焊接原理与焊点可靠性分析焊接原理与焊点可靠性分析顾霭云顾霭云一. 概述二. 锡焊机理三. 焊点可靠性分析四. 焊接质量五. 焊接质量控制方法六. 影响SMT组装质量的关键工序七. 锡铅焊料特性内容内容一. 概述熔焊 焊接种类 压焊钎焊钎焊压焊熔焊超声压焊 金丝球焊 激光焊电子装配的核心连接技术：焊接技术焊接技术的重要性 焊点是元器件与印制电路板电气连接和机械连接的连接点。焊点的结构和强度就决定了电子产品的性能和可靠性。焊接方法（钎焊技术） 手工烙铁焊接 浸焊 波峰焊 再流焊软钎焊 焊接学中，把焊接温度低于450的焊接称为软钎焊，所用焊料为软钎焊料。 软钎焊特点 钎料熔点低于焊件熔点。 加热到钎料熔化，润湿焊件。 焊接过程焊件不熔化。 焊接过程需要加焊剂。（清除氧化层） 焊接过程可逆。（解焊）电子焊接是通过熔融的焊料合金与两个被焊接金属表面之间生成金属间合金层（焊缝），从而实现两个被焊接金属之间电气与机械连接的焊接技术。当焊料被加热到熔点以上，焊接金属表面在助焊剂的活化作用下，对金属表面的氧化层和污染物起到清洗作用，同时使金属表面获得足够的激活能。熔融的焊料在经过助焊剂净化的金属表面上进行浸润、发生扩散、溶解、冶金结合，在焊料和被焊接金属表面之间生成金属间结合层（焊缝），冷却后使焊料凝固，形成焊点。焊点的抗拉强度与金属间结合层的结构和厚度有关。二. 锡焊机理锡焊过程锡焊过程焊接过程是焊接金属表面、助焊剂、焊接过程是焊接金属表面、助焊剂、 熔融焊料和空气等之间相互作用的复杂过程熔融焊料和空气等之间相互作用的复杂过程表面清洁焊件加热熔锡润湿扩散结合层冷却后形成焊点物理学物理学润湿、黏度、毛细管现象、热传导、扩散、溶解化学化学助焊剂分解、氧化、还原、电极电位助焊剂分解、氧化、还原、电极电位冶金学冶金学合金、合金层、金相、老化现象合金、合金层、金相、老化现象电学电学电阻、热电动势电阻、热电动势材料力学材料力学强度（拉力、剥离疲劳）、应力集中强度（拉力、剥离疲劳）、应力集中焊接过程中焊接金属表面（母材）、助焊剂、焊接过程中焊接金属表面（母材）、助焊剂、 熔融焊料之间相互作用熔融焊料之间相互作用1. 1. 助焊剂与母材的反应助焊剂与母材的反应（1 1）松香去除氧化膜）松香去除氧化膜松香的主要成分是松香酸，松香的主要成分是松香酸，融点为融点为7474。170170呈活性反应，呈活性反应， 300300以上无活性以上无活性。松香酸和。松香酸和CuCu2 2O O反应生成松香酸铜。松香酸在常温反应生成松香酸铜。松香酸在常温下和下和300300以上不能和以上不能和CuCu2 2O O起反应。起反应。（2 2）溶融盐去除氧化膜）溶融盐去除氧化膜一般采用氯离子一般采用氯离子ClCl- -或氟或氟离子离子F F- -，使氧化膜生成氯化物或氟化物。，使氧化膜生成氯化物或氟化物。（3 3）母材被熔融）母材被熔融活性强的助焊剂容易熔融母材。活性强的助焊剂容易熔融母材。（4 4）助焊剂中的金属盐与母材进行置换反应。）助焊剂中的金属盐与母材进行置换反应。2. 2. 助焊剂与焊料的反应助焊剂与焊料的反应（1 1）助焊剂中活性剂在加热时能释放出的助焊剂中活性剂在加热时能释放出的HClHCl与与SnOSnO起还原反应。起还原反应。（2 2）活性剂的活化反应产生激活能，减小界面张力活性剂的活化反应产生激活能，减小界面张力，提高浸润性。，提高浸润性。（3 3）焊料氧化，产生锡渣。）焊料氧化，产生锡渣。3.3.焊料与母材的反应焊料与母材的反应润湿、扩散、溶解、润湿、扩散、溶解、冶金结合，形成冶金结合，形成结合层结合层锡焊机理锡焊机理（1 1）润湿）润湿（2 2）扩散扩散（3 3）溶解溶解（4 4）冶金结合，形成）冶金结合，形成结合层结合层润湿角焊点的最佳润湿角Cu-Pb/Sn 1545 当=0时，完全润湿；当=180时，完全不润湿；=焊料和母材之间的界面与焊料表面切线之间的夹角分子运动（1）润湿 液体在固体表面漫流的物理现象 润湿是物质固有的性质 润湿是焊接的首要条件润湿是焊接的首要条件分子运动润湿条件（a）液态焊料与母材之间有良好的亲和力，能互相溶解。互溶程度取决于：原子半径和晶体类型。因此润湿 是物质固有的性质。（b）液态焊料与母材表面清洁，无氧化层和其它污染物。清洁的表面使焊料与母材原子紧密接近，产生引力 ，称为润湿力。当焊料与被焊金属之间有氧化层和其它污染物时， 妨碍金属原子自由接近，不能产生润湿作用。这是形成 虚焊的原因之一。分子运动表面张力表面张力在不同相共同存在的体系中，由 于相界面分子与体相内分子之间作用力不同，导致 相界面总是趋于最小的现象。由于液体内部分子受到四周分子的作用力是对 称的，作用彼此抵消，合力=0。但是液体表面分子 受到液体内分子的引力大于大气分子对它的引力， 因此液体表面都有自动缩成最小的趋势。熔融焊料在金属表面也有表面张力现象。大气大气液体内部分子受力合力=0液体表面分子受液体内分子的引力大气分子引力分子运动表面张力与润湿力熔融焊料在金属表面润湿的程度除了与液态焊料与母材表面清洁程度有关，还与液态焊料的表面张力有关。表面张力与润湿力的方向相反，不利于润湿。表面张力是物质的本性，不能消除，但可以改变。分子运动表面张力在焊接中的作用再流焊当焊膏达到熔融温度时，在平衡的表面张力的作用下，会产生自定位效应（self alignment）。表面张力使再流焊工艺对贴装精度要求比较宽松，比较容易实现高度自动化与高速度。同时也正因为“再流动”及“自定位效应”的特点，再流焊工艺对焊盘设计、元器件标准化有更严格的要求。如果表面张力不平衡，焊接后会出现元件位置偏移、吊桥、桥接、等焊接缺陷。波峰焊波峰焊时，由于表面张力与润湿力的方向相反，因此表面张力是不利于润湿的因素之一。SMD波峰焊时表面张力造成阴影效应 熔融合金的粘度与表面张力是焊料的重要性能。 优良的焊料熔融时应具有低的粘度和表面张力，以增 加焊料的流动性及被焊金属之间的润湿性。 锡铅合金的粘度和表面张力与合金的成分密切相关。配比（W%）表面张张力(N/cm)粘度（mPas)SnPb20804.6710-32.7230704.710-32.4550504.7610-32.1963374.910-31.9780205.1410-31.92锡铅合金配比与表面张力及粘度的关系（280测试）粘度与表面张力分子运动焊接中降低表面张力和黏度的措施提高温度升温可以降低黏度和表面张力的作用。升高温度可以增加熔融焊料内的分子距离，减小焊料 内分子对表面分子的引力。适当的金属合金比例Sn的表面张力很大，增加Pb可以 降低表面张力。63Sn/37Pb表面张力明显减小。 表 mn/m粘 面度 张 540力 520500T（） 480 10 20 30 40 50 Pb含量%温度对黏度的影响 250时Pb含量与表面张力的关系增加活性剂能有效地降低焊料的表面张力，还可以去掉焊料的表面氧化层。改善焊接环境采用氮气保护焊接可以减少高温氧化。提高润湿性金属原子以结晶排列，原子间作用力平衡，保持晶格的形状和稳定。当金属与金属接触时，界面上晶格紊乱导致部分原子从一个晶格点阵 移动到另一个晶格点阵。扩散条件：相互距离（金属表面清洁，无氧化层和其它杂质，两块金属原子间才会发生引力）温度（在一定温度下金属分子才具有动能）（2 2）扩散扩散四种扩散形式：表面扩散；晶内扩散；晶界扩散；选择扩散。PbSnSn表面扩散向晶粒内扩散分割晶粒扩散选择扩散表面扩散、晶内扩散、晶界扩散、选择扩散示意图表面扩散、晶内扩散、晶界扩散、选择扩散示意图CuCu表面表面熔融熔融Sn/PbSn/Pb焊料侧焊料侧晶粒（3 3）溶解溶解 母材母材表面的表面的CuCu分子分子被被熔融焊料融蚀熔融焊料融蚀金属间结合层 Cu3Sn和Cu6Sn5金属间结合层 Cu3Sn和Cu6Sn5放大1,000倍的QFP引脚焊点横截面图以63Sn/37Pb焊料为例，共晶点为183 焊接后（210-230）生成金属间结合层：CuCu6 6SnSn5 5和和CuCu3 3SnSn（4 4）冶金结合，冶金结合，形成形成结合层（结合层（金属间扩散、溶解的结果金属间扩散、溶解的结果）关于无铅焊接原理关于无铅焊接原理 无铅焊接过程、原理与有铅是一样的。无铅焊接过程、原理与有铅是一样的。 主要区别主要区别是由于是由于合金成分合金成分和和助焊剂成分助焊剂成分改变了，因此改变了，因此焊接温度焊接温度、生成的、生成的金属间结合层及其结合层的结构、金属间结合层及其结合层的结构、强度、可靠性强度、可靠性也不同了。也不同了。 何况有铅焊接时何况有铅焊接时Pb是不扩散的， Pb在焊缝中只起到填充作用。另外，无铅焊料中SnSn的含量达到95%以上。金属间结合层的主要成分还是CuCu6 6SnSn5 5和和CuCu3 3SnSn 。 当然也不能忽视当然也不能忽视次要元素次要元素也会产生一定的作用。也会产生一定的作用。S Sn n-Ag-Cu-Ag-Cu系统中系统中 SnSn与次要元素与次要元素AgAg和和CuCu之间的冶金反应之间的冶金反应 在在S Sn n-Ag-Cu-Ag-Cu三个元素之间有三种可能的二元共晶反应：三个元素之间有三种可能的二元共晶反应：（a a）AgAg与与S Sn n在在221221形成锡基质相位的共晶结构和形成锡基质相位的共晶结构和金属金属之间的化合相位之间的化合相位(Ag(Ag3 3Sn)Sn)。（b b）CuCu与与S Sn n在在227227形成锡基质相位的共晶结构和形成锡基质相位的共晶结构和金属金属 间的化合相位间的化合相位(Cu(Cu6 6SnSn5 5) )。（c c）AgAg与与CuCu在在779779形成富形成富Ag Ag 相和富相和富Cu Cu 相共晶合金相共晶合金 。 但在但在S Sn n-Ag-Cu-Ag-Cu的三种合金固化温度的测量研究中没有发的三种合金固化温度的测量研究中没有发 现现779779相位转变。在温度动力学上解释：相位转变。在温度动力学上解释：更适于更适于AgAg或或CuCu 与与S Sn n反应，生成反应，生成AgAg3 3SnSn和和CuCu6 6SnSn5 5。SnSn-Ag-Cu-Ag-Cu无铅焊料中无铅焊料中AgAg与与S Sn n在在221221形成形成 共晶共晶板状的板状的AgAg3 3SnSn合金合金板状的板状的AgAg3 3SnSn较硬，当较硬，当AgAg含量超过含量超过3.2wt%3.2wt%以后以后（出现（出现 过共晶成分）过共晶成分）拉伸强度降低，拉伸强度降低，容易造成疲劳寿命降容易造成疲劳寿命降 低，因此低，因此推荐使用低推荐使用低AgAg的的 Sn3Ag0.5CuSn3Ag0.5Cu。 结论：结论：“ “在共晶点附近，成分不能向金属间化合物方向偏移在共晶点附近，成分不能向金属间化合物方向偏移” ”三. 焊点可靠性分析影响焊点强度的因素：（1）金属间合金层（金属间结合层）质量与厚度（2）焊接材料的质量（3）焊料量当温度达到210-230时， Sn向Cu表面扩散，而Pb不扩散。初期生成的Sn-Cu合金为：Cu6Sn5（相）。其中Cu 的重量百分比含量约为40%。随着温度升高和时间延长， Cu 原子渗透（溶解）到Cu6Sn5 中