焊锡原理解析

焊锡手册焊锡手册第一章焊锡原理其次章生疏锡铅合金第三章生疏助焊剂第四章助焊剂的选择12第一章焊锡原理在争论焊锡工程所用的材枓之前，我们必需先清楚地了解焊锡的根本原理。否则我们便无法用目视来检验焊锡后锡铅合金与各种零件所形成的焊点是否标准。第一節润湿WETTING焊锡的定义中可以觉察「润湿」是焊接过程中的主角。所谓焊接即是利用液态的「焊锡」润湿在基材上而到达接合的效果，这种现象正如水倒在固体外表一样，不同的是「焊锡」会随着温度的降低而凝固成接点。当焊锡润湿在基材上时，理论上两者之间会以金属化学键结合，而形成一种连续性的接合，但实际状况下，基材会受到空气及周遭环境的侵蚀，而形成一层氧化膜来阻挡「焊锡」，使其无法到达较好的润湿效果。其现象正如水倒在涂满油脂的盘上，水只能聚拢在部份的地方，而无法全面均匀的分布在盘子上。假设我们未能将基材外表的氧化膜去除，即使牵强沾上「焊锡」，其结合力气还是格外的弱。焊接与胶合的不同当两种材料用胶黏合在一起，其外表的相互黏着是由于胶给它们之间的机械键所致。由于胶不容易在两者之间固定，所以光亮的外表无法像粗糙或蚀刻的外表黏着性那么好。胶合是一种外表现象，当胶是潮湿状态时，它可以从原来的外表被擦掉。焊接是焊锡和金属之间形成一金属化学键，焊锡的分子穿入基材表层金属的分子构造，而形成一结实、完全金属的构造。当焊锡熔解时，也不行能完全润湿和无润湿Wetting&Non-wetting一块涂有油脂的金属薄板浸到水中，没有润湿现象，此时水会成球状的水滴，一摇即掉，因此，水并未润湿或黏在金属薄板上。如将此金属薄板放入热清洁溶剂中加以清洗，并留神地枯燥，再把它浸入水中，此时水将完全地清洁当金属薄板格外干净时，水便会润湿金属外表，因此，当「焊锡外表」和「金属外表」也很干净时，焊锡一样会润湿金属外表，其对清洁程度的要求远比水于金属薄板上还要高很多，由于焊锡和金属之间必需是严密的连接，否则在它们之间会马上形成一很薄的氧化层。不幸的是，几乎全部的金属在第三章我将争论助焊剂有抑制此问题的功能。注一：「焊锡」：是指60/40/或63/37的锡铅合金。注二：WETTING:其中文意思是「润湿」或「润焊」。注三：「基材」：泛指被焊金属，如PCB或零件脚。毛细管作用如将两片干净的金属外表合在一起后，浸入熔化的焊锡中，焊锡将润湿此两片金属外表并向上爬升，以填满相近外表之间的间隙，此为毛细管作用。假设金属外表不干净的话，便没有润湿及毛细管作用的力气将锡贯满此孔，并在印刷线路板上面形成所谓的「焊锡带」并不完全是锡波的压力将焊锡推动此孔。外表张力我们都看过昆虫在池塘的外表行走而不润湿它的脚，那是由于有一看不到的薄层或力气支持着它，这便是水的外表张力。同样的力气使水在涂有油脂的金属薄板上维持水滴状，用溶剂加以清洗会削减外表张力，水便会润湿和形成一薄层。在第三章，我们将会知道助焊剂在金属外表上的作用就像溶剂对涂有油脂的金属薄板一样。溶剂去除油脂，让水润湿金属外表和削减外表张力。助焊剂将去除金属和焊锡间的氧化物，好让焊锡润湿金属外表。即温度愈高，外表张力愈小。我们用图来表示焊锡润湿和无润湿的情形，将更简洁了解。1-1a.熔锡中无助焊剂，形成一大润湿角度的球状。b. 熔锡中有助焊剂，焊锡润湿铜外表而形成一小润湿角度。1-1-a.张力。1-1-b.湿基层金属而形成一薄层。焊锡外表和铜板之间的角度，称为润湿角度(wettingangle)1-2单面基板和电镀贯穿孔基板上的焊点润湿角度都很小，焊锡都己外流而形成羽毛状边缘。润湿的热动力平衡焊接工程不行或缺的材料是「焊锡」、「助焊剂」和「基层金属」。我们假设基层金属的表面是完全清洁、无氧化物。当一滴焊锡滴在基层金属上，助焊剂在焊锡的四周时，简称LLIQUID助锡剂为F:FLUX或V:VAPOR)基层金属为S:SOLIDBASEMETAL当焊锡润湿在基层金属上，静止下来时，亦即是力平衡的状态。图1-3热平衡的润湿图依上图，得知P =P +P COSBSF LS LFP 是液体在固体上集中的力气。SF当焊锡滴在固体外表呈圆球状时，P >PSF LS

+P COS9，此时开头集中，9角度渐渐变小，PLF

COS9值变大，直到力气平衡为止。9>909>90°，则表示PSF

以9角度来说：9>90° 时称为退润湿(dewet)。9=180°

时称为未润湿(nonwet)。90 °v9v180°时为润湿不良(poorlywettedsurface)。90°>9>M，我们称为边际润湿(marginalwetting)通常的M>75°，这种润湿也是不能承受的程度。9VM，此称为良好润湿(goodwetting)，在品质要求高的产品，M值的要求可低于75度。图图1-4-a 是完全未润湿,1-4-b是完全润湿，9=0由上述说明B1-4-c是部份润湿，0°V9V180PARTIALWETTINGdKO^^丸”)TOTALNONWETTING(I?1-4润湿程度和二面角度的关系其次節焊点TOTALWLTTlNGt*?=0“)我们己经理论地争论在干净的金属外表上加焊锡时会产生润湿现象。现在，我们必需了解实际上所发1. 金属间的形成1-5-a用焊锡焊接在一起，将他们之间的一小部份取出并放大200倍(1-5-b)在中间的是焊锡，两边是基层铜板。但是，在铜和焊锡之间的材料在焊接之前并不存在，那是焊锡中锡和铜的外表层形成的化合物，它是铜/锡化合物(Cu3Sn,Cu6Sn)，也称为「金属间化合物」(intermetalliccompound)。当焊锡润湿铜板时才会形成金属间化合物，同时它也是润湿己发生的表示。铜 焊锡 金属间化合物1-5金属化合物的形成1-6金属间化合物的侧视图1-71-15所示外表图1-7 金属格子在真空中的略图空氮••••••••••68图1-9 在空气中失去光泽的金属略图液體助焊劑失光澤廨液體助焊劑失光澤廨I1-10液体助焊剂预备去除金属外表氧化层的略图，尚无化学作用1-11去除氧化层后，助焊剂掩盖在干净的金属外表，预备过锡的略图1-12焊锡润湿在干净的金属外表的略图图1-12 焊锡润湿在干净的金属外表的略图99筠錫合金區｛金韻間的化合物i基層金屬筠錫合金區｛金韻間的化合物i基層金屬OO0空0Oo0氯,aooooO0c^/,丄丄A丄A A—A丄 丄★★★★★>亠n0A-fk★*★*★表面★★★★★★****★★青★*★★*★1-14在空气中焊锡格子的略图〔如同1-8，尚未失去光泽〕空塑鋅窈氧化空塑鋅窈氧化1-15失去光泽的焊锡外表略图〔1-9〕1-17焊锡随热的流淌而通过贯穿孔焊点龟裂「金属间化合物」比「焊锡」或「铜」还要硬，而且也比较脆。假设此金属间化合物太厚的话，当焊点受到热或机械性的应力下，便会产生焊点龟裂如图 1-16所示。厚金屬化合物1-16因厚金属间化合物的形成而突然发生龟裂单面和电镀贯穿印刷线路板图1-2所示是完善焊点的横断面图，焊锡己因毛细管作用吸食而上，填满电镀贯穿孔，并流到零件面的热在被焊金属外表的温度未上升到比焊锡的熔点高之前，是无法得到满足的焊点，此热便由预热器和焊锡炉的锡波而来。锡波仅和基板底部接触的时间内加热焊点，过锡时间都会影响焊锡的品质。

所以预热、锡温、1-17-a/b/c/表示焊锡的流淌是随热的流淌而通过贯穿孔。(a)锡钖润湿孔的下外表热的流淌而通过贯穿孔。(a)锡钖润湿孔的下外表

1011锡带」图1-17 焊锡随热的流淌而通过贯穿孔12121-181-181-18贯穿孔的铜裂致使热流淌无法到达顶部，焊锡带故无5.焊点外表清洁度和腐蚀焊锡外表同样也有未饱和键，与空气接触后，形成氧化层，通常焊锡中的铅会很快的生成氧化铅，氧化PbO+2HCIfPbCb+WOPbCO

+2HCI PbCl3

+CO2白色粉状腐蚀物由上项反响可看出HC1不断PbO反响，生成PbCl2

再与腐蚀行为会始终持续不停顿。又释放出HC1如HC1不断循环使用，毫无消耗，因此腐蚀行为会始终持续不停顿。腐蚀会减少导体导电、损坏接点强度、漏电，而空气中的水气更会加速再次腐蚀及漏电。一般来说，助焊剂剩余物是腐蚀的最大缘由，而事实上还有很多其它缘由会造成污染腐蚀。基板制作中使用的溶液：如电镀及蚀刻溶液剩余在基板上。人的汗水：人体的汗水中所含氯离子，其所具有的腐蚀性，可能较其它因素为高。环境污染：在工业区空气中常含有硫会腐蚀银外表。输送系统的污染：输送系统常会有润滑油等污染物。包装材料的污染：此类污染较易避开。13其次章生疏锡铅合金第一節 焊铅合金相变图Tin-LeadAlloyPhaseDiagram上图是锡铅合金的成份、温度转变及相的变化，金之共融点。两种以上金属在液体状况下混合时会有

C点称为共晶点亦为Sn63/Pb37锡铅合固熔体的产生(2)金属化合物的产生⑶维持原来的成份，锡铅合金自Sn19.5%起到97.5%,有一条不变的固相线即BCE线(183.3C)。ABC及CDE皆为半熔融状态区，而ACD曲线则表示液相线。固相线与液相线会合在共晶点C。换63%37%183.3C至ACD(183.3C)55T~80C。共晶点焊锡：电子工业期望于最低温度下完成焊锡工作，那就得利用熔点最低之锡铅合金。 63/37或60/40之共晶点焊锡可符合此项要求，其理由有以下三点：因其不经过半熔融状态而快速的固化或液化，因此可以最快速度完成焊锡工作。能在较低温度下开头焊接作用，乃锡铅合金中焊接性能最正确之一种。熔液之潜钻力强，可扎根般地渗透进金属外表之极微细隙。第三章生疏助焊剂第三章生疏助焊剂第一節 助焊剂的四大功能助焊剂〔FLUX〕这个字来自拉丁文是〃流淌〃〔FlowinSoldering〕的意思，但在此它的作用不只是帮助流淌，还有其它功能，助焊剂的主要功能为：〔一〕去除焊接金属外表的氧化膜。〔二〕在焊接物外表形成一液态的保护膜隔绝高温时四周的空气，防止金属外表的 氧化。〔三〕降低焊锡的外表张力，增加其集中力量。〔四〕焊接的瞬间，可以让熔融状的焊锡取代，顺当完成焊接。其次節 助焊剂的化学特性1 化学活性ChemicalActivity要到达一个好的焊点，被焊物必需要有一个完全无氧化层的外表，但金属一旦曝露于空气中会生成氧化层，这种氧化层无法用传统溶剂清洗，此时必需依靠助焊剂与氧化层起化学作用，当助焊剂去除氧〔一〕是相互起化学作用形成第三种物质。〔二〕氧化物直接被助焊剂剥离。〔三〕上述二种反响并存。松香助焊剂去除氧化层，即第一种反响，松香主要成份为松香酸

〔Abieticacid〕和异构双帖酸〔Isomericditerpeneacids〕

，当助焊剂加热后与氧化铜反响，形成铜松香〔Copperabiet〕,呈绿色透亮状物质，易溶入未反响的松香内与松香一起被去除，即使有残留，也不会腐蚀金属外表。氧化物曝露在氢气中的反响，即是典型的其次种反响，在高温下氢与氧反响成水，减少氧化物，这种方法常用在半导体零件的焊接上。几乎全部的有机酸或无机酸都有力量去除氧化物，但大部份都不能用来焊锡，助焊剂之被使用除了去除氧化铜松香氧化铜松香2ThermalStabilityOXIDIZED

(127~315°C)MOLTERROISN当助焊剂在去除氧化物反响的同时，必需还要形成一个保护膜，防止被焊物外表再度氧化，直到接触焊COPPER〔Decomposion〕3助焊剂在不同温度下的活性3助焊剂在不同温度下的活性Activation&DeactivationTemperatures好的助焊剂不只是要求热稳定性，在不同温度下的活性亦应考虑。助焊剂的功能即是去除氧化物，通常在某一温度下效果较佳，例如 RA的助焊剂，除非温度到达某一程度，氯离子不会解析出来清理氧化物，固然此温度必需在焊锡作业的温度范围内。另一个当温度过高时，亦可能降低其活性，如松香在超过 600T(315C)时，几乎无任何反响，如果无法避开高温时，可将预热时间延长，使其充分发挥活性后再进入锡炉。也可以利用此一特性，将助润湿力量Wettingpower为了能清理基材外表的氧化层，助焊剂要能对基层金属有很好的润湿力量，同时亦应对焊锡有很好的润湿力量以取代空气，降低焊锡外表张力，增加其集中性。集中率助焊剂在焊接过程中应有帮助焊锡集中的力量，集中与润湿都是帮助焊点的角度改善，通常「集中率」(Spreadfactor)可用来作助焊剂强弱的指针。第三節助焊剂的运作3-1-a当热板的热上升，焊锡会熔解和流淌，如图如何发生。

3-1-b/c/d，让我们来看，它是当助焊剂加热后，它变为活性化，然后开头去除铜板上的氧化物，和预防任何氧化物的再形成。焊锡马上润湿铜板和开头流淌，如图

3-1-b。它在此重力之下连续向外流淌，如图3-1-c。直到外表张力和润湿力平衡时为止，如图3-1-d，具有小的润湿角度和薄羽毛状边缘。3-13-2具体地盖住整个区域并防止再形成氧化物。图3-2 助焊剂动作的特写镜头也无润湿力，焊锡的外表张力使它无法流遍铜板。我们己看过当铜板上的助焊剂加热后锡球会流遍铜板。有时候，同量的焊锡流过的区域面积大小也当做助焊剂活性的测量方式。1617第四节助焊剂的分类传统助焊剂分类3-3助焊剂类型助焊剂基底 助焊剂催化没加催化剂

助焊剂型式1•树脂2•有机的3.无机的

1松香无松香水溶解无水溶解盐酸

2.卤素活化3.无卤素活化没加催化剂卤素活化3.无卤素活化没加催化剂卤素活化3.无卤素活化没加催化剂卤素活化3.无卤素活化有氨盐基氯化物没有氨盐基氯化物磷酸其它的酸

液状C.膏状助焊剂特征分类的趋向对电子电路而言，依据R,RMA,RA和RSA分类的焊锡助焊剂的旧略图已经缺乏够了。这个事实，IPC会议和参与委员会委任它的焊接小组更对 SolderingElectronicInterconnections(IPC-S-815)—般要求的文件。经过漫长的争论之后，委员会产生有关 助焊剂和助焊剂剩余的化学活性的助焊剂基底的改革分类。将来，助焊剂3-4的分类列出。L-低或没有助焊剂或助焊剂剩余活性M-中等助焊剂或助焊剂剩余活性H-高助焊剂或助焊剂助焊剂分类。IPC-S815A文件也细分电子装配为以下三类：分类一：消费者产品

包括电视，玩具，消遣用的电子产品和非严格审查的消费者产品和工业用的掌握零件。包括计算机，电视传讯设备，简单的业务机器，仪器和必定的非严格审查的军事应用产品。包括仪器的持续执行力量被严格审查，仪器不允许有停机时间或是维持生命的仪器。3-4和助焊剂残余的级别〕

和助焊剂剩余的描述测试要求测试 要求铜镜银铬酸盐或卤化物L腐蚀铜镜

背景上的固定面积通过银铬酸盐测试或＜=0.5percent卤化物不会有腐蚀。假设有绿/蓝色线条消灭在助焊剂--4.5.5.2〔银铬酸盐测试〕在有助焊剂除卤化物 <=0.2percent卤化物M腐蚀铜镜H 腐蚀

H类型。在有助焊剂的整个面积铜镜完全移除>2.0percent卤化物大部份腐蚀的迹象*铜的污点或削减铜薄膜的