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澳门新新浦京小课堂 | 第一期:电子装联焊接基础理论

澳门新新浦京小课堂 | 第一期:电子装联焊接基础理论

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今天小编给大家来科普一下电子装联焊接的基础知识我们先从最基础的焊接讲起,焊接分为熔焊压焊钎焊,简单理解如图1所示。

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钎焊的历史

我国最早的文献记载《汉书》有云:“胡桐泪盲似眼泪也,可以汗金银也,今工匠皆用之。(汗即焊)。到明代的《开工天物》以及物理小识都有类似记载。

钎焊的原理又是什么呢?

钎焊在工业上被定义为采用比母材溶化温度低的钎料,操作温度采用低于母材固相而高于钎料液相线的一种焊接技术。钎焊时钎料熔化为液态,而母材保持为固态,液态钎料在母材的间隙中或表面上润湿、毛细流动、填充、铺展、与母材相互作用(溶解、扩散或产生金属间化合物)、冷却凝固形成牢固的接头,从而将母材连接在一起。由于历史原因,钎焊一直被分为硬钎焊和软钎焊,他们之间以450度为分界线。

* IPC的定义:Metallurgical joining two metal surfaces using a material filler with a melting point below 800F.

* 美国军标MIL认为软/硬钎焊的分界线为429度800F。

我们所探讨的焊接主要指的是软钎焊,并把软钎料简称为“钎料”或“焊料”。上述分类的总结如图2所示。

 

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一、构成软钎焊的基本要素:

母材(基体金属)、焊料和助焊剂。

 

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二、软钎焊的工艺特点:

1)可以同时焊接多个焊点;

2)可以在较低的温度下进行焊接,对PCB及电子元器件的热损伤小;

3)接合部导电性好;

4)可实现高可靠性的接合;

5)接合部返修容易;

6)可同时适用于烙铁焊、浸焊、波峰焊、再流焊等多种焊接方法;

7)所用焊接材料及设备价格不高,经济实惠。

 

三、软钎焊的优点:

1)熔化温度范围窄,适合工程应用范围需要;

2)润湿性、机械性能和电气性能可以满足电子产品要求;

3)经济性较好。

 

四、常用的焊接方法

1)手工烙铁焊接

2)浸焊

3)波峰焊(传统和选择性)

4)回流焊

5)焊接机器人

6)热压焊

7)激光焊

 

五、焊接原理

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,冷却后使焊料凝固,形成焊点,如图4所示。焊点的抗拉强度与金属间结合层的结构和厚度有关。

焊接过程可以总结为以下四个步骤:

1)润湿

2)扩散

3)溶解

4)冶金结合,形成结合层(IMC)

 

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1. 润湿

润湿是物质固有的性质,润湿是焊接的首要条件。焊料与母材原子紧密接近,产生引力,称为润湿力。

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* 润湿角θ
θ=焊料和母材之间的界面与焊料表面切线之间的夹角。当θ=0°时,完全润湿;当θ=180°时,完全不润湿;焊点的最佳润湿角Cu--Pb/Sn 15~45°


  

 

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  1. 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。

c)表面张力——由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。

 

  1. 解决方案

①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。

②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。

③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。

④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。


2 扩散

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。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)。

 

  1. 扩散的分类

1)按扩散类型分

a)自扩散:即同种金属原子间的扩散现象。

b)相互扩散:异种金属原子间的扩散,例如,在焊接中母材和焊料之间的扩散。

c)单一扩散:指单方向的其他元素的扩散现象。如渗碳,氮化,在金属浸透的场合C,N,向金属原子的扩散。

 

2)按物理现象分

a)表面扩散:熔融焊料的原子沿被焊金属结晶表面的扩散。

b)晶界扩散:熔化的焊料原子沿着固体金属的结晶晶界的扩散现象。

c)晶内扩散(体扩散):熔化的焊料原子扩散到固体金属的晶粒内去的过程。

d)选择扩散:两种以上的金属元素组成的焊料进行焊接时,只有某一种金属元素扩散,其他金属根本不扩散。

7 按照物理现象分的四种扩散类型示意图


3)溶解

母材表面的Cu分子被熔融的液态焊料溶解或溶蚀。


4)冶金结合,形成金属结合层(IMC)

焊接是依靠在接合界面上生成合金层而形成连接强度的。这种以合金的元素成分按原子量的比例以化学结合的方式结合在一起的物质,叫做金属间化合物(IMC)。

要得到良好的焊接效果,钎料成分和母材成分必须发生能形成牢固结合的冶金反应,即在界面上生成适当的合金层。在焊接连接界面上,IMC的形成与否和形成的质量好坏,对焊接接头的机械、化学、电气等性能有着关键性的影响。换言之,评价一个良好焊点的关键就是是否生成了合适的金属间化合物(IMC)。

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(如图8所示)

8 金属间结合层Cu3Sn和Cu6Sn5

以下图9是焊点内部构造的金相图,可以观察到焊点的微观形貌。

9 焊点内部构造图

IMC的特性

金属间化合物(IMC)一般是既硬又脆的,厚度越厚反而其焊点强度越差。

IMC的评价          

什么样的金属间化合物(IMC)是我们所追求的呢,业内比较公认的说法是,焊接后焊点界面长出合金层IMC,且长得平坦、均匀、连续即可,具体来说,主要用以下3点来评价。

①厚度均匀

关于IMC的厚度,业内说法不一,但比较认可的观点是IMC的平均厚度在1~4um,且最低值不低于0.5um是比较良性的合金层,太薄的合金层(<0.5um)焊点可能呈冷焊状,强度不够。

②形貌良好

良性的IMC的形貌是呈扇贝状,连续、均匀的界面,但随着焊接温度、时间及扩散的增加,IMC加速生长,形貌从最初的扇贝状转变成屋脊状,最终形成恶性的棱镜状,其所承受的内应力在增加,机械强度在弱化,变化过程如下所示

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③结构成分合适

金属间化合物的厚度与温度和时间的平方根成线性增长,界面间的持续扩散不仅会导致IMC厚度的增加,而且会导致IMC结构与成分的变化。

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电子装联焊接是一门综合性的应用技术,涉及的学科是多方面的。本文小编根据自身的实践经验以及业内同仁的观点进行整理总结,分享了焊接分类、钎焊的原理、软钎焊的基本要素和工艺特点及优点、常用的焊接方法、焊接原理等,希望大家能有所收获。

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参考文献:

[1]樊融融,现代电子装联焊接技术基础及其应用[M].北京:电子工业出版社,2015.12.

[2]罗道军,电子组装工艺可靠性技术与案例研究[M].北京:电子工业出版社,2015,9.

[3]刘哲,现代电子装联工艺学[M].北京:电子工业出版社,2016.1.

[4]顾霭云,焊点机理与可靠性分析,演讲PPT.

[5]许琳,深圳迈瑞,金属间化合物(IMC)对焊点质量影响之浅析.

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