工艺技术_波峰焊接之焊锡与助焊剂讲义

波峰焊接之焊锡与助焊剂讲义本次课程包括三部分内容：焊锡原理、助焊剂分类及其特性，焊接缺陷及改正方法。第一章 焊锡原理在讲解助焊剂分类，特性及焊接缺陷之前，我们首先了解焊锡原理，否则我们将无法判断一种焊料或助焊剂是否适用，以及制程中为什么会产生缺陷以及缺陷产生的原因。第一节 焊锡的定义及其特点焊锡的定义：一种冶金学上的技术，它采用一种熔融的填充金属（焊料）润湿待连接的两个金属表面，凝固时即形成连接。从焊接的定义可知：要焊接的金属并不融化，连接只发生在两个金属交界面处。焊接的好坏取决于基体金属被融化的合金（焊料）所润湿的能力。焊接与连接的区别：粘接是一种物理现象，即连接剂对连接表面的物理吸附，表现在被粘接表面越粗糙，粘接效果越好。而焊接是一种物理、化学作用，表现在基体金属与焊料形成一种金属间化合物。第二节 润湿（WETTING） 我们从一个简单的例子来说明什么是润湿。将一滴水银和一滴水滴在洁净在玻璃板上，我们可以看见如下情形，水在玻璃上扩散开来，而水银却成球形。如下图所示 玻璃此时即表明水对玻璃有润湿作用，而水银却不会润湿玻璃。同样熔融焊料在洁净的无氧化层的金属平面上会形成润湿作用，而在有氧化层或有油污的金属表面却不会有润湿作用。一： 润湿的产生。液体由于其自身的表面张力作用会形成球状。液体在固体表面的润湿状态由下图表示： PLV代表气体之间的表面张力PLY PSV代表气固之间的表面张力 PLS代表液固之间的表面张力VAPOR Q LIQUIO Q代表润湿的角度PSV PLS SOLID当上述液体在固体表面稳定时，即上述表面张力达到一种平衡状态。 PSV=PLS+PLVCOSQ 当PSV、PLV恒定，助焊剂帮助清洁被焊金属表面，减小了液固之间表面张力PLS时，COSQ值变大，Q角变小，即液体对固体的润湿角变小，液体沿固体表面铺展开来，即形成润湿。二：润湿的分类 在润湿平衡图中 Q1. 当Q75时称为良好润湿。2. 当75Q90时，称为边际润湿即已成为不可接受。3. 当90Q180时，称为退润湿。4. 当Q=180时，称为未润湿。由上可知，Q角越小润湿越好。三：润湿的结果 毛细作用：将洁净的很细小玻璃管分别插入水槽和水银槽中，我们会看见水沿毛细玻璃管爬而水银则下降。由前面知道水对玻璃有润湿作用，由此可见，润湿作用的直接结果是产生毛细现象，即液体在被其润湿基材的毛细孔中会上升。四：毛细作用导致的焊点标准结构。Q角越小，焊点越好。第三节 焊点一：金属间化合物的形成。 如果两个铜板用焊锡焊接在一起，将它们之间的一小部分取出，并放大200倍，在中间是焊锡，两边是基层铜板，但是，在铜和焊锡之间的材料在焊锡之前并不存在。那是焊锡中的锡和铜的表面形成一新的化合物，它是铜/锡化合物（CU3SN，CU6SN5），也称为金属间化合物，当焊锡润湿铜板时才会形成一金属间化合物，同时也是润湿已经发生的表示。 二：金属间化合物的厚度 化合物的厚度是决定于焊接的温度和在此温度下所停留的时间，锡/铜金属间化合物的形成在室温下便会发生，但其反应相当慢，故对焊点而言，没有什么意义，不过，在铜板覆一层很薄的焊锡时，锡会慢慢地与铜组合，而使铅浮于外层，长期储存后便会影响焊锡性。三：焊点龟裂 金属间化合物比焊锡或铜还要硬，而且比较脆。如果此金属间化合物太厚的话，当焊点受到热或机械性的压力下，便会产生焊点龟裂。非63/37焊料在焊点冷凝过程中要经过一段糊状区，若在此区间内，焊点受到震动即产生所谓的冷焊或焊点粗糙（焊点组分偏离共晶点越远，其达到液体所需温度越高，相应地其焊点温度则更为高）四：焊料的工作温度 一般操作温度应高于熔点60左右，以保持焊料良好的流动性。五：焊接后焊点的最高工作温度 当焊锡接近其熔点时，其抗张强度和抗剪强度等一些机械性能会丧失，因此，焊接件最高工作温度依下式作为参考 熔点温度-室温最高工作温度= +室温 1.5 第二章 助焊剂分类及其特性选择 第一节 助焊剂的作用和所具备的性能助焊剂在锡焊过程中起下列作用：1. 清除焊接元器件，印刷板铜箔以及焊锡表面的氧化物。2. 以液体薄层覆盖被焊金属和焊锡的表面，隔绝空气中的氧对它们的再一次氧化。3. 起界面活性作用，改善液态焊锡对被焊金属表面的润湿。 助焊剂在焊锡过程中应具备下列性能：1. 助焊剂应有足够的能力清除被焊金属和焊料表面的氧化膜。2. 助焊剂要有适当的活性温度范围，在焊锡熔化前开始作用，在焊锡过程中，较好地发挥清除氧化膜，降低液态焊锡表面张力起作用。3. 助焊剂要有良好的热稳定性，一般温度1004. 助焊剂的密度要小于液态焊锡的密度，这样助焊剂才能均匀的在被焊金属表面铺展，成薄膜状覆盖在焊锡和被焊金属表面，有效地隔绝空气，促进焊锡与基材的润湿与铺展，避免焊点内部夹渣。5. 助焊剂及残渣不应有腐蚀性，不应析出有毒、有害气体，要有符合电子工业规定的绝缘电阻，不吸潮，不产生霉菌。 第二节 电子组装品分类 本部分内容参考美国电子线路互连及封装协会标准（IPC）电子组装及分类：电子组装品一般可分为三种等级。第一级：消费性产品 此级多包含非关键用途的产品，着重在可靠性及成本效益，而使用寿命则非主要目的，主要为一般性消费产品。第二级：一般工业级 此级包括高性能的商用及工业级产品，对延续使用寿命有所要求，而对不间断的运作则非关键要求，应考虑环境方面的因素。第三级：高靠性产品 此级产品持续性能是关键所在，任何设备发生停机时，都将无法忍受，或用于维持生命者皆属此级。注：除非另有规定，否则此几级只适用于军事电子的设备。第三节 助焊剂分类焊接用助焊剂在IPC新分类法中未按其化学组成加以分类，而是就该助焊剂三种活性度作出分类，按其活性度助焊剂可分为： L=表示助焊剂本身或助焊剂残渣均为低度活性者； M=表示助焊剂本身或助焊剂残渣均为中度活性者； H=表示助焊剂本身或助焊剂残渣均为高度活性者；新分类与传统型分类的联系如下：L型助焊剂可表示：1.所有R型之松香非活性助焊剂； 2.大部分RMA型之松香基微活性助焊剂； 3.某些RA型之松香基活性助焊剂。M型助焊剂可表示：1.某些RMA型助焊剂； 2.大部分RA型助焊剂； 3.少数水溶性及合成活化型助焊剂。H型助焊剂可表示：1.所有RSA型之松香基超活性助焊剂； 2.大部分水溶性及合成活化型助焊剂。 第四节 IPC标准中对助焊剂的特性要求助焊剂特性说明 助焊剂须由其助焊能力和其残渣，是否通过一系列实验，而说明它的特性，即说明助焊剂和助焊剂残渣在腐蚀性上的各种特性，与所需进行的各种实验及要求。 助焊剂还须进一步了解其残渣，是否对电子组装品的性能有所冲击而再加以分类，助焊剂残渣之导电性质，须由其“表面绝缘电阻”实验而加以分类。第五节 助焊剂之特性实验 助焊剂之特性实验通常包括外观、不挥发物含量（固含）、比重、电导度值、铜镜实验的测定。 助焊剂之特性实验：1. 铜镜实验 本法用以检查助焊剂腐蚀性之强弱，其作法是在一长方形的玻璃片上以真空的沉积的方法，IPA洗去助焊剂残余物。 小心检查各试片上铜面被蚀去的痕迹，如有任何铜面被蚀透，可从玻璃看透到背面时，则表面该助焊剂腐蚀性太强而不及格。若标准助焊剂也不及格时，则实验失败需重做，若只在铜表面发生反应而出现变色情形，或铜厚度只部分受损而未穿透时，则仍算合格。有些化学品如游离卤素、强酸、有机酸及游离胺类等也会造成铜面腐蚀，不可任其接触到实验的铜面。 注：标准助焊剂配置：将35gw/w 级松香溶于100ml纯度为99%的试剂级IPA中搅拌均匀。2. 铬酸银试纸法： 本法是用于铬酸银试纸目视检测助焊剂中是否含有卤化物，做法如下： 将一滴助焊剂滴在试纸上，保留15秒后立即浸入IPA中尽量洗掉助焊剂残渣，并令试纸在空气中干燥10分钟，检查试纸变色情形，若试纸出现圆形的白色或淡黄色征象时，即表示助焊剂中含有卤化物。3. 腐蚀测试： 将固含约0.035g的助焊剂滴于铜板上，在助焊剂中央放一块0.100.05g的焊锡（63/37），将铜板置于2355的锡炉上，待焊锡融化后保持51秒取出后置于401.PH932%的温湿箱中，M和H级助焊剂样板放置72H，取出后用20倍显微镜观察，是否出现下列腐蚀现象。（1） 在助焊剂残余物与铜边缘界面上或助焊剂残余物不连续地方有凸出物。（2） 助焊剂残余物里有白色斑点。注：在样板加热过程中出现的颜色不认为是腐蚀，但在后续过程中，蓝绿色的消失或退色被认为是腐蚀。4. 表面绝缘阻抗的测定： 此方法用于测定助焊剂残渣的导电性能，在清洗过的梳形线路板上涂一薄层待测助焊剂后，在2605的焊锡浴中浮置51秒（或在传送速度为61/min的2605锡波中），取出后用混合溶剂（三氯乙烷：IPA=9：1体积比）清洗（免洗助焊剂不用清洗）。将各测试点用纯白松香与导线焊接，在100V直流电压下分别测试1和2、2和3、3和4、4和5之间电压，用40-50V直流偏电压取代100V电压，将梳形线路置于80 PH65%温湿箱中，分别在24小时、96小时和168小时后进行测试100V下的绝缘电阻值。5. 助焊剂扩展率的测定： 将5块铜片洗净后放入1502烘箱中氧化1H，将直径为1.5MM的SN61/PB39焊料绕在圆形芯轴上，再沿芯轴方向将焊料切断，便得每个焊料环的质量为0.30.005g，共做10个，将焊料环放在铜片中间，在焊环中间滴0.10ml（约两滴）助焊剂后，将铜片水平地放置在2355焊锡槽上保持30S，取出试样水平放置冷却至室温，用无水乙醇洗去助焊剂残渣，测量焊点高度H，精确到0.001MM，以5块试片焊点高度平均值作为焊点高度，将余下的5个焊料环放在小磁蒸发器中放在平板上加热，使其熔化为一个小球，冷却后用比重瓶测出其排水量M，精确到0.001