00147-SMT无铅焊接深圳研讨会-3-锡焊机理与焊点可靠性分析

1、 一一. 概述概述 熔焊熔焊 焊接种类焊接种类 压焊压焊 钎焊钎焊 钎焊钎焊 压焊压焊 熔焊熔焊 超声压焊超声压焊 金丝球焊金丝球焊 激光焊激光焊 电子装配的核心电子装配的核心连接技术：焊接技术连接技术：焊接技术 焊接技术的重要性焊接技术的重要性 焊点是元器件与印制电路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。度就决定了电子产品的性能和可靠性。 焊接方法（钎焊技术）焊接方法（钎焊技术） 手工烙铁焊接手工烙铁焊接 浸焊浸焊 波峰焊波峰焊 再流焊再流焊 软钎焊软钎焊 焊接学中，把焊接温度低于焊

2、接学中，把焊接温度低于450的焊的焊 接称为软钎焊，所用焊料为软钎焊料。接称为软钎焊，所用焊料为软钎焊料。 软钎焊特点软钎焊特点 钎料熔点低于焊件熔点。钎料熔点低于焊件熔点。 加热到钎料熔化，润湿焊件。加热到钎料熔化，润湿焊件。 焊接过程焊件不熔化。焊接过程焊件不熔化。 焊接过程需要加焊剂。（清除氧化层）焊接过程需要加焊剂。（清除氧化层） 焊接过程可逆。（解焊）焊接过程可逆。（解焊） 电子焊接电子焊接是通过熔融的焊料合金与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（焊缝），从而实现两个被焊接金属之

3、间电 气与机械连接的焊接技术。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、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。属间结合层（焊

4、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。焊点的抗拉强度与金属间结合层的结构和厚度有关。 二二. 锡焊机理锡焊机理 表面清洁表面清洁 焊件加热焊件加热 熔锡润湿熔锡润湿 扩散结合层扩散结合层 冷却后形成焊点冷却后形成焊点 润湿、黏度、毛细管现象、热传导、扩散、溶解润湿、黏度、毛细管现象、热传导、扩散、溶解 润湿角润湿角 焊点的最佳润湿角焊点的最佳润湿角 Cu-Pb/Sn 1545 当当=0时，完全润湿时，完全润湿；当当=180时，完全不润湿时，完全不润湿； =焊料和母材之间的界面焊料和母材之间的界面 与焊料表面切线之间的夹角与焊料表面切线之间的夹角 分子

5、运动分子运动 （1 1）润湿）润湿 液体在固体表面漫流的物理现象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物质固有的性质 分子运动分子运动 润湿润湿条件条件 （a a）液态焊料与母材之间有良好的亲和力，能互相溶解。）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。物质固有的性质。 （b b）液态焊料与母材表面清洁，无氧化层和其它污染物。）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，清洁的表面使焊料与母材原子紧密接近，产生引

6、力， 称为润湿力。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。的原因之一。 分子运动分子运动 表面张力表面张力 表面张力表面张力在不同相共同存在的体系中，由于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。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由于液体内部分子受到四周分子的作用力是对 称的，作用

7、彼此抵消，合力称的，作用彼此抵消，合力=0=0。但是液体表面分子。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，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。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。熔融焊料在金属表面也有表面张力现象。 大气大气 大气大气 液体内部分子受力合力液体内部分子受力合力=0=0 液体表面分子受液体内分子的引力大气分子引力液体表面分子受液体内分子的引力大气分子引力 分子运动分子运动 表面张力与润湿表面张力与润湿力力 熔融焊料在金属表面润湿的程度除了与液态焊料与熔融焊料在金属表面润湿的程

8、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。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。表面张力是物质的本性，不能消除，但可以改变。 分子运动分子运动 再流焊再流焊当焊膏达到熔融温度时，在当焊膏达到熔融温度时，在的表面张的表面张 力的作用下，会产生自定位效应（力的作用下，会产生自定位效应（self alignmentself alignment）。表）。表 面张力使再流焊工艺对贴装精度要求比较宽松，比较容易面张力使再流焊工艺对贴装精度要

9、求比较宽松，比较容易 实现高度自动化与高速度。同时也正因为实现高度自动化与高速度。同时也正因为“再流动再流动”及及 “自定位效应自定位效应”的特点，再流焊工艺对焊盘设计、元器件的特点，再流焊工艺对焊盘设计、元器件 标准化有更严格的要求。如果表面张力标准化有更严格的要求。如果表面张力，焊接后会，焊接后会 出现元件位置偏移、吊桥、桥接、等焊接缺陷。出现元件位置偏移、吊桥、桥接、等焊接缺陷。 波峰焊波峰焊波峰焊时，由于表面张力与润湿力的方向波峰焊时，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。相反，因此表面张力是不利于润湿的因素之一。 SMDSMD波峰焊时表面张力造成阴影效

10、应波峰焊时表面张力造成阴影效应 熔融熔融合金的粘度与表面张力是焊料的重要性能。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。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。锡铅合金的粘度和表面张力与合金的成分密切相关。 配比（配比（W%） 表面张力表面张力(N/cm)粘度（粘度（mPas) SnPb 20804.6710-32.72 30704.710-32.45 50504.7610-32.19 63374.910-31.97 8

11、0205.1410-31.92 锡铅合金配比与表面张力及粘度的关系（锡铅合金配比与表面张力及粘度的关系（280测试）测试） 粘度与表面张粘度与表面张 力力 分子运动分子运动 提高温度提高温度升温可以降低黏度和表面张力的作用。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。分子对表面分子的引力。 适当的金属合金比例适当的金属合金比例SnSn的表面张力很大，增加的表面张力很大，增加PbPb可以降可以降 低表面张力。低表面张力。63Sn/37Pb63Sn/37Pb表面张力明显减小。表面张力明显

12、减小。 表表 mn/m 粘粘 面面 度度 张张 540 力力 520 500 T（） 480 10 20 30 40 50 Pb含量含量% 温度对黏度的影响温度对黏度的影响 250时时Pb含量与表面张力的关系含量与表面张力的关系 增加活性剂增加活性剂能有效地降低焊料的表面张力，还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。可以去掉焊料的表面氧化层。 改善焊接环境改善焊接环境采用氮气保护焊接可以减少高温采用氮气保护焊接可以减少高温 氧化。提高润湿性氧化。提高润湿性 金属原子以结晶排列，原子间作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。用力平衡，保持晶格的形状和稳

13、定。 当金属与金属接触时，界面上晶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。移动到另一个晶格点阵。 扩散条件：相互距离扩散条件：相互距离（金属表面清洁，无氧化层和其它杂质，（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）两块金属原子间才会发生引力） 温度温度（在一定温度下金属分子才具有动能）（在一定温度下金属分子才具有动能） 四种扩散形式：四种扩散形式：表面扩散；晶内扩散；晶界扩散；选择扩散。表面扩散；晶内扩散；晶界扩散；选择扩散。 Pb 表面扩散表面扩散 向晶粒内扩散向晶粒内扩散 分割晶粒扩散分割晶

14、粒扩散 选择扩散选择扩散 晶粒晶粒 金属间结合层金属间结合层 Cu3Sn和和Cu6Sn5 金属间结合层金属间结合层 Cu3Sn和和Cu6Sn5 放大放大1,000倍的倍的QFP引脚焊点横截面图引脚焊点横截面图 以以63Sn/37Pb焊料为例，焊料为例， 共晶点为共晶点为183 焊接后（焊接后（210-230） 生成金属间结合层：生成金属间结合层： （1 1）金属间合金层（金属间结合层）质量与厚度）金属间合金层（金属间结合层）质量与厚度 （2 2）焊接材料的质量）焊接材料的质量 （3 3）焊料量）焊料量 （4 4）PCBPCB设计设计 当温度达到当温度达到210-230时，时， Sn向向Cu表面

15、扩散，而表面扩散，而Pb不扩散。初不扩散。初 期生成的期生成的Sn-Cu合金为：合金为：Cu6Sn5（相）相）。其中。其中Cu 的重量百分比含的重量百分比含 量约为量约为40%。 随着温度升高和时间延长，随着温度升高和时间延长， Cu 原子渗透（溶解）到原子渗透（溶解）到Cu6Sn5 中，局部结构转变为中，局部结构转变为Cu3Sn（相）相）， Cu 含量由含量由40%增加到增加到66%。 当温度继续升高和时间进一步延长，当温度继续升高和时间进一步延长， Sn/Pb焊料中的焊料中的Sn不断向不断向Cu 表面扩散，在焊料一侧只留下表面扩散，在焊料一侧只留下Pb，形成，形成富富Pb层层。 Cu6Sn

16、5和和富富Pb层层 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。焊接界面处发生裂纹。 焊缝焊缝(结合层结合层)结构示意图结构示意图 Pb Cu焊端表面焊端表面 Cu Cu3 名称名称分子分子 式式 形成形成位置位置颜色颜色结晶结晶性质性质 相相Cu6Sn5 焊料润湿焊料润湿 到到Cu时时 立即生成立即生成 Sn与与Cu 之间的界之间的界 面面 白色白色球状球状 珊贝状珊贝状 良性，强良性，强 度高度高 相相Cu3Sn 温度高、温度高、 焊接时间焊接时间 长引起长引起 Cu与与 Cu6Sn5之之 间间

17、灰色灰色骨针状骨针状恶性，强恶性，强 度差，脆度差，脆 性性 Cu Cu3Sn Cu6Sn5 富富Pb层层 Sn/Pb 拉伸力拉伸力 （千（千lbl/in2） *4m时，由于金属间合金层时，由于金属间合金层 太厚，使连接处失去弹性，由于太厚，使连接处失去弹性，由于 金属间结合层的结构疏松、发脆，金属间结合层的结构疏松、发脆， 也会使强度小。也会使强度小。 *厚度为厚度为0.5m时抗拉强度最佳；时抗拉强度最佳； *0.54m时的抗拉强度可接受；时的抗拉强度可接受； *0.5m时，由于金属间时，由于金属间 合金层太薄，几乎没有强度；合金层太薄，几乎没有强度； 金属间合金层厚度（金属间合金层厚度（m

18、） 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 (a)焊料的合金成份和氧化程度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；（要求焊膏的合金组分尽量达到共晶或近共晶； 含氧量应小于含氧量应小于0.5%，最好控制在，最好控制在80ppm以下）以下） (b) 助焊剂质量（净化表面，提高浸润性）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）生化学扩散反应） (d) 焊接温度和焊接时间焊接温度和焊接时间 焊点和元件受热的热量随温度和时间的增加而增加

19、。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。金属间结合层的厚度与焊接温度和时间成正比。 例如例如183以上，但没有达到以上，但没有达到210230时在时在Cu和和Sn 之间的扩散、溶解，不能生成足够的金属间结合层。只有之间的扩散、溶解，不能生成足够的金属间结合层。只有 在在220 维持维持2秒钟的条件下才能生成良性的结合层。但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。性金属间结合层。焊点变得脆性而多孔。 Sn-Pb

20、系焊料金相图系焊料金相图 A-B-C线线液相线液相线 A-D、C-E线线固相线固相线 D-F、E-G线线溶解度曲线溶解度曲线 D-B-E线线共晶点共晶点 L区区液体状态液体状态 L+ 、L+ 区区二相混合状态二相混合状态 + 区区凝固状态凝固状态 最佳焊接最佳焊接 温度线温度线 液态液态 固态固态 （3）与焊料量有关）与焊料量有关 合金成分合金成分熔点（熔点（ ） Sn-58BiSn-58Bi138138 Sn-20In-2.8AgSn-20In-2.8Ag179-189179-189 Sn-10Bi-5ZnSn-10Bi-5Zn168-190168-190 Sn-8.8ZnSn-8.8Zn1

21、98.5198.5 Sn-3.5Ag-4.8BiSn-3.5Ag-4.8Bi205-210205-210 Sn-7.5Bi-2Ag-0.5CuSn-7.5Bi-2Ag-0.5Cu213-218213-218 Sn-3.5Ag-1.5InSn-3.5Ag-1.5In218218 Sn-3.5AgSn-3.5Ag221221 Sn-2AgSn-2Ag221-226221-226 Sn-5SbSn-5Sb232-240232-240 合金合金 成分成分 密度密度 g/mm2 熔点熔点 膨胀膨胀 系数系数 10-6 热传导热传导 率率 Wm-1K-1 电导率电导率 %IACS 电阻电阻 系数系数 M-

22、cm 表面表面 张力张力 260mNm-1 8.518323.95011.515481 7.521723.573.215.611548 Pb是不扩散的，是不扩散的， Pb在焊缝中只起到填在焊缝中只起到填 充作用。另外，无铅焊料中充作用。另外，无铅焊料中的含量达到的含量达到95%以上以上。 金属间结合层的主要成分还是金属间结合层的主要成分还是 Sn-Cu (比比Sn/Pb大十几倍大十几倍)，液相，液相 温度对成分很敏感。温度对成分很敏感。 因此因此 ，造成焊，造成焊 接温度的变化。接温度的变化。 液态液态 固态固态 最佳焊最佳焊 接温度接温度 线线 Sn-Pb系焊料金相图系焊料金相图 Sn-Cu

23、 (1) PCB设计设计 (2) 焊料的质量：合金成份及其氧化程度焊料的质量：合金成份及其氧化程度 (3) 助焊剂质量助焊剂质量 (4) 被焊接金属表面的氧化程度（元件焊端、被焊接金属表面的氧化程度（元件焊端、PCB焊盘）焊盘） (5) 工艺：印、贴、焊（工艺：印、贴、焊（） (6) 设备设备 (7) 管理管理 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，或浸析现象，或“溶蚀溶蚀”现象，俗称现象，俗称“被吃被吃”。 b.影响浸析的因素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。被焊金属、焊料成分

24、、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。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。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-钯合钯合 金端电极的片式元件时也会出现金端电极的片式元件时也会出现“浸析浸析”现象，使用含银焊料可以现象，使用含银焊料可以 解决上述问题。解决上述问题。 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（免过量的铜溶于焊料中（PCB焊盘、引脚均为铜）。应经常监测焊焊盘、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。料中铜的含量，一旦超标，应及时清除过量的铜锡合金。 63Sn37Pb63Sn37Pb合金的合金的CTECTE是是24.524.5