1、焊接原理与焊点可靠性分析,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,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
2、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,锡焊过程焊接过
3、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,表面清洁,焊件加热,熔锡润湿,扩散结合层,冷却后形成焊点,物理学润湿、黏度、毛细管现象、热传导、扩散、溶解,化学助焊剂分解、氧化、还原、电极电位,冶金学合金、合金层、金相、老化现象,电学电阻、热电动势,材料力学强度（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、熔融焊料之间相互作用,1. 助焊剂与母材的反应 （1）松香去除氧化膜松香的主要成分是松香酸，融点为74。170呈活性反应， 300以上无活性。松香酸和Cu2O反应生成松香酸铜。松香酸在常温下和300以上不能和Cu2O起反应。 （2）溶融盐去除氧化膜一
4、般采用氯离子Cl-或氟离子F- ，使氧化膜生成氯化物或氟化物。 （3）母材被熔融活性强的助焊剂容易熔融母材。 （4）助焊剂中的金属盐与母材进行置换反应。,2. 助焊剂与焊料的反应 （1）助焊剂中活性剂在加热时能释放出的HCl与SnO起还原反应。 （2）活性剂的活化反应产生激活能，减小界面张力，提高浸润性。 （3）焊料氧化，产生锡渣。 3.焊料与母材的反应润湿、扩散、溶解、冶金结合，形成结合层,锡焊机理,（1）润湿 （2）扩散 （3）溶解 （4）冶金结合，形成结合层,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
5、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,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
6、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（s
7、elf 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。,锡铅合金配比与表面张力及
8、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
9、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）扩散,四种扩散形式：表面扩散；晶内扩散；晶界扩散；选择扩散。,Pb,Sn,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,Cu表面,熔融Sn/Pb焊料侧,晶粒,（3）溶解,母材表面的Cu分子被熔融焊料融蚀,金属间结合层 Cu3Sn和Cu6Sn5,金属间结合层 Cu3Sn和Cu6Sn5,放大1,00
10、0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： Cu6Sn5和Cu3Sn,（4）冶金结合，形成结合层（金属间扩散、溶解的结果）,关于无铅焊接原理,无铅焊接过程、原理与有铅是一样的。 主要区别是由于合金成分和助焊剂成分改变了，因此焊接温度、生成的金属间结合层及其结合层的结构、强度、可靠性也不同了。 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Sn的含量达到95%以上。金属间结合层的主要成分还是Cu6Sn5和Cu3Sn 。 当然也不能忽视次要元素也会产生一定的作用。,Sn-Ag-Cu系统中
11、Sn与次要元素Ag和Cu之间的冶金反应,在Sn-Ag-Cu三个元素之间有三种可能的二元共晶反应： （a）Ag与Sn在221形成锡基质相位的共晶结构和金属之间的化合相位(Ag3Sn)。 （b）Cu与Sn在227形成锡基质相位的共晶结构和金属间的化合相位(Cu6Sn5)。 （c）Ag与Cu在779形成富Ag 相和富Cu 相共晶合金。 但在Sn-Ag-Cu的三种合金固化温度的测量研究中没有发现779相位转变。在温度动力学上解释：更适于Ag或Cu与Sn反应，生成Ag3Sn和Cu6Sn5 。,Sn-Ag-Cu无铅焊料中Ag与Sn在221形成 共晶板状的Ag3Sn合金,板状的Ag 3Sn较硬，当Ag含量超
12、过3.2wt%以后（出现过共晶成分）拉伸强度降低，容易造成疲劳寿命降低，因此推荐使用低Ag的 Sn3Ag0.5Cu。,结论：“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，局部结构转变为Cu3Sn（相）， Cu 含量由40%增加到66%。当温度继续升高和
13、时间进一步延长， Sn/Pb焊料中的Sn不断向Cu表面扩散，在焊料一侧只留下Pb，形成富Pb层。 Cu6Sn5和富Pb层之间的的界面结合力非常脆弱，当受到温度、振动等冲击，就会在焊接界面处发生裂纹。,以63Sn/37Pb焊料与Cu表面焊接为例,（1）金属间合金层（金属间结合层）质量与厚度,焊缝(结合层)结构示意图,Pb,熔融Sn/Pb焊料侧,Cu焊端表面,Cu,Sn,Cu6Sn5,Cu3Sn,富Pb层,焊料直接与Cu生成的合金层,红色的箭指示的是 Cu3Sn 层,Cu6Sn5与Cu3Sn两种金属间结合层比较,Cu Cu3Sn Cu6Sn5 富Pb层Sn/Pb,拉伸力 （千lbl/in2）,*4
14、m时，由于金属间合金层太厚，使连接处失去弹性，由于金属间结合层的结构疏松、发脆，也会使强度小。,*厚度为0.5m时抗拉强度最佳；,*0.54m时的抗拉强度可接受；,*0.5m时，由于金属间合金层太薄，几乎没有强度；,金属间合金层厚度（m）,金属间合金层厚度与抗拉强度的关系,金属间合金层厚度与抗拉强度的关系,金属间结合层的质量与厚度与以下因素有关：,(a)焊料的合金成份和氧化程度（要求焊膏的合金组分尽量达到共晶或近共晶；含氧量应小于0.5%，最好控制在80ppm以下） (b) 助焊剂质量（净化表面，提高浸润性） (c) 被焊接金属表面的氧化程度（只有在净化表面，才能发生化学扩散反应） (d) 焊
15、接温度和焊接时间,焊点和元件受热的热量随温度和时间的增加而增加。金属间结合层的厚度与焊接温度和时间成正比。例如183以上，但没有达到210230时在Cu和Sn之间的扩散、溶解，不能生成足够的金属间结合层。只有在220 维持2秒钟的条件下才能生成良性的结合层。但焊接温度更高时，扩散反应率就加速，就会生成过多的恶性金属间结合层。焊点变得脆性而多孔。,焊接热量是温度和时间的函数,运用焊接理论正确设置温度期曲线 才能获得最好焊点质量。,Sn-Pb系焊料金相图,A-B-C线液相线 A-D、C-E线固相线 D-F、E-G线溶解度曲线 D-B-E线共晶点 L区液体状态 L+、L+区二相混合状态 +区凝固状态
16、,（2）焊接材料的质量,有铅、无铅都应选择共晶或近共晶焊料合金,最佳焊接温度线,液态,固态,Sn-Ag-Cu三元系焊料金相图,（3）与焊料量有关,合格的焊点,四. 焊接质量,焊接缺陷（IPC标准）,IPC标准（分三级）,IPC焊点检验标准举例 SOP、QFP焊点检验标准,可接受二级 可接受三级F=T/2+G F=T+G（F焊点高度 T引脚厚度 G引脚底面焊料厚度）,SMT质量要求,高质量 高直通率 高可靠（寿命保证 ） ！,返修的潜在问题,返修工作都是具有破坏性的 ,尽量避免返修，或控制其不良后果 ！,返修会缩短产品寿命,过去我们通常认为，补焊和返修，使焊点更加牢固，看起来更加完美，可以提高电
17、子组件的整体质量。但这一传统观念并不正确。,新的质量管理理念,质量是在设计和生产过程中实现的，,而不是通过检查返修来保证的；,质量是企业中每个员工的责任，而不只是品质部的工作；,质量是通过工艺管理实现的，,DFM 工艺优化和技术改进 工艺监控 供应链管理,五. 焊接质量控制方法,首先要预防或减少焊接缺陷的发生（由ISO质量体系和完善的工艺来保证） 制订规范： 可制造性设计（工艺性设计）规范 检验标准 通用工艺（印焊膏、贴、焊、检、修、洗、调试.）（印胶、贴、胶固化、成形、插、焊、检、修、洗、调试.） 产品工艺,严格按照规范执行，就能提高直通率 和实现高可靠性,然后能够及时（及早）发现问题，尽量
18、不要等到最后。 在整个生产加工过程中，把错误和缺陷控制在生产工序的越前端损失越小。(产前准备、首件检验、生产过程控制) 焊后发现了质量问题必须返修，需要返工工时、还可能损坏元器件和印制板，损失较大。另外即使修好了，对可靠性也有影响。, 发现问题后，能够准确分析质量故障原因，提出解决和预防措施。才能消除病根，才能彻底解决。因为同一种缺陷，其产生原因是不一样的。例如，波峰焊工艺中同样是“焊料不足”，有的是由于插装孔和焊盘设计不正确；有的是由于元件端头可焊性不好；有的是由于预热或焊接温度过高造成的因此只有正确判断，才能消除或减少缺陷的发生。,怎样才能正确分析、判断焊接质量故障原因并提出解决和预防措施
19、呢？(1)首先要了解再流焊、波峰焊机理和工艺特点，再流焊的工艺特点：a 有“再流动”与自定位效应b 每个焊点的焊料成分与焊料量是固定的波峰焊的工艺特点：波峰焊比再流焊复杂得多。波峰焊是熔融焊料循环流动的群焊工艺。预热、焊接温度和时间、传送带速度等工艺参数很难具体规定，因此工艺参数的综合调整对提高波峰焊质量是非常重要的。,工艺,设备工具,制造,设计,基板 元器件 材料,(2)考虑所有问题时应以SMT工艺特点为基础再流动 、 自定位、 焊料成分与焊料量是固定的波峰焊是熔融焊料循环流动的群焊工艺,(3) 工艺、设备、设计、材料与质量都是相互关联而无法分开的因素。只有通过综合考虑才能最有效的解决问题。
20、例如：元器件焊端氧化，可选择RA（全活性）焊膏，采用焊后清洗工艺；另外还可以通过适当提高焊接温度来提高润湿能力,产品质量是企业的生命线。SMT是一项复杂的综合的系统工程技术。必须从PCB设计、元器件、材料、以及工艺、设备、规章制度等多方面进行控制，才能保证SMT加工质量。,(4)工艺人员要深入生产现场，多实践、多总结,(5) 应用数据处理技术,a. 统计 / 计算（应注意数据的准确性）,b. 规划 / 分类,c. 分析 / 判断,（人工或利用AOI）,SPC,六. 影响SMT组装质量的关键工序,印刷焊膏 施加贴片胶,再流焊 胶固化 波峰焊,焊膏量过多会产生桥接， 焊膏量过少会产生焊锡不足或虚焊
21、。 胶量过多会污染焊盘，过少会影响粘结强度,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。 焊接温度过高、过低都会影响焊点强度。,七. 锡铅焊料特性,a 浸入液态焊料中的固体金属会产生溶解，生产中将这种现象称之为浸析现象，或“熔蚀”现象，俗称“被吃”。 b.影响浸析的因素被焊金属、焊料成分、焊料的温度和流动速度。金、银、铜在焊料中均有较高的溶解速度。温度上升，溶解速度增加；焊料流动速度增加，溶解速度也增加。 c.金、银在液态焊料中也有很高溶解能力，在焊接厚膜电路和银-钯合金端电极的片式元件时也会出现“浸析”现象，使用含银焊料可以解决上述
22、问题。 d.在生产中应正确调节焊接的时间和温度，特别是在波峰焊中，以避免过量的铜溶于焊料中（PCB焊盘、引脚均为铜）。应经常监测焊料中铜的含量，一旦超标，应及时清除过量的铜锡合金。,浸析现象,63Sn37Pb合金的热膨胀系数CTE是24.510-6，从室温升到183，体积会增大1.2%，而从183降到室温，体积的收缩却为4%，故锡铅焊料焊点冷却后有时有缩小现象。,冷凝收缩现象,无铅焊料也有冷凝收缩现象,（a）降低熔点。 （b）改善机械性能，提高锡铅合金的抗拉强度和剪切强度。 （c）降低表面张力，有利于焊料在被焊金属表面上的润湿性。 （d）抗氧化，增加焊料的抗氧化性能，减少氧化量。,铅在焊料中的
23、作用,锌(Zn)含量达0.10%，就会对焊点的外观、焊料的流动性及润湿性造成不良影响。含量达0.001%就会有影响。铝(Al)对焊料的流动性和润湿性有害，不但影响外观和操作，而且容易发生氧化和腐蚀，含量达0.001%就有影响。镉(Cd)具有降低熔点的作用，并能使焊料的晶粒变得粗大而失去光泽，含量达0.001%就会使流动性降低，焊料会变脆。,锡铅合金中的杂质,铜(Cu)铜是有害杂质之一，常来源于焊接过程，特别是波峰焊时PCB焊盘溶解到焊料中，当铜含量超过4%时，焊料熔点上升，流动性变差，焊点易产生拉尖、桥接等缺陷，因此铜含量是经常检测的项目。铁(Fe)会使焊料熔点增高，不易操作，还会使焊料带上磁
24、性。铋(Bi)铋可使焊料熔点下降，并变脆。,锑(Sb)可使焊料的机械强度和电阻增大。当含量在0.3%3%时，焊点成形极好；如含量在6%以内，不但不会出现不良影响，还可以使焊点的强度增加，增大焊料的蠕变阻力，所以可用在高温焊料中；当含量超过6%，焊料会变得脆而硬，流动性和润湿性变差，抗腐蚀性减弱。砷(As)即使含量很少，也会影响焊点外观，使硬度和脆性增大，但可使流动性略有提高。磷(P)量小时会增加焊料流动性，量大时则会熔蚀烙铁头。,锡铅合金在固态时不易氧化，然而在熔化状态下极易氧化。特别是在机械搅拌下，如在波峰焊料槽中受机械泵搅拌，更加强了氧化物的生成，大部分以锡渣的形式出现在锡槽的表面，严重时会堵塞波峰出口，大量的黑色的SnO粉末的生成会导致焊料性能恶化、变质，严重时整个焊料均会报废。,液态锡铅焊料的易氧化性,无铅波峰焊由于Sn的含量达99%以上， 温度提高30，液态焊料高温氧化问题严重,（a）加入防氧化油 （b）使用活性炭类的固体防氧化剂 （c）使用防氧化焊料防氧化焊料是在锡铅合金焊料中添加少量的其它金属粉末来实现焊料防氧化性能的提高。目前使用较多的是加入微量稀有金属末改善锡铅焊料的防氧化性能，焊接工艺性如润湿性也不受影响。,锡铅焊料的防氧化,
