，星期天分子運(yùn)動(dòng)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?；ト艹潭热Q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(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)生潤濕作用。這是形成虛焊的原因之一。第20頁,共82頁，2024年2月25日，星期天分子運(yùn)動(dòng)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(dǎo)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(duì)稱的，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(duì)它的引力，因此液體表面都有自動(dòng)縮成最小的趨勢(shì)。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＞大氣分子引力第21頁,共82頁，2024年2月25日，星期天分子運(yùn)動(dòng)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(guān)，還與液態(tài)焊料的表面張力有關(guān)。

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。第22頁,共82頁，2024年2月25日，星期天分子運(yùn)動(dòng)表面張力在焊接中的作用

再流焊——當(dāng)焊膏達(dá)到熔融溫度時(shí)，在平衡的表面張力的作用下，會(huì)產(chǎn)生自定位效應(yīng)（selfalignment）。表面張力使再流焊工藝對(duì)貼裝精度要求比較寬松，比較容易實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化與高速度。同時(shí)也正因?yàn)椤霸倭鲃?dòng)”及“自定位效應(yīng)”的特點(diǎn)，再流焊工藝對(duì)焊盤設(shè)計(jì)、元器件標(biāo)準(zhǔn)化有更嚴(yán)格的要求。如果表面張力不平衡，焊接后會(huì)出現(xiàn)元件位置偏移、吊橋、橋接、等焊接缺陷。第23頁,共82頁，2024年2月25日，星期天波峰焊——波峰焊時(shí)，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(shí)表面張力造成陰影效應(yīng)第24頁,共82頁，2024年2月25日，星期天

?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(shí)應(yīng)具有低的粘度和表面張力，以增加焊料的流動(dòng)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(guān)。配比（W%）表面張力(N/cm)粘度（mPa?s)SnPb20804.67×10-32.7230704.7×10-32.4550504.76×10-32.1963374.9×10-31.9780205.14×10-31.92錫鉛合金配比與表面張力及粘度的關(guān)系（280℃測(cè)試）粘度與表面張力第25頁,共82頁，2024年2月25日，星期天分子運(yùn)動(dòng)焊接中降低表面張力和黏度的措施①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(duì)表面分子的引力。②適當(dāng)?shù)慕饘俸辖鸨壤猄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。

η表mn/m

粘面度張540

力520500T（℃）4801020304050Pb含量%

溫度對(duì)黏度的影響250℃時(shí)Pb含量與表面張力的關(guān)系

第26頁,共82頁，2024年2月25日，星期天③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。④改善焊接環(huán)境——采用氮?dú)獗Ｗo(hù)焊接可以減少高溫氧化。提高潤濕性第27頁,共82頁，2024年2月25日，星期天毛細(xì)管現(xiàn)象毛細(xì)管現(xiàn)象是液體在狹窄間隙中流動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出來的特性。將兩塊平行的金屬板或細(xì)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(xì)管現(xiàn)象第28頁,共82頁，2024年2月25日，星期天毛細(xì)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(gè)焊件的縫隙中。例如通孔元件在波峰焊、手工焊時(shí)，當(dāng)間隙適當(dāng)時(shí)，毛細(xì)作用能夠促進(jìn)元件孔的“透錫”。又例如再流焊時(shí)，毛細(xì)作用能夠促進(jìn)元件焊端底面與PCB焊盤表面之間液態(tài)焊料的流動(dòng)。液態(tài)焊料在粗糙的金屬表面也存在毛細(xì)管現(xiàn)象，有利于液態(tài)焊料沿著粗糙凹凸不平的金屬表面鋪展、浸潤，因此毛細(xì)管現(xiàn)象有利于焊接的。第29頁,共82頁，2024年2月25日，星期天毛細(xì)作用—液體在毛細(xì)管中上升高度的表達(dá)式

式中：H—毛細(xì)管中液柱的高度σ—液體（焊料）的表面張力ρ—液體（焊料）的密度g—重力加速度R—毛細(xì)管半徑

2σH=——ρgR從式中看出液體在毛細(xì)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(xì)管直徑有關(guān)。第30頁,共82頁，2024年2月25日，星期天

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(dāng)金屬與金屬接觸時(shí)，界面上晶格紊亂導(dǎo)致部分原子從一個(gè)晶格點(diǎn)陣移動(dòng)到另一個(gè)晶格點(diǎn)陣。擴(kuò)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(huì)發(fā)生引力）

溫度（在一定溫度下金屬分子才具有動(dòng)能）（2）擴(kuò)散四種擴(kuò)散形式：表面擴(kuò)散；晶內(nèi)擴(kuò)散；晶界擴(kuò)散；選擇擴(kuò)散。擴(kuò)散的類型原晶格置換型間隙型第31頁,共82頁，2024年2月25日，星期天PbSn表面擴(kuò)散向晶粒內(nèi)擴(kuò)散分割晶粒擴(kuò)散選擇擴(kuò)散表面擴(kuò)散、晶內(nèi)擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散、選擇擴(kuò)散示意圖Cu表面熔融Sn/Pb焊料側(cè)晶粒第32頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（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。第33頁,共82頁，2024年2月25日，星期天

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(diǎn)橫截面圖以63Sn/37Pb焊料為例，共晶點(diǎn)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(kuò)散、溶解的結(jié)果）最后冷卻凝固形成焊點(diǎn)第34頁,共82頁，2024年2月25日，星期天三.焊點(diǎn)強(qiáng)度和連接可靠性分析評(píng)價(jià)焊點(diǎn)強(qiáng)度、連接可靠性需要進(jìn)行可靠性試驗(yàn)焊點(diǎn)的強(qiáng)度、連接可靠性主要包括兩方面內(nèi)容：機(jī)械可靠性和電氣化學(xué)可靠性。焊點(diǎn)的強(qiáng)度、連接可靠性與釬縫的金相組織結(jié)構(gòu)、結(jié)合層的厚度有關(guān)第35頁,共82頁，2024年2月25日，星期天可靠性試驗(yàn)的主要內(nèi)容(a)機(jī)械可靠性試驗(yàn)：靜電損傷試驗(yàn)；疲勞試驗(yàn)（熱疲勞、機(jī)械疲勞）；沖擊試驗(yàn)（跌落沖擊、震動(dòng)沖擊）。(b)電氣化學(xué)可靠性試驗(yàn)：電（離子）遷移；絕緣電阻；腐蝕試驗(yàn)。第36頁,共82頁，2024年2月25日，星期天評(píng)價(jià)焊點(diǎn)可靠性試驗(yàn)的主要方法溫度循環(huán)；熱沖擊；高溫高濕儲(chǔ)存；潮熱；高壓鍋煮；跌落；振動(dòng)；三點(diǎn)、五點(diǎn)彎曲等。通過可靠性試驗(yàn)后再進(jìn)行以下檢查和測(cè)試：外觀及表面檢查；焊點(diǎn)強(qiáng)度測(cè)試；最后還要做PCBA功能測(cè)試。染色試驗(yàn)；金相切片分析；有關(guān)可靠性與可靠性檢測(cè)也是一門學(xué)科。第37頁,共82頁，2024年2月25日，星期天影響焊點(diǎn)強(qiáng)度和連接可靠性的

主要因素分析（1）釬縫的金相組織（2）金屬間結(jié)合層的厚度（3）焊接材料的質(zhì)量（4）焊料量（5）PCB設(shè)計(jì)第38頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（1）釬縫的金相組織（a）固溶體釬縫組織固溶體組織具有良好的強(qiáng)度和塑性，有利于焊點(diǎn)性能。（b）共晶體釬縫組織一方面是釬料本身含有大量的共晶體組織，另一方面釬料與固體母材能形成共晶體。（c）金屬間化合物釬縫組織冷凝時(shí)在界面析出金屬間化合物。除了溶解、擴(kuò)散形成化合物外，也可能由母材和釬料直接反應(yīng)生成金屬間化合物。釬縫中過多的化合物對(duì)焊點(diǎn)的性能是不利的。因?yàn)榻饘匍g化合物比較脆，與基板材料、焊盤、元器件焊端之間的熱膨脹系數(shù)差別很大，容易產(chǎn)生龜裂造成失效。第39頁,共82頁，2024年2月25日，星期天

當(dāng)溫度達(dá)到210-230℃時(shí)，Sn向Cu表面擴(kuò)散，而Pb不擴(kuò)散。初期生成的Sn-Cu合金為：Cu6Sn5（η相）。其中Cu的重量百分比含量約為40%。隨著溫度升高和時(shí)間延長，Cu原子滲透（溶解）到Cu6Sn5中，局部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)镃u3Sn（ε相），Cu含量由40%增加到66%。當(dāng)溫度繼續(xù)升高和時(shí)間進(jìn)一步延長，Sn/Pb焊料中的Sn不斷向Cu表面擴(kuò)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(dāng)受到溫度、振動(dòng)等沖擊，就會(huì)在焊接界面處發(fā)生裂紋。從擴(kuò)散過程分析釬縫組織（以63Sn/37Pb焊料與Cu表面焊接為例）第40頁,共82頁，2024年2月25日，星期天釬縫(結(jié)合層)結(jié)構(gòu)示意圖Pb熔融Sn/Pb焊料側(cè)Cu焊端表面CuSnCu6Sn5Cu3Sn富Pb層釬縫中的反應(yīng)是非平衡的，幾種反應(yīng)常常會(huì)在釬縫中同時(shí)發(fā)生釬縫主要有固溶體、共晶體和金屬間化合物的混合物組成第41頁,共82頁，2024年2月25日，星期天焊料直接與Cu生成的結(jié)合層紅色的箭指示的是Cu3Sn第42頁,共82頁，2024年2月25日，星期天Cu6Sn5與Cu3Sn兩種金屬間化合物比較名稱分子式形成位置顏色結(jié)晶性質(zhì)η相Cu6Sn5焊料潤濕到Cu時(shí)立即生成Sn與Cu之間的界面白色截面為6邊形實(shí)芯和中空管狀，還有一定量5邊形、三角形、較細(xì)的園形狀、在釬料與Cu界面處有扇狀、珊貝狀良性，強(qiáng)度較高ε相Cu3Sn溫度高、焊接時(shí)間長引起Cu與Cu6Sn5之間灰色骨針狀惡性，強(qiáng)度差，脆性CuCu3SnCu6Sn5富Pb層

Sn/Pb第43頁,共82頁，2024年2月25日，星期天拉伸力（千lbl/in2）

*＞4μm時(shí)，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(gòu)疏松、發(fā)脆，也會(huì)使強(qiáng)度小。*厚度為0.5μm時(shí)抗拉強(qiáng)度最佳；*0.5~4μm時(shí)的抗拉強(qiáng)度可接受；*＜0.5μm時(shí)，由于金屬間合金層太薄，幾乎沒有強(qiáng)度；

金屬間結(jié)合層厚度（μm）金屬間結(jié)合層厚度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系（2）金屬間結(jié)合層的厚度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系IntermetallicCompounds縮寫IMC第44頁,共82頁，2024年2月25日，星期天釬縫厚度厚度究竟為多少最佳？焊接后必須生成結(jié)合層，此結(jié)合層由共晶體、固溶體、金屬間化合物的混合物組成。釬縫中不可能沒有金屬間化合物，但不能太厚。因?yàn)榻饘匍g化合物比較脆，與基板材料、焊盤、元器件焊端之間的熱膨脹系數(shù)差別很大，容易產(chǎn)生龜裂造成失效。

理論界有不同的說法：＜4μm，5μm，8μm？業(yè)界有一點(diǎn)認(rèn)識(shí)非常統(tǒng)一：第45頁,共82頁，2024年2月25日，星期天金屬間結(jié)合層的質(zhì)量與厚度與以下因素有關(guān)：(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(dá)到共晶或近共晶；含氧量應(yīng)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)生擴(kuò)散反應(yīng)）(d)焊接溫度和焊接時(shí)間第46頁,共82頁，2024年2月25日，星期天

焊點(diǎn)和元件受熱的熱量隨溫度和時(shí)間的增加而增加。金屬間結(jié)合層的厚度與焊接溫度和時(shí)間成正比。例如183℃以上，但沒有達(dá)到210~230℃時(shí)在Cu和Sn之間的擴(kuò)散、溶解，不能生成足夠的金屬間結(jié)合層。只有在220℃維持2秒鐘左右的條件下才能生成良性的結(jié)合層。但焊接溫度更高時(shí)，擴(kuò)散反應(yīng)率就加速，就會(huì)生成過多的惡性金屬間結(jié)合層。焊點(diǎn)變得脆性而多孔。焊接熱量是溫度和時(shí)間的函數(shù)運(yùn)用焊接理論正確設(shè)置溫度曲線才能獲得最好焊點(diǎn)質(zhì)量。第47頁,共82頁，2024年2月25日，星期天Sn-Pb系焊料金相圖①A-B-C線——液相線②A-D、C-E線——固相線③D-F、E-G線——溶解度曲線④D-B-E線——共晶點(diǎn)⑤L區(qū)——液體狀態(tài)⑥L+

、L+區(qū)——二相混合狀態(tài)⑦

+區(qū)——凝固狀態(tài)（3）焊接材料的質(zhì)量有鉛、無鉛都應(yīng)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)第48頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（4）與焊料量有關(guān)第49頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（5）PCB設(shè)計(jì)第50頁,共82頁，2024年2月25日，星期天四.關(guān)于無鉛焊接機(jī)理（1）目前應(yīng)用最多的無鉛焊料合金（2）關(guān)于Sn-Ag-Cu系焊料的最佳成分（3）IPC推薦的無鉛焊料（4）PCB焊盤表面材料（5）元器件焊端表面鍍層材料（6）無鉛焊接機(jī)理第51頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（1）目前應(yīng)用最多的無鉛焊料合金目前應(yīng)用最多的用于再流焊的無鉛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是可接受的范圍，其熔點(diǎn)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(diǎn)為227℃。手工電烙鐵焊大多采用Sn-Cu、Sn-Ag或Sn-Ag-Cu焊料。第52頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（2）關(guān)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(shí)施在世界上處于領(lǐng)先地位，對(duì)無鉛焊料有很深入的研究，他們的研究表明Sn-Ag-Cu焊料中Ag與Sn在221℃形成共晶板狀的Ag3Sn合金，當(dāng)Ag含量超過3.2wt%以后（出現(xiàn)過共晶成分）板狀的Ag3Sn合金會(huì)粗大化，粗大的板狀A(yù)g3Sn較硬，拉伸強(qiáng)度降低，容易造成疲勞壽命降低，他們的結(jié)論是：“在共晶點(diǎn)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。第53頁,共82頁，2024年2月25日，星期天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Ag3Sn較硬，當(dāng)Ag含量超過3.2wt%以后（出現(xiàn)過共晶成分）拉伸強(qiáng)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(diǎn)附近，成分不能向金屬間化合物方向偏移”第54頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（3）IPC推薦的無鉛焊料：

Ag含量為3.0wt%的Sn-Ag-Cu焊料由于Sn95.8\Ag3.5\Cu0.7無鉛焊料美國已經(jīng)有了專利權(quán)；另外由于Ag含量為3.0wt%的焊料沒有專利權(quán)；價(jià)格相對(duì)較便宜；焊點(diǎn)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。第55頁,共82頁，2024年2月25日，星期天合金成分熔點(diǎn)（℃）Sn-37Pb（傳統(tǒng)）183Sn-58Bi138Sn-20In-2.8Ag179-189Sn-10Bi-5Zn168-190Sn-8.8Zn198.5Sn-3.5Ag-4.8Bi205-210Sn-7.5Bi-2Ag-0.5Cu213-218Sn95.8\Ag3.5\Cu0.7217-218Sn-3.5Ag-1.5In218Sn96.5\Ag3.0\Cu0.5216-220Sn-3.5Ag221Sn-2Ag221-226Sn-0.7Cu-Ni(用于波峰焊)227Sn-5Sb232-240無鉛焊料合金的熔點(diǎn)第56頁,共82頁，2024年2月25日，星期天Sn63\Pb37與Sn\Ag3.8\Cu0.7性能比較合金成分密度g/mm2熔點(diǎn)℃膨脹系數(shù)×10-6熱傳導(dǎo)率Wm-1K-1電導(dǎo)率%IACS電阻系數(shù)MΩ-cm表面張力260℃mNm-1Sn63\Pb378.518323.95011.515481Sn\Ag3.8\Cu0.77.521723.573.215.611548第57頁,共82頁，2024年2月25日，星期天繼續(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(yīng)用，但與Sn63\Pb37共晶焊料相比較仍然有以下問題：熔點(diǎn)高34℃

表面張力大、潤濕性差價(jià)格高但I(xiàn)PC認(rèn)為：無鉛焊料的種類不能很多，要單一標(biāo)準(zhǔn)化，否則對(duì)元件、對(duì)可靠性會(huì)有很大影響。IPC-A-610D就是以Sn-Ag–Cu焊料做的標(biāo)準(zhǔn)。第58頁,共82頁，2024年2月25日，星期天用低Ag的Sn-Ag-Cu替代目前廣泛應(yīng)用于波峰焊的Sn3Ag0.5Cu焊料有了突破深圳億鋮達(dá)公司推出的M0507(Sn-0.5Ag-0.7Cu)成本約占Sn-3.0Ag-0.5Cu成本的65~75%熔化溫度為217~227℃，性能與SAC305和Sn-0.7Cu合金相差不大。M0507的潤濕性、缺陷率均明顯優(yōu)于Sn-0.7Cu與Sn-Cu-Ni，略低于Sn-3.0Ag-0.5Cu。通孔元件焊點(diǎn)拉脫強(qiáng)度約為70牛頓，介于Sn-3.0Ag-0.5Cu和Sn63-Pb37之間；片式電阻焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度及QFP封裝外引線焊點(diǎn)拉脫強(qiáng)度數(shù)據(jù)優(yōu)于Sn-3.0Ag-0.5Cu和Sn-Cu-Ni。第59頁,共82頁，2024年2月25日，星期天另一家焊料供應(yīng)商Indium公司最近新開發(fā)出一種改良的Sn-Ag-Cu合金，在Sn-1.0Ag-0.5Cu的基礎(chǔ)上摻雜了其它元素，該摻雜物能夠有效增加合金的展延性和柔軟性。據(jù)悉，一直推廣使用Sn-3.0Ag-0.5Cu無鉛焊料的日本廠家也已經(jīng)開始意識(shí)到：在錫條、錫線領(lǐng)域中采用高銀的做法是嚴(yán)重的浪費(fèi)。日本方面為此成立了一個(gè)專門委員會(huì)進(jìn)行探討，其目標(biāo)就是研制低Ag含量的Sn-Ag-Cu合金。第60頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（4）

PCB焊盤表面材料有鉛無鉛Sn/Pb熱風(fēng)整平（HASL）無鉛HASLNi/Au（化學(xué)鍍Ni和浸鍍金ENIG，俗稱水金板）Ni/AuCu表面涂覆OSPCu表面涂覆OSP浸銀（I－Ag）浸銀（I－Ag）浸錫（I－Sn）第61頁,共82頁，2024年2月25日，星期天（5）元器件焊端表面鍍層材料有引線元件引線材料有引線元器件焊端表面鍍層材料無引線元器件焊端表面鍍層材料有鉛無鉛有鉛無鉛CuSn/PbSnSn/PbSnNiNi/AuNi42號(hào)合金鋼Ni/Pd/AuNi/Pd/AuSn/AgSn/AgSn/Ag/CuSn/Ag/CuSn/Ag/BiSn/Ag/Bi第62頁,共82頁，2024年2月25日，星期天

（6）無鉛焊接機(jī)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(gòu)、強(qiáng)度、可靠性也不同了。何況有鉛焊接時(shí)Pb是不擴(kuò)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(dá)到95%以上。金屬間結(jié)合層的主要成分還是Cu6Sn5和Cu3Sn

。當(dāng)然也不能忽視次要元素也會(huì)產(chǎn)生一定的作用。(a)以Sn-Ag-Cu焊料與Cu表面焊接為例第63頁,共82頁，2024年2月25日，星期天Sn-Ag-Cu系統(tǒng)中

Sn與次要元素Ag和Cu之間的冶金反應(yīng)在Sn-Ag-Cu三個(gè)元素之間有三種可能的二元共晶反應(yīng)：①Ag與Sn在221℃形成錫基質(zhì)相位的共晶結(jié)構(gòu)和ε金屬之間的化合相位(Ag3Sn)。②Cu與Sn在227℃形成錫基質(zhì)相位的共晶結(jié)構(gòu)和η金屬間的化合相位(Cu6Sn5)。③Ag與Cu在779℃形成富Agα相和富Cuα相共晶合金。但在Sn-Ag-Cu的三種合金固化溫度的測(cè)量研究中沒有發(fā)現(xiàn)779℃相位轉(zhuǎn)變。在溫度動(dòng)力學(xué)上解釋：更適于Ag或Cu與Sn反應(yīng)，生成Ag3Sn和Cu6Sn5

。第64頁,共82頁，2024年2月25日，星期天Sn-Ag-Cu三元合金相圖液態(tài)時(shí)的成分：L→Sn+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(shí)）實(shí)際生產(chǎn)條件下是非平衡狀態(tài)凝固的結(jié)晶CuCu3SnCu6Sn5Sn-Ag-CuSn-Ag-Cu與Cu焊接釬縫組織空洞第65頁,共82頁，2024年2月25日，星期天Sn-Ag-Cu合金凝固特性

導(dǎo)致無鉛焊點(diǎn)顆粒狀外觀粗糙非平衡狀態(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結(jié)晶組織Sn-Pb37共晶組織

Sn-Pb結(jié)晶彼此都能在某種程度上固溶對(duì)方的元素。結(jié)晶的形狀比較規(guī)則，因此外觀比較光滑

第66頁,共82頁，2024年2月25日，星期天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(duì)成分很敏感。因此少量成分變化，就會(huì)使熔點(diǎn)偏移，造成焊接溫度的變化。熔點(diǎn)隨成分變化而變化波峰焊時(shí)隨著Cu不斷增加，熔點(diǎn)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(b)Sn-Cu系焊料合金第67頁,共82頁，2024年2月25日，星期天(c)Sn系焊料與Ni/Au（ENIG）焊接時(shí)的釬縫組織

Sn系焊料(Au,Ni)Sn4Ni3Sn4NiNi-Sn化合物比較穩(wěn)定，連接強(qiáng)度較好。但是Au能與焊料中的Sn形成Au-Sn間共價(jià)化合物（AuSn2、AuSn、AuSn4），在焊點(diǎn)中金的含量超過3%會(huì)使焊點(diǎn)變脆，過多的Au原子替代Ni原子，因?yàn)樘嗟腁u溶解到焊點(diǎn)里（無論是Sn-Pb還是Sn-Ag-Cu）都將引起“金脆”。所以一定要限定Au層的厚度，用于焊接的Au層厚度≤1μm(一般控制在0.1～0.3μm)。Sn與Ni焊接時(shí)生成Ni3Sn、Ni3Sn4、Ni3Sn2（實(shí)際在焊接界面看不到Ni3Sn）第68頁,共82頁，2024年2月25日，星期天關(guān)于“黒焊盤”問題

(BlackPadsinENIGfinishes)黒焊盤是PCB制造廠的問題，有鉛焊接也存在這個(gè)問題。黒焊盤處用手指一推，元件就會(huì)掉下來。產(chǎn)生原因：(a)Au鍍層和鎳鍍層結(jié)構(gòu)不夠致密，空氣中的水份容易進(jìn)入,Ni被氧化。(b)Ni鍍層磷含量偏高或偏低.(c)鍍鎳后沒有將酸性鍍液清洗干凈,長時(shí)間Ni被酸腐蝕。

(d)作為可焊性保護(hù)性涂覆層的Au鍍層在焊接時(shí)會(huì)完全溶蝕到焊料中，而被氧化或腐蝕的Ni鍍層由于可焊性差不能與焊料形成良好的金屬間合金層，最終導(dǎo)致虛焊、或焊點(diǎn)強(qiáng)度不足使元件從PCB上脫落。第69頁,共82頁，2024年2月25日，星期天(d)Sn系焊料與42號(hào)合金鋼(Fe-42Ni)焊接時(shí)的釬縫組織Sn系合金與Fe-42Ni界面反應(yīng)與Cu相比速度比較慢。主要反應(yīng)：①Fe-42Ni中的Ni向Sn中溶解，凝固時(shí)結(jié)晶出板狀的Ni3Sn4；②剩余的Fe和殘留的Ni在界面發(fā)生反應(yīng)生成(Fe,Ni)Sn2，大多形成FeSn2；③42號(hào)合金鋼與Sn系合金一般能形成良好的界面，但加入Bi會(huì)發(fā)生界面偏析，因此連接強(qiáng)度明顯降低。第70頁,共82頁，2024年2月25日，星期天(e)各種合金元素與不同金屬電極焊接后在界面形成的化合物

電極（元件焊端PCB焊盤）焊料合金元素SnPbInAgBiZnSbCuCu6Sn5Cu3Sn－Cu9In4（CuIn2）（Cu4In3）－－Cu5Zn8CuZnCu4SbCu2SbAu（Au6Sn）AuSn2AuSnAuSn4Au2PbAuPb2Au9InAu3InAuInAuIn2－Au2BiAu3ZnAuZnAuZn3AuSb2NiNi3SnNi3Sn4Ni3Sn2－Ni3InNiInNi2In3Ni3In7－NiBiNiBi3NiZnNiZn3Ni5Zn21NiZn8Ni13Sb4Ni5Sb2NiSbNiSb2FeFeSnFeSn2－－－－4種FexZnyFeSb2Fe3Sb2AgAg3Sn（Ag6Sn）－Ag3InAgIn2Ag2In－－AgZnAg5Zn8ε-AgxZnyAg3SbAl－－－Ag3AlAg2Al－－AlSb注：①粗紅體字：表示已經(jīng)在Sn系合金中發(fā)現(xiàn)的化合物；②－：從金相圖判斷為不形成化合物的系③x、y：表示不定比化合物第71頁,共82頁，2024年2月25日，星期天無鉛焊接必須注意材料的兼容性從Sn-Ag-Cu焊料與Cu；Sn合金與Ni/Au（ENIG）；Sn系焊料與42號(hào)合金鋼的界面反應(yīng)和釬縫組織可看出：不同的焊料合金，甚至同一種焊料合金與不同的金屬焊接時(shí)的界面反應(yīng)和釬縫組織都不一樣，它們的可靠性也不一樣。由于電子元器件的品種非常多，當(dāng)前正處于過渡時(shí)期，特別是元件焊端的鍍層很復(fù)雜，可能會(huì)存在某些元件焊端與焊料的失配現(xiàn)象，造成可靠性問題。因此一定要仔細(xì)選擇并管理元件。另外，選擇

焊料和PCB鍍/涂材料同樣十分重要