1、波峰焊接根底技術(shù)理論之三虛焊現(xiàn)象的發(fā)生及其預(yù)防1虛焊現(xiàn)象及其判據(jù)1.1 虛焊現(xiàn)象現(xiàn)象1:外表不潤濕，焊點外表呈粗糙的形狀、光澤性差、潤濕性不好潤濕角B> 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)生所期望的冶金反響形成適當(dāng)厚度的合金層圖1虛焊現(xiàn)銀1界面為阻擋層所隔.未發(fā)生】醴反響現(xiàn)象2:外表潤濕，但釬料和基體金屬界面未發(fā)生冶金反響未形成適當(dāng)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。圖2虛焊現(xiàn)象2界面未發(fā)生冶金反響1.2 虛焊的判據(jù)上面所表述的兩種不同的虛焊現(xiàn)象，其共同特點都是結(jié)合界面

2、未發(fā)生冶金反響，未形成適宜厚度1.53.5卩m的合金層。因此，接合界面上是否形成了適宜厚度的銅錫合金層就構(gòu)成了虛焊現(xiàn)象的唯一判據(jù)。此時假設(shè)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，假設(shè)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外表，利用擴散作用在界面產(chǎn)生合金層金

3、屬間化合物，從而結(jié)成一體。以波峰焊接為例，在適宜的溫度作用下，焊點在軟釬接過程中所發(fā)生的物理化學(xué)過程，按照發(fā)生的先后可描述如下：2.2.2 潤濕作用及You ng定理 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)象在接合金屬外表上充分鋪展開，這現(xiàn)象就叫做潤濕。其條件之一就是被焊金屬外表必須是潔凈的。為使熔融的軟釬料潤濕固體金屬外表，必須具備一定的條件。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。2222潤濕過程中的作用力作用于原子間的力。軟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互緊密貼合 釬接時，因為軟釬料處于熔融

4、狀態(tài)，在金屬外表產(chǎn)生潤濕，不需加外力，只要基體金屬外表是潔凈的，就能很容易 地到達原子間力作用所需要的距離。熔融金屬的聚合力及附著力產(chǎn)生外表張力的原因是聚合力。為3所示。潤濕是物質(zhì)所具有的聚合力的作用結(jié)果，而緊密貼合與外表張力有關(guān)。產(chǎn)生了分析此問題，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。右FT V Fl .Fci聚音力 Fdt合尢！S3附著力及聚臺力在圖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

5、 d與成直角的液面成為凹面。當(dāng)出現(xiàn)這種凹面時，因外表張力作用產(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(guān)，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(dāng)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。外表張力外表張力是在液體的外表分子因受聚合力的作用而被拉向液體內(nèi)部，成為外外表積最小時所發(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

6、平衡的。而液面的分子，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，在液體外表產(chǎn)生結(jié)膜現(xiàn)象，使外外表積收縮為最小球形。這種力就是外表自由能，該力稱為外表強力。圖4金屬外表育韁的示意圈毛細管現(xiàn)象在潔凈的固體金屬外表上，放置熔融狀態(tài)的潔凈釬料，釬料液體就會在固體金屬外表擴展并潤濕固體金屬。這一現(xiàn)象是液態(tài)釬料在固體金屬外表的細小凹凸間隙中，借助于毛細管現(xiàn)象，向四方擴展而引起的。2.223You ng 定理液態(tài)釬料在固體金屬外表的潤濕過程，那么產(chǎn)生下述自由能，如圖5所示。A 社圖5中：FSF:固體金屬與助焊劑之間的界面張力自由能；FLS:液態(tài)釬料與固體金屬

7、之間的界面張力自由能；FLF:液態(tài)釬料與助焊劑之間的界面張力自由能；0接觸角；cos 0:潤濕系數(shù)。固體金屬S .圖5液態(tài)釬料對固體金屬的澗濕這些自由能之間的關(guān)系可以用You ng定理來描述，即：PSF=PLS+PLFcos 01 設(shè)附著功為Wa，其近似值可用下式表示：Wa=PSF+PLFPLS2 由式1 和式2 可得到：Wa = PLS + PLF cos 0 +PLF PLS = PLF cos 0+ 1 3 圖5中的“ A點上三個矢量的平衡狀態(tài)，表示了外表能的平衡，PLF是作用于與液體曲面相切方向的液體的外表張力，也就是使液態(tài)釬料外表積為最小的力。0為1800時，為完全不潤濕狀態(tài)，而0為

8、00時，為完全潤濕。在工業(yè)批生產(chǎn)中可作如下分級：00 < 0< 300潤濕優(yōu)良300<0< 400潤濕良好400<0< 550潤濕可接受550<0< 700潤濕不良2.2.3擴散作用及Fick定理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J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(dāng)溫度到達足夠高時，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(guān)。由擴散而形成的中間層，對接合部的物理、化學(xué)性擴散隨釬料、固體金屬的種類及溫度等的不同而各異, 能，特別是機械性能、抗蝕性能有很大的影

9、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。圖6接合界合的全屬間化合物層223.2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(jié)合的化合物，叫做金屬間化合物。當(dāng)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(jié)合，這種結(jié)合與接合有關(guān)。在普通溫度下生成 Cu3S n&相基體金屬側(cè)卜Cu6S n5 n相釬料側(cè)，而在300C以上時那么將出現(xiàn) Cu31S n8 丫相以及 其它結(jié)構(gòu)不明的合金。金屬間化合

10、物是一種硬度高而脆性大的合金相。銅與錫的化學(xué)親合力很強，因此，在釬接界面上銅與錫形 成的金屬間化合物生長很快，據(jù)有關(guān)資料介紹，純錫在 265m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：dm = DS dt4 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(guān)。公式中的負號表示擴散是 由高濃度向低濃度方向進行，當(dāng)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

11、的擴散系數(shù)約在10-5g /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)釬料沿被焊金屬外表、結(jié)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)生沿外表和晶內(nèi)的擴散方式，如圖7所示。a外表擴歆G晶界擴散c晶內(nèi)擴散圖？軟釬接過程中常見的擴散形式*臺棒全層一a曲向基體金犀中擴散陽殘留于外表圖康加熱時間過長，接合界面岀現(xiàn)鉛偏析KJ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

12、擇擴散，如圖8所示。出現(xiàn)選擇擴散時，當(dāng)靠近銅的Sn擴散到銅內(nèi)后，距銅較遠的Sn原子那么由于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。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(dǎo)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(yán)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(guān)系。因此

13、，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。否那么會導(dǎo)致可焊性劣化。多數(shù)助焊劑只能除掉銹和氧化膜，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(yīng)視地區(qū)例如南方、北方和當(dāng)?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。特別是在撤除真空封裝狀態(tài)上線插件后，在濕熱或空氣污染厲害

14、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。0123大T中放負冃數(shù)圖9通孔敷側(cè)的時效和可焊性的關(guān)系3.2 虛焊現(xiàn)象2的發(fā)生條件321 虛焊現(xiàn)象2形成的物理過程虛焊現(xiàn)象2的特征是：發(fā)生了潤濕但未發(fā)生擴散，它說明了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適宜。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，那么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：G =p y Cy ( 1 - e )(5 )圖11銅在錫中落解

15、速度曲玻丿p 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；形成虛焊現(xiàn)象1的根本原因就是基體金屬外表不潔凈，外表氧化或者被臟物、油脂、手汗?jié)n等污染而導(dǎo)致外表可焊 性變差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。假設(shè)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

16、降，如圖11所示。波嵯闊度助悍劑澗濕區(qū)狂料潤視區(qū)I圖12波峰焊接接頭形成過程丿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 b =1.5kg / 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(dāng)然被焊金屬溶于釬料的量不適當(dāng)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，它說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

17、，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(yù)熱區(qū)的預(yù)熱，一接觸釬料波峰后溫度驟升，助焊劑迅速在基體金屬外表上潤濕、漫延。受溫度的劇烈激活，釋放出最大的化學(xué)活性迅速凈化被焊金屬外表。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外表，在基體金屬外表吸附力的作用下和助焊劑的拖動下，迅速在基體金屬外表上 漫流開來。一旦到達釬料的潤濕溫度后，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)卩m左右

18、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25sec。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，獲得適宜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34sec。4虛焊的預(yù)防4.1 強化對元器件可焊性的管理4.1.1 嚴(yán)把外協(xié)、外購件入庫驗收關(guān)必須將可焊性不良的 PCB和元器件拒之門外，因此，必須嚴(yán)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(dāng)釬