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1、焊接原理與焊點可靠性分析,顧靄云,一. 概述 二. 錫焊機理 三. 焊點可靠性分析 四. 焊接質量 五. 焊接質量控制方法 六. 影響SMT組裝質量的關鍵工序 七. 錫鉛焊料特性,內容,一. 概述,熔焊 焊接種類 壓焊 釬焊,釬焊,壓焊,熔焊,,超聲壓焊 金絲球焊 激光焊,電子裝配的核心連接技術：焊接技術 焊接技術的重要性 焊點是元器件與印制電路板電氣連接和機械連接的連接點。焊點的結構和強度就決定了電子產品的性能和可靠性。,焊接方法（釬焊技術）,手工烙鐵焊接 浸焊 波峰焊 再流焊,軟釬焊,焊接學中，把焊接溫度低于450的焊接稱為軟釬焊，所用焊料為軟釬焊料。,軟釬焊特點,釬料熔點低于焊件熔點
2、。 加熱到釬料熔化，潤濕焊件。 焊接過程焊件不熔化。 焊接過程需要加焊劑。（清除氧化層） 焊接過程可逆。（解焊）,電子焊接是通過熔融的焊料合金與兩個被焊接金屬表面之間生成金屬間合金層（焊縫），從而實現(xiàn)兩個被焊接金屬之間電氣與機械連接的焊接技術。,當焊料被加熱到熔點以上，焊接金屬表面在助焊劑的活化作用下，對金屬表面的氧化層和污染物起到清洗作用，同時使金屬表面獲得足夠的激活能。熔融的焊料在經過助焊劑凈化的金屬表面上進行浸潤、發(fā)生擴散、溶解、冶金結合，在焊料和被焊接金屬表面之間生成金屬間結合層（焊縫），冷卻后使焊料凝固，形成焊點。焊點的抗拉強度與金屬間結合層的結構和厚度有關。,二. 錫焊機理,,錫焊
3、過程焊接過程是焊接金屬表面、助焊劑、熔融焊料和空氣等之間相互作用的復雜過程,表面清潔,焊件加熱,熔錫潤濕,擴散結合層,冷卻后形成焊點,,,,,物理學潤濕、黏度、毛細管現(xiàn)象、熱傳導、擴散、溶解,化學助焊劑分解、氧化、還原、電極電位,冶金學合金、合金層、金相、老化現(xiàn)象,電學電阻、熱電動勢,材料力學強度（拉力、剝離疲勞）、應力集中,焊接過程中焊接金屬表面（母材）、助焊劑、熔融焊料之間相互作用,1. 助焊劑與母材的反應 （1）松香去除氧化膜松香的主要成分是松香酸，融點為74。170呈活性反應， 300以上無活性。松香酸和Cu2O反應生成松香酸銅。松香酸在常溫下和300以上不能和Cu2O起反應。 （2）
4、溶融鹽去除氧化膜一般采用氯離子Cl-或氟離子F- ，使氧化膜生成氯化物或氟化物。 （3）母材被熔融活性強的助焊劑容易熔融母材。 （4）助焊劑中的金屬鹽與母材進行置換反應。,,2. 助焊劑與焊料的反應 （1）助焊劑中活性劑在加熱時能釋放出的HCl與SnO起還原反應。 （2）活性劑的活化反應產生激活能，減小界面張力，提高浸潤性。 （3）焊料氧化，產生錫渣。 3.焊料與母材的反應 潤濕、擴散、溶解、冶金結合，形成結合層,錫焊機理,（1）潤濕 （2）擴散 （3）溶解 （4）冶金結合，形成結合層,潤濕角,焊點的最佳潤濕角 Cu----Pb/Sn 1545 ,當=0時，完全潤濕；當=180時，完全不潤濕
5、；,=焊料和母材之間的界面 與焊料表面切線之間的夾角,分子運動,（1）潤濕,液體在固體表面漫流的物理現(xiàn)象 潤濕是物質固有的性質 潤濕是焊接的首要條件,分子運動,潤濕條件,（a）液態(tài)焊料與母材之間有良好的親和力，能互相溶解。 互溶程度取決于：原子半徑和晶體類型。因此潤濕是物質固有的性質。 （b）液態(tài)焊料與母材表面清潔，無氧化層和其它污染物。 清潔的表面使焊料與母材原子緊密接近，產生引力，稱為潤濕力。 當焊料與被焊金屬之間有氧化層和其它污染物時，妨礙金屬原子自由接近，不能產生潤濕作用。這是形成虛焊的原因之一。,分子運動,表面張力,表面張力在不同相共同存在的體系中，由于相界面分子與體相內分子
6、之間作用力不同，導致相界面總是趨于最小的現(xiàn)象。 由于液體內部分子受到四周分子的作用力是對稱的，作用彼此抵消，合力=0。但是液體表面分子受到液體內分子的引力大于大氣分子對它的引力，因此液體表面都有自動縮成最小的趨勢。 熔融焊料在金屬表面也有表面張力現(xiàn)象。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,大氣,大氣,液體內部分子受力合力=0,液體表面分子受液體內分子的引力大氣分子引力,分子運動,表面張力與潤濕力,熔融焊料在金屬表面潤濕的程度除了與液態(tài)焊料與母材表面清潔程度有關，還與液態(tài)焊料的表面張力有關。 表面張力與潤濕力的方向相反，不利于潤濕。 表面張力是物質的本性，不能消除，但
7、可以改變。,分子運動,表面張力在焊接中的作用,再流焊當焊膏達到熔融溫度時，在平衡的表面張力的作用下，會產生自定位效應（self alignment）。表面張力使再流焊工藝對貼裝精度要求比較寬松，比較容易實現(xiàn)高度自動化與高速度。同時也正因為“再流動”及“自定位效應”的特點，再流焊工藝對焊盤設計、元器件標準化有更嚴格的要求。如果表面張力不平衡，焊接后會出現(xiàn)元件位置偏移、吊橋、橋接、等焊接缺陷。,,波峰焊波峰焊時，由于表面張力與潤濕力的方向相反，因此表面張力是不利于潤濕的因素之一。,SMD波峰焊時表面張力造成陰影效應,, 熔融合金的粘度與表面張力是焊料的重要性能。 優(yōu)良的焊料熔融時應具有低的粘度和表
8、面張力，以增加焊料的流動性及被焊金屬之間的潤濕性。 錫鉛合金的粘度和表面張力與合金的成分密切相關。,錫鉛合金配比與表面張力及粘度的關系（280測試）,粘度與表面張力,分子運動,焊接中降低表面張力和黏度的措施,提高溫度升溫可以降低黏度和表面張力的作用。 升高溫度可以增加熔融焊料內的分子距離，減小焊料內分子對表面分子的引力。 適當?shù)慕饘俸辖鸨壤齋n的表面張力很大，增加Pb可以降低表面張力。63Sn/37Pb表面張力明顯減小。,,,,,,,,,,,,,,,, 表 mn/m 粘 面 度 張 540
9、 力 520 500 T（） 480 10 20 30 40 50 Pb含量% 溫度對黏度的影響 250時Pb含量與表面張力的關系,,增加活性劑能有效地降低焊料的表面張力，還可以去掉焊料的表面氧化層。 改善焊接環(huán)境采用氮氣保護焊接可以減少高溫氧化。提高潤濕性,金屬原子以結晶排列，原子間作用力平衡，保持晶格的形狀和穩(wěn)定。 當金屬與金屬接觸時，界面上晶格紊亂導致部分原子從一個晶格點陣移動到另一個晶格點陣。,擴散條件：相互距離（金屬表面清潔，無氧化層和其它雜質， 兩塊金屬原子間才會發(fā)生引
10、力） 溫度（在一定溫度下金屬分子才具有動能）,（2）擴散,四種擴散形式：表面擴散；晶內擴散；晶界擴散；選擇擴散。,,,,,,,,,,,,,,,,Pb,Sn,,,,,表面擴散,向晶粒內擴散,分割晶粒擴散,選擇擴散,表面擴散、晶內擴散、晶界擴散、選擇擴散示意圖,Cu表面,,,熔融Sn/Pb焊料側,晶粒,（3）溶解,母材表面的Cu分子被熔融焊料融蝕,,,金屬間結合層 Cu3Sn和Cu6Sn5,金屬間結合層 Cu3Sn和Cu6Sn5,,,放大1,000倍的QFP引腳焊點橫截面圖,以63Sn/37Pb焊料為例， 共晶點為183 焊接后（210-230） 生成金屬間結合層： Cu6Sn5和Cu3
11、Sn,（4）冶金結合，形成結合層（金屬間擴散、溶解的結果）,關于無鉛焊接原理,無鉛焊接過程、原理與有鉛是一樣的。 主要區(qū)別是由于合金成分和助焊劑成分改變了，因此焊接溫度、生成的金屬間結合層及其結合層的結構、強度、可靠性也不同了。 何況有鉛焊接時Pb是不擴散的， Pb在焊縫中只起到填充作用。另外，無鉛焊料中Sn的含量達到95%以上。金屬間結合層的主要成分還是Cu6Sn5和Cu3Sn 。 當然也不能忽視次要元素也會產生一定的作用。,Sn-Ag-Cu系統(tǒng)中Sn與次要元素Ag和Cu之間的冶金反應,在Sn-Ag-Cu三個元素之間有三種可能的二元共晶反應： （a）Ag與Sn在221形成錫基質相位的共晶結構
12、和金屬之間的化合相位(Ag3Sn)。 （b）Cu與Sn在227形成錫基質相位的共晶結構和金屬間的化合相位(Cu6Sn5)。 （c）Ag與Cu在779形成富Ag 相和富Cu 相共晶合金。 但在Sn-Ag-Cu的三種合金固化溫度的測量研究中沒有發(fā)現(xiàn)779相位轉變。在溫度動力學上解釋：更適于Ag或Cu與Sn反應，生成Ag3Sn和Cu6Sn5 。,Sn-Ag-Cu無鉛焊料中Ag與Sn在221形成共晶板狀的Ag3Sn合金,板狀的Ag 3Sn較硬，當Ag含量超過3.2wt%以后（出現(xiàn)過共晶成分）拉伸強度降低，容易造成疲勞壽命降低，因此推薦使用低Ag的 Sn3Ag0.5Cu。,結論：“在共晶點附近，成分不能
13、向金屬間化合物方向偏移”,三. 焊點可靠性分析,影響焊點強度的因素： （1）金屬間合金層（金屬間結合層）質量與厚度 （2）焊接材料的質量 （3）焊料量,當溫度達到210-230時， Sn向Cu表面擴散，而Pb不擴散。初期生成的Sn-Cu合金為：Cu6Sn5（相）。其中Cu 的重量百分比含量約為40%。 隨著溫度升高和時間延長， Cu 原子滲透（溶解）到Cu6Sn5 中，局部結構轉變?yōu)镃u3Sn（相）， Cu 含量由40%增加到66%。當溫度繼續(xù)升高和時間進一步延長， Sn/Pb焊料中的Sn不斷向Cu表面擴散，在焊料一側只留下Pb，形成富Pb層。 Cu6Sn5和富Pb層之間的的界面結合力非
14、常脆弱，當受到溫度、振動等沖擊，就會在焊接界面處發(fā)生裂紋。,以63Sn/37Pb焊料與Cu表面焊接為例,（1）金屬間合金層（金屬間結合層）質量與厚度,焊縫(結合層)結構示意圖,,,,,,,,,,,,,Pb,熔融Sn/Pb焊料側,Cu焊端表面,Cu,,Sn,,,Cu6Sn5,Cu3Sn,富Pb層,焊料直接與Cu生成的合金層,紅色的箭指示的是 Cu3Sn 層,Cu6Sn5與Cu3Sn兩種金屬間結合層比較,Cu Cu3Sn Cu6Sn5 富Pb層 Sn/Pb,,,,,,拉伸力 （千lbl/in2）,,*4m時，由于金屬間合金層太厚，使連接處失去彈性，由于金屬間結合層的結構疏松、發(fā)脆，也會使強度小。
15、,*厚度為0.5m時抗拉強度最佳；,*0.54m時的抗拉強度可接受；,*0.5m時，由于金屬間 合金層太薄，幾乎沒有強度；,金屬間合金層厚度（m）,金屬間合金層厚度與抗拉強度的關系,金屬間合金層厚度與抗拉強度的關系,金屬間結合層的質量與厚度與以下因素有關：,(a)焊料的合金成份和氧化程度 （要求焊膏的合金組分盡量達到共晶或近共晶； 含氧量應小于0.5%，最好控制在80ppm以下） (b) 助焊劑質量（凈化表面，提高浸潤性） (c) 被焊接金屬表面的氧化程度（只有在凈化表面，才能發(fā)生化學擴散反應） (d) 焊接溫度和焊接時間,焊點和元件受熱的熱量隨溫度和時間的增加而增加。 金屬間結合層
16、的厚度與焊接溫度和時間成正比。 例如183以上，但沒有達到210230時在Cu和Sn之間的擴散、溶解，不能生成足夠的金屬間結合層。只有在220 維持2秒鐘的條件下才能生成良性的結合層。但焊接溫度更高時，擴散反應率就加速，就會生成過多的惡性金屬間結合層。焊點變得脆性而多孔。,焊接熱量是溫度和時間的函數(shù),運用焊接理論正確設置溫度期曲線 才能獲得最好焊點質量。,Sn-Pb系焊料金相圖,A-B-C線液相線 A-D、C-E線固相線 D-F、E-G線溶解度曲線 D-B-E線共晶點 L區(qū)液體狀態(tài) L+、L+區(qū)二相混合狀態(tài) +區(qū)凝固狀態(tài),（2）焊接材料的質量,,,有鉛、無鉛都應選擇共晶或近共晶焊料合金,最
17、佳焊接溫度線,液態(tài),固態(tài),Sn-Ag-Cu三元系焊料金相圖,,（3）與焊料量有關,合格的焊點,四. 焊接質量,焊接缺陷（IPC標準）,IPC標準（分三級）,IPC焊點檢驗標準舉例 SOP、QFP焊點檢驗標準,可接受二級 可接受三級 F=T/2+G F=T+G （F焊點高度 T引腳厚度 G引腳底面焊料厚度）,SMT質量要求,,高質量 高直通率 高可靠（壽命保證 ） ！,返修的潛在問題,返修工作都是具有破壞性的 ,盡量避免返修，或控制其不良后果 ！,返修會縮短產品壽命,過去我們通常認為，補焊和返修，使焊點更加牢固，看起來更加完美，可以提高電子組
18、件的整體質量。但這一傳統(tǒng)觀念并不正確。,新的質量管理理念,質量是在設計和生產過程中實現(xiàn)的，,而不是通過檢查返修來保證的；,質量是企業(yè)中每個員工的責任，而不只是品質部的工作；,質量是通過工藝管理實現(xiàn)的，,DFM 工藝優(yōu)化和技術改進 工藝監(jiān)控 供應鏈管理,五. 焊接質量控制方法,首先要預防或減少焊接缺陷的發(fā)生（由ISO質量體系和完善的工藝來保證） 制訂規(guī)范： 可制造性設計（工藝性設計）規(guī)范 檢驗標準 通用工藝（印焊膏、貼、焊、檢、修、洗、調試.） （印膠、貼、膠固化、成形、插、焊、檢、修、洗、調試.） 產品工藝,嚴格按照規(guī)范執(zhí)行，就能提高直通率 和實現(xiàn)高可靠性,然后能夠及時（及早）發(fā)現(xiàn)問題，盡量不
19、要等到最后。 在整個生產加工過程中，把錯誤和缺陷控制在生產工序的越前端損失越小。 (產前準備、首件檢驗、生產過程控制) 焊后發(fā)現(xiàn)了質量問題必須返修，需要返工工時、還可能損壞元器件和印制板，損失較大。另外即使修好了，對可靠性也有影響。, 發(fā)現(xiàn)問題后，能夠準確分析質量故障原因，提出解決和預防措施。才能消除病根，才能徹底解決。因為同一種缺陷，其產生原因是不一樣的。例如，波峰焊工藝中同樣是“焊料不足”，有的是由于插裝孔和焊盤設計不正確；有的是由于元件端頭可焊性不好；有的是由于預熱或焊接溫度過高造成的因此只有正確判斷，才能消除或減少缺陷的發(fā)生。,怎樣才能正確分析、判斷焊接質量故障原因并提出
20、解決和預防措施呢？ (1)首先要了解再流焊、波峰焊機理和工藝特點， 再流焊的工藝特點： a 有“再流動”與自定位效應 b 每個焊點的焊料成分與焊料量是固定的 波峰焊的工藝特點： 波峰焊比再流焊復雜得多。波峰焊是熔融焊料循環(huán)流動的群焊工藝。預熱、焊接溫度和時間、傳送帶速度等工藝參數(shù)很難具體規(guī)定，因此工藝參數(shù)的綜合調整對提高波峰焊質量是非常重要的。,,工藝,設備工具,制造,設計,基板 元器件 材料,(2)考慮所有問題時應以SMT工藝特點為基礎 再流動 、 自定位、 焊料成分與焊料量是固定的 波峰焊是熔融焊料循環(huán)流動的群焊工藝,(3) 工藝、設備、設計、材料與質量都是相互關聯(lián)而無法分開
21、的因素。只有通過綜合考慮才能最有效的解決問題。 例如：元器件焊端氧化，可選擇RA（全活性）焊膏，采用焊后清洗工藝； 另外還可以通過適當提高焊接溫度來提高潤濕能力......,,產品質量是企業(yè)的生命線。SMT是一項復雜的綜合的系統(tǒng)工程技術。必須從PCB設計、元器件、材料、以及工藝、設備、規(guī)章制度等多方面進行控制，才能保證SMT加工質量。,(4)工藝人員要深入生產現(xiàn)場，多實踐、多總結,(5) 應用數(shù)據(jù)處理技術,a. 統(tǒng)計 / 計算（應注意數(shù)據(jù)的準確性）,b. 規(guī)劃 / 分類,c. 分析 / 判斷,（人工或利用AOI）,SPC,六. 影響SMT組裝質量的關鍵工序,,,印刷焊膏 施加貼片膠,再流
22、焊 膠固化 波峰焊,焊膏量過多會產生橋接， 焊膏量過少會產生焊錫不足或虛焊。 膠量過多會污染焊盤，過少會影響粘結強度,,,焊點是元器件與印制電路板電氣連接 和機械連接的連接點。焊點的結構和 強度就決定了電子產品的性能和可靠性。 焊接溫度過高、過低都會影響焊點強度。,七. 錫鉛焊料特性,,a 浸入液態(tài)焊料中的固體金屬會產生溶解，生產中將這種現(xiàn)象稱之為浸析現(xiàn)象，或“熔蝕”現(xiàn)象，俗稱“被吃”。 b.影響浸析的因素被焊金屬、焊料成分、焊料的溫度和流動速度。金、銀、銅在焊料中均有較高的溶解速度。 溫度上升，溶解速度增加；焊料流動速度增加，溶解速度也增加。 c.金、銀在液態(tài)焊料中也有很高溶解能力，在焊接
23、厚膜電路和銀-鈀合金端電極的片式元件時也會出現(xiàn)“浸析”現(xiàn)象，使用含銀焊料可以解決上述問題。 d.在生產中應正確調節(jié)焊接的時間和溫度，特別是在波峰焊中，以避免過量的銅溶于焊料中（PCB焊盤、引腳均為銅）。應經常監(jiān)測焊料中銅的含量，一旦超標，應及時清除過量的銅錫合金。,浸析現(xiàn)象,63Sn37Pb合金的熱膨脹系數(shù)CTE是24.510-6，從室溫升到183，體積會增大1.2%，而從183降到室溫，體積的收縮卻為4%，故錫鉛焊料焊點冷卻后有時有縮小現(xiàn)象。,冷凝收縮現(xiàn)象,無鉛焊料也有冷凝收縮現(xiàn)象,（a）降低熔點。 （b）改善機械性能，提高錫鉛合金的抗拉強度和剪切強度。 （c）降低表面張力，有利于焊料在被焊
24、金屬表面上的潤濕性。 （d）抗氧化，增加焊料的抗氧化性能，減少氧化量。,鉛在焊料中的作用,鋅(Zn)含量達0.10%，就會對焊點的外觀、焊料的流動性及潤濕性造成不良影響。含量達0.001%就會有影響。 鋁(Al)對焊料的流動性和潤濕性有害，不但影響外觀和操作，而且容易發(fā)生氧化和腐蝕，含量達0.001%就有影響。 鎘(Cd)具有降低熔點的作用，并能使焊料的晶粒變得粗大而失去光澤，含量達0.001%就會使流動性降低，焊料會變脆。,錫鉛合金中的雜質,銅(Cu)銅是有害雜質之一，常來源于焊接過程，特別是波峰焊時PCB焊盤溶解到焊料中，當銅含量超過4%時，焊料熔點上升，流動性變差，焊點易產生拉尖、橋接等
25、缺陷，因此銅含量是經常檢測的項目。 鐵(Fe)會使焊料熔點增高，不易操作，還會使焊料帶上磁性。 鉍(Bi)鉍可使焊料熔點下降，并變脆。,銻(Sb)可使焊料的機械強度和電阻增大。當含量在0.3%3%時，焊點成形極好；如含量在6%以內，不但不會出現(xiàn)不良影響，還可以使焊點的強度增加，增大焊料的蠕變阻力，所以可用在高溫焊料中；當含量超過6%，焊料會變得脆而硬，流動性和潤濕性變差，抗腐蝕性減弱。 砷(As)即使含量很少，也會影響焊點外觀，使硬度和脆性增大，但可使流動性略有提高。 磷(P)量小時會增加焊料流動性，量大時則會熔蝕烙鐵頭。,錫鉛合金在固態(tài)時不易氧化，然而在熔化狀態(tài)下極易氧化。特別是在機械攪拌下，如在波峰焊料槽中受機械泵攪拌，更加強了氧化物的生成，大部分以錫渣的形式出現(xiàn)在錫槽的表面，嚴重時會堵塞波峰出口，大量的黑色的SnO粉末的生成會導致焊料性能惡化、變質，嚴重時整個焊料均會報廢。,液態(tài)錫鉛焊料的易氧化性,無鉛波峰焊由于Sn的含量達99%以上， 溫度提高30，液態(tài)焊料高溫氧化問題嚴重,（a）加入防氧化油 （b）使用活性炭類的固體防氧化劑 （c）使用防氧化焊料 防氧化焊料是在錫鉛合金焊料中添加少量的其它金屬粉末來實現(xiàn)焊料防氧化性能的提高。目前使用較多的是加入微量稀有金屬末改善錫鉛焊料的防氧化性能，焊接工藝性如潤濕性也不受影響。,錫鉛焊料的防氧化,
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