焊接原理与焊点可靠性分析

1、焊接原理和焊接点的可靠性分析，区霭云，一.概括二.锡焊接机理三.焊接点的可靠性分析四.无铅焊接原理、内容、一.概况、熔焊种类的压焊、压焊、超声波压焊的金线球焊激光焊接，电子组件的芯连接技术：焊接技术焊接焊点的结构和强度决定了电子产品的性能和可靠性。 焊接方法(焊接技术)、手焊、硬焊、软焊、软焊，在焊接学中，是指焊接温度不到450的软焊。 焊接的特征，焊料的熔点比焊料的熔点低。 加热到焊料熔化，弄湿焊料。 焊接过程中焊接物不熔化。 焊接过程中需要加焊剂。 焊接过程是可逆的。 (焊接)电子焊料是通过在熔化的焊料合金和两个被焊接金属表面之间形成金属间合金层(焊接)，将两个被焊接金属间进行机械连接的焊

2、接技术。 焊料加热到熔点以上时，焊料的金属表面通过焊剂的活性化，在发挥清洗金属表面的氧化层和污染物的作用的同时，在金属表面得到充分的活性化能。 熔化的焊锡浸润、扩散、溶解、冶金结合在被焊剂净化的金属表面上，在焊锡和被焊锡金属表面之间生成金属间结合层(焊接线)，冷却后使焊锡凝固，形成熔核。 焊点的拉伸强度与金属间结合层的结构和厚度有关。 二、锡焊机理、焊接过程3354的焊接过程是焊接金属表面、焊剂、熔融焊料和空气等相互作用的复杂过程，表面清洁，焊料加热、熔融焊料湿润，接合层扩散，冷却后形成焊点，物理学湿润、粘度、毛细管现象化学焊剂分解、氧化、还原、电极电位冶金学3354合金、合金层、金相、老化现

3、象、电电阻、热电动势、材料力学3354强度(拉伸力、剥离疲劳)、应力集中、焊接过程中金属表面(母材)、焊剂、熔融焊锡的相互作用、1 .焊剂与母材的反应170出现活性反应，300以上不活性。 枞酸与Cu2O反应生成枞酸铜。 枞酸在常温下300以上时与Cu2O不反应。 (2)熔盐除去氧化膜一般使用氯离子Cl-或氟离子F-，在氧化膜上生成氯化物或氟化物。 (3)母材用熔融的活性强的焊剂容易熔融母材。 (4)焊剂中的金属盐与母材发生置换反应。 2 .助焊剂和焊料的反应(1)助焊剂中的活性剂在加热时能够放出的HCl，与SnO发生还原反应。 (2)活性剂的活化反应产生活化能，减小表面张力，提高浸润性。 (

4、3)焊料氧化，产生锡渣。 3、焊料和母材的反应湿润、扩散、熔化、冶金结合、形成结合层，形成锡焊机理、(1)湿润(2)扩散(3)熔化(4)冶金结合、结合层，湿润角、焊点的最佳湿润角Cu-Pb/Sn 1545、=0时，完全湿润； 当=180时，完全不润湿，=焊锡和母材界面和焊锡表面切线之间的角度，分子运动，(1)润湿、液体在固体表面扩散的物理现象润湿是焊接的第一条件，分子运动，润湿条件，(a )液态焊锡和母材之间有良好的亲和力，可以相互溶解。 相互溶解的程度取决于原子半径和结晶类型。 因此，润湿是物质固有的性质。 (b )液态焊锡和母材表面清洁，没有氧化层和其他污染物。 清洁的表面使焊锡和母材原子

5、紧密接触，产生引力，称为润湿力。 如果在焊锡和被焊锡金属之间存在氧化层或其他污染物，就会妨碍金属原子的自由接近，不会产生润湿作用。 这是焊接的原因之一。分子运动、表面张力、表面张力在不同的共存系统中，由于相界面分子和相内分子之间的力不同，引起了相界面总是最小的现象。 液体内部的分子受到周围分子的力是对称的，作用被抵消，合力=0。 但是，液体表面分子受到液体内分子的引力比大气分子的引力大，因此液体表面有自动缩小到最小的倾向。 熔化焊锡在金属表面也有表面张力现象。，大气，液体的内部分子受到力的合力=0，液体的表面分子的引力大气分子的引力，分子运动，表面张力和润湿力，熔融焊料在金属表面润湿的程度除了

6、与液体焊料和母材表面的清洁度相关以外，液体焊料的表面张力也表面张力与湿润力的方向相反，不利于湿润。 表面张力是物质性质，不能消除，但可以改变。 分子运动、表面张力在焊接中的作用、回流焊锡膏达到熔融温度时，在平衡的表面张力的作用下产生自对准效果。 表面张力缓和了对回流焊工序安装精度的要求，容易实现高度的自动化和高速化。 同时由于“再流”和“自定位效果”的特点，再流焊接技术对焊接垫的设计、零件的标准化要求更为严格。 如果表面张力不均衡，焊接后会产生零件的位置偏移、桥、桥等焊接缺陷。 波峰焊接波峰焊接时，表面张力和湿润力的方向相反，表面张力是不利于湿润的因素之一。 SMD波峰焊接时的表面张力带来影响

7、，熔融金的粘度和表面张力是焊料的重要性能。 优秀的焊锡熔化时，应该具有低粘度和表面张力，提高焊锡的流动性和被焊锡金属间的润湿性。 锡铅合金的粘度和表面张力与合金的成分密切相关。锡铅合金的配合比和表面张力和粘度的关系(280测试)、粘度和表面张力、分子运动、降低焊接过程中表面张力和粘度的措施，提高温度的升温可降低粘度和表面张力的作用。 提高温度，熔化焊料内的分子距离增加，焊料内的分子对表面分子的引力减少。 合适的金属合金比例Sn的表面张力大，增加Pb可以降低表面张力。 63Sn/37Pb的表面张力明显减少。，表mn/m粘度张540力520t()480203050pb含有率温度对粘度的影响250下

8、的Pb含有率和表面张力的关系，表mn/m粘度张540力520t()480203050Pb能有效地降低焊锡的表面氧化层改善焊接环境用氮气保护焊接，可以减少高温氧化。 提高润湿性，金属原子由结晶排列，原子间的力平衡，保持晶格的形状和稳定。 金属与金属接触时，界面的晶格紊乱，原子的一部分从一个晶格移动到另一个晶格。 扩散条件：相互距离(金属表面清洁，没有氧化层和其他杂质，两个金属原子之间产生引力)温度(在一定温度下金属分子具有动能)，(2)扩散，4种扩散形式：表面扩散； 粒内扩散； 晶界扩散； 选择扩散。、Pb，Sn，表面扩散，分割结晶粒扩散，选择扩散，表面扩散，粒内扩散，晶界扩散，选择扩散图像，C

9、u表面，熔融Sn/Pb焊锡侧，结晶粒，(3)溶解，母材表面的Cu分子溶解于熔融液状焊锡， 金属间耦合层Cu3Sn和Cu6Sn5金属间耦合层Cu3Sn和Cu6Sn5，1， 放大000倍的QFP引线焊盘剖面图，以63Sn/37Pb焊料为例，共晶点为183的焊接后(210-230)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)，最后冷却凝固形成焊盘影响熔核强度的因素： (1)金属间合金层(金属间接合层)的质量和厚度(2)焊锡材料的质量(3)焊锡量(4)PCB设计，温度达到210-230时，Sn向Cu表面扩散，Pb不扩散。 初期生成的Sn-Cu合金为Cu6

10、Sn5(相)。 其中Cu的重量%的含量约为40%。 随着温度上升和时间的延长，Cu原子渗透(溶解)到Cu6Sn5中，局部结构变化为Cu3Sn(相)，Cu含量从40%增加到66%。 温度进一步上升，时间进一步变长时，Sn/Pb焊料中的Sn不断向Cu表面扩散，在焊料侧只残留Pb，形成富Pb层。 Cu6Sn5和富Pb层之间的界面结合力非常脆弱，受到温度、振动等冲击时，焊接界面会产生裂纹。 以63Sn/37Pb焊锡和Cu表面的焊接为例，(1)金属间合金层(金属间接合层)的质量和厚度，焊锡(接合层)的结构的示意图，Pb，熔融Sn/Pb焊锡侧，Cu焊锡端表面，Cu，Sn，Cu6Sn5，Cu3Sn，富Pb

11、焊料直接与Cu生成合金层红色箭头所示的是，如果比较Cu3Sn层、Cu6Sn5和Cu3Sn这2种金属间结合层，则在cu3sncu6sn5pb富层Sn/Pb、*4m的情况下，由于金属间合金层过厚，因此，接合部的弹性丧失，金属间结合层的结构稀疏且脆，*厚度为0.5m，拉伸强度最合适，*0.54m时的拉伸强度是可以容许的，*0.5m时，由于金属间合金层过薄，所以几乎没有强度，金属间合金层的厚度(m )、金属间合金层的厚度和拉伸强度的关系、金属间合金层的厚度和拉伸强度的关系， 金属间接合层的质量和厚度与以下因素有关： (a )焊锡的合金成分和氧化程度(要求焊锡膏的合金成分尽可能地共晶或接近共晶； 氧含量

12、请控制在0.5%以下(b )焊剂的质量(净化表面，提高润湿性) (c )被焊接金属表面的氧化程度(仅在净化表面时发生化学扩散反应) (d )焊接温度和焊接时间，焊接点和元件受到热的热量随温度和时间增加。 金属间接合层的厚度与焊接温度和时间成比例。 例如在183以上，但不达到210230时，在Cu和Sn之间扩散溶解，无法生成充分的金属间结合层。 只能在220 下维持2秒的条件下生成良性结合层。 但是，焊接温度进一步提高时，扩散反应率变快，生成很多恶性金属间结合层。 焊接点变脆变成多孔质。 焊接热量是温度和时间的函数，只有用焊接理论正确设定温度曲线，才能得到最高的焊接点质量。Sn-Pb系焊锡金相图

13、、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3354凝固状态、铅、铅氟关于液体、固体、(3)焊锡量，(4)PCB设计、4 .无铅焊锡的原理，(1)现在使用最多的无铅焊锡合金(2)Sn-Ag-Cu系焊锡的最佳成分(3)IPC推荐无铅焊锡(4)无铅焊锡的原理现在使用最多的回流焊料中使用的无铅焊料是三元共晶或近共晶形式的sn-ag-cu焊料。Sn(34)wt%Ag(0.50.7)wt%Cu在允许范围内，其熔点为217左右。 在美国，在欧洲采用了Sn3.9Agwt%0.6wt%Cu无铅合金，在日本采用了Sn3.8Agwt%0.

14、7wt%Cu无铅合金，在日本采用了Sn3. 0Agwt%0.5wt%Cu无铅合金Sn-0.7Cu-Ni焊锡合金。 其熔点为227。 烙铁以Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu焊料居多。 (2)关于Sn-Ag-Cu系焊锡的最佳成分，Sn-Ag-Cu系焊锡的最佳成分在日、美、欧之间有微小的差异，日本的无铅实施在世界上处于领先地位，对无铅焊锡进行了深入的研究，根据他们的研究， Sn-Ag-cu焊料的ag和sn在221下形成共晶板状的Ag3Sn合金的ag含量超过3.2wt%时(出现共晶成分)板状的Ag31sn合金粗大化，粗大的板状Ag31sn变硬，拉伸强度降低，疲劳寿命容易降低，他们的结论是“共晶

15、Sn-Ag-Cu无铅焊锡在Ag和Sn为221时形成共晶板状的Ag3Sn合金，板状的Ag3Sn硬，Ag含量超过3. 2wt%时(出现共晶成分)拉伸强度降低，疲劳寿命容易降低，因此推荐低Ag的Sn3Ag0.5Cu 结论：“在共晶点附近，成分不能向金属间化合物的方向偏移”、(3)IPC推荐的无铅焊料： Ag含量为3.0wt%的Sn-Ag-Cu焊料，Sn95.8Ag3.5Cu0.7无铅焊料美国已经拥有专利权，另外，Ag的含量为3. 因此，IPC推荐使用Ag含量为3.0wt% (重量% )的Sn-Ag-Cu焊料。 比较无铅焊锡合金的熔点、Sn63Pb37和SnAg3.8Cu0.7的性能，继续研究更理想的

16、无铅焊锡，Sn基无铅合金得到广泛应用，但Sn63 与Pb37共晶焊料相比，虽然仍然存在熔点高、34的表面张力大、润湿性差、价格高的问题，但IPC认为无铅焊料的种类不能多，如果不进行单一标准化，对元件、可靠性有很大的影响。 IPC-A-610D是用Sn -Ag -Cu焊锡制作的规格。 (4)无铅焊接的原理、无铅焊接的过程、原理与63Sn-37Pb基本相同。 主要差异在于合金成分和助焊剂成分发生了变化，焊接温度、生成的金属间结合层及其结合层的结构、强度、可靠性不同。 更何况，如果有铅焊接，Pb就不会扩散，Pb只是在焊接中填充。 另外，无铅焊锡中Sn的含量达到了95%以上。 金属间耦合层的主要成分还是Cu6Sn5和Cu3Sn。 当然，无视二次要素也不能发挥一定的作用。 Sn-Ag-Cu体系中Sn、副元素Ag和Cu之间的冶金反应，在Sn-Ag-Cu三种元素之间有可能发生二元共晶反应： (a)Ag和Sn在221下形成锡矩阵相位的共晶结构和金属间的化合相位(Ag3Sn )。 (b)Cu和Sn在227下形成锡矩