釬焊機(jī)理
發(fā)布時(shí)間:2011/8/25 14:41:27 訪問次數(shù):4292
1．?dāng)U散 T1144NL
擴(kuò)散是實(shí)現(xiàn)金屬連接的微觀基礎(chǔ)。通常，金屬原子以結(jié)晶狀態(tài)排列，原子間作用力的平衡維持品格的形狀和穩(wěn)定。當(dāng)兩塊金屬接近到足夠小的距離時(shí)，界面上品格的紊亂導(dǎo)致部分原子能從一個(gè)晶格點(diǎn)陣移動(dòng)到另一個(gè)品格點(diǎn)陣，從而引起金屬之間的擴(kuò)散。這種發(fā)生在金屬界面上的擴(kuò)散結(jié)果，使兩塊金屬結(jié)合成一體，實(shí)現(xiàn)了金屬之間的“焊接”（見圖6.3.4）。
金屬之間的擴(kuò)散不是任何情況下都會(huì)發(fā)生，而是有條件的。兩個(gè)基本條件是：
①距離，兩塊金屬必須接近到足夠小的距離。
②溫度，只有在一定溫度下金屬分子才具有動(dòng)能，使得擴(kuò)散得以進(jìn)行。
釬焊就其本質(zhì)上說，是焊料與焊件在其界面上的擴(kuò)散（見圖6.3.5）。焊件表面的清潔和加熱是達(dá)到其擴(kuò)散的基本條件。
2．潤濕
1)潤濕現(xiàn)象
潤濕是發(fā)生在固體表面和液體之間的一種物理現(xiàn)象。如果液體能在固體表面漫流開（又稱為鋪展），我們就說這種液體能潤濕該固體表面。例如對(duì)于固體玻璃而言，水能在干凈的玻璃表面漫流而水銀就不能（見圖6.3.6），我們就說水能潤濕玻璃而水銀不能潤濕玻璃；對(duì)于液體水而言，水能潤濕玻璃而不能潤濕石蠟。
2)自由能與表面張力
這種潤濕現(xiàn)象是物質(zhì)所固有的一種性質(zhì)，取決于液體和固體表面的自由能。自由能是一個(gè)物理化學(xué)概念，指的是物質(zhì)通常在自然界三種形態(tài)（固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)）之間的界面上，由于分子作用力不平衡而產(chǎn)生的一種能量。液體表面由于分子作用力不平衡而產(chǎn)生的方向指向液體幾何中心的作用力稱為表面張力（見圖6.3.7）。表面張力阻礙液體流動(dòng)，具有使液體表面自動(dòng)縮成最小表面積的趨勢。
(1)焊料表面張力
顯然，對(duì)于潤濕現(xiàn)象而言，液體的表面張力是起阻礙作用的，表面張力越大，潤濕現(xiàn)象越不容易發(fā)生。表面張力在焊接過程中是一個(gè)非常重要的物理量，液態(tài)的熔融焊料的表面張力在500J/m2(185℃)左右，它的存在直接影響焊接過程和最終焊點(diǎn)質(zhì)量，許多焊接
缺陷的分析都需要表面張力的概念。表面張力是物質(zhì)固有性質(zhì)，我們無法消除它，只能改變它。
(2)焊件自由能
對(duì)于固體而言，自由能表現(xiàn)為對(duì)氣體的吸附作用，以及對(duì)液體潤濕其表面的拉動(dòng)作用。固體表面自由能越大，潤濕越容易進(jìn)行。
①所有清潔的金屬表面自由能都遠(yuǎn)大于其氧化物；
②金屬表面積越大，表面自由能也相應(yīng)增大。在錫焊中粗糙的焊件表面由于表面積大更容易被潤濕；
③不同金屬及其合金表面自由能不同，因而可以通過焊件表面鍍層改善其潤濕性能。
3)潤濕角
對(duì)于確定的固體表面和液體而言，在確定的環(huán)境條件（溫度、氣壓等）下，固體自由能和液體表面張力都是確定的，因此潤濕程度也是確定的，即液體在固體表面漫流到一定程度就停止了。此時(shí)，液體和固體交界處形咸一定的角度，這個(gè)角稱潤濕角，也叫接觸角，這是定量分析潤濕現(xiàn)象的一個(gè)物理量。如圖6.3.8所示，q角從0。～180。，q角越小，潤濕越充分。實(shí)際中我們以90。為潤濕的分界。 T74LS174BI
錫焊過程中，熔化的鉛錫焊料和焊件之間的作用，正是這種潤濕現(xiàn)象。如果焊料能潤濕焊件，我們則說它們之間可以焊接，觀測潤濕角是錫焊檢測的方法之一。潤濕角越小，焊接質(zhì)量越好。
一般質(zhì)量合格的鉛錫焊料和銅之間的潤濕角可達(dá)14。；無鉛焊料和銅之間的潤濕角一般超過20。；實(shí)際應(yīng)用中對(duì)鉛錫焊料而言，如果達(dá)到45。，焊接質(zhì)量可以接受(見圖6.3.9(a))。必須注意焊點(diǎn)潤濕角指的是界面，而不是焊料的幾何形狀(見圖6.3.9(b))。
4)潤濕力
物理基本定律告訴我們，任何物體運(yùn)動(dòng)都是受到力的作用，潤濕現(xiàn)象中液體在固體表面的鋪展運(yùn)動(dòng)也不例外。根據(jù)物理化學(xué)研究，在潤濕現(xiàn)象中，力作用在固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)交匯處，即圖6.3.10中界面交匯點(diǎn)的力有3個(gè)，分別是液一氣界面張力A、固一氣界面張力B和固-液界面張力C，使液體鋪展流動(dòng)的力是其合力F，則有
F=B-(C+Acosq)
式中，F(xiàn)為潤濕力；A為液-氣界面張力；B為固-氣界面張力；C為固-液界面張力；q為潤濕角。
潤濕力F也稱焊接力。在潤濕開始時(shí)q角最大，故F也最大，隨著潤濕過程的進(jìn)行，q角減小，F(xiàn)也減小，當(dāng)B=(C+Acosq)時(shí)，F(xiàn)=O，潤濕過程終止。
潤濕力決定了潤濕能否進(jìn)行以及潤濕的程度，其大小與固休自由能、液體表面張力以及氣體種類有關(guān)，前面已經(jīng)討論過，與錫焊過程和最終質(zhì)量密切相關(guān)。
作為潤濕力存在的一個(gè)實(shí)例，再流焊中焊料在焊接過程中沿元件引線的爬升是一個(gè)典型。如圖6.3.11所示，熔化的焊料能夠克服重力向上爬升，正是潤濕力的作用。
在錫焊中，潤濕力是必不可少的，但也不是越大越好，在實(shí)際焊接工藝中，有時(shí)潤濕力太大也會(huì)造成焊接缺陷。
3．結(jié)合層
1)結(jié)合層及其成分
焊料潤濕焊件的過程中，符合金屬擴(kuò)散的條件，所以焊料和焊件的界面有擴(kuò)散現(xiàn)象發(fā)生。這種擴(kuò)散的結(jié)果，使得焊料和焊件界面上形成一種新的金屬合金層，我們稱之為結(jié)合層，也稱界面層（見圖6.3.12）。結(jié)合層的成分既不同于焊料又不同于焊件，而是一種既有電化學(xué)作用（生成金屬間化合物，例如Cu6 Sn5、CU3Sn、Cu3Sn8等），又有冶金作用（形成合金固溶體）13特殊層。由于結(jié)合層的作用將焊料和焊件結(jié)合成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)金屬連續(xù)性（見圖6.3.13）。焊接過程同黏結(jié)物品的機(jī)理不同之處即在于此，黏合劑黏結(jié)物品是靠固體表面凸凹不平的機(jī)械嚙合作用，而錫焊則靠結(jié)合層的作用實(shí)現(xiàn)連接。
2)結(jié)合層厚度
焊料和5在錫焊過程中生成結(jié)合層，其厚度過薄或過厚都不能達(dá)到最好的性能。結(jié)合層小于0.5μm，焊料與焊件之間沒有形成擴(kuò)散，實(shí)際上是一種半附著性結(jié)合，強(qiáng)度很低；而大于5μm則意味著生成金屬間化合物過多，產(chǎn)生脆性，降低強(qiáng)度。關(guān)于結(jié)合層厚度,目前沒有公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，一般認(rèn)為0.5～3.5μm范圍較好，焊點(diǎn)強(qiáng)度高，導(dǎo)電性能好。
3)僉屬間化合物
金屬間化合物縮寫為IMC(inter metallic compound)，是金屬之間形成的組成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的化合物，例如銅和錫可以形成Cu3Sn、Cu6Sn5錫和銀形成Ag3Sn等。金屬間化合物雖然稱為“化合物”，卻不符合化合價(jià)規(guī)律，有人稱之為“電子價(jià)”結(jié)合。
對(duì)于錫焊而言'金屬間化合物是焊料和焊件之間形成結(jié)合層的組成部分，是擴(kuò)散進(jìn)行中金屬之間反應(yīng)的結(jié)果，而不是形成結(jié)合層的條件。因?yàn)閺牟牧辖Y(jié)構(gòu)來說，IMC是脆性結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度低于焊料，特別是形成連續(xù)層狀危害較大。圖6.3.13(a)是Ag3Sn形成的粗大結(jié)晶結(jié)構(gòu),圖6.3.13(b)是錫銀銅焊料和銅焊件在錫焊后形成結(jié)合層后，由于金屬間化合物Cu3Sn的形成而引起的空洞缺陷。
金屬間化合物的形成與焊接溫度以及時(shí)間有關(guān)，溫度越高、在高溫中持續(xù)的時(shí)間越長，金屬間化合物生成越多，由金屬間化合物導(dǎo)致缺陷的可能性越大。因此，焊接過程的溫度以及在高溫中持續(xù)的時(shí)間必須控制在可以接受的范圍內(nèi)，否則將影響焊點(diǎn)可靠性。
4．錫焊機(jī)理綜述
綜上所述，我們獲得關(guān)于錫焊的理性認(rèn)識(shí)如圖6.3.14所示，將表面清潔的焊件與焊料加熱到一定溫度，焊料熔化并潤濕焊件表面，在其界面上發(fā)生金屬擴(kuò)散并形成結(jié)合層，從而實(shí)現(xiàn)金屬的焊接。 V057023BCBB
1．?dāng)U散 T1144NL
擴(kuò)散是實(shí)現(xiàn)金屬連接的微觀基礎(chǔ)。通常，金屬原子以結(jié)晶狀態(tài)排列，原子間作用力的平衡維持品格的形狀和穩(wěn)定。當(dāng)兩塊金屬接近到足夠小的距離時(shí)，界面上品格的紊亂導(dǎo)致部分原子能從一個(gè)晶格點(diǎn)陣移動(dòng)到另一個(gè)品格點(diǎn)陣，從而引起金屬之間的擴(kuò)散。這種發(fā)生在金屬界面上的擴(kuò)散結(jié)果，使兩塊金屬結(jié)合成一體，實(shí)現(xiàn)了金屬之間的“焊接”（見圖6.3.4）。
金屬之間的擴(kuò)散不是任何情況下都會(huì)發(fā)生，而是有條件的。兩個(gè)基本條件是：
①距離，兩塊金屬必須接近到足夠小的距離。
②溫度，只有在一定溫度下金屬分子才具有動(dòng)能，使得擴(kuò)散得以進(jìn)行。
釬焊就其本質(zhì)上說，是焊料與焊件在其界面上的擴(kuò)散（見圖6.3.5）。焊件表面的清潔和加熱是達(dá)到其擴(kuò)散的基本條件。
2．潤濕
1)潤濕現(xiàn)象
潤濕是發(fā)生在固體表面和液體之間的一種物理現(xiàn)象。如果液體能在固體表面漫流開（又稱為鋪展），我們就說這種液體能潤濕該固體表面。例如對(duì)于固體玻璃而言，水能在干凈的玻璃表面漫流而水銀就不能（見圖6.3.6），我們就說水能潤濕玻璃而水銀不能潤濕玻璃；對(duì)于液體水而言，水能潤濕玻璃而不能潤濕石蠟。
2)自由能與表面張力
這種潤濕現(xiàn)象是物質(zhì)所固有的一種性質(zhì)，取決于液體和固體表面的自由能。自由能是一個(gè)物理化學(xué)概念，指的是物質(zhì)通常在自然界三種形態(tài)（固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)）之間的界面上，由于分子作用力不平衡而產(chǎn)生的一種能量。液體表面由于分子作用力不平衡而產(chǎn)生的方向指向液體幾何中心的作用力稱為表面張力（見圖6.3.7）。表面張力阻礙液體流動(dòng)，具有使液體表面自動(dòng)縮成最小表面積的趨勢。
(1)焊料表面張力
顯然，對(duì)于潤濕現(xiàn)象而言，液體的表面張力是起阻礙作用的，表面張力越大，潤濕現(xiàn)象越不容易發(fā)生。表面張力在焊接過程中是一個(gè)非常重要的物理量，液態(tài)的熔融焊料的表面張力在500J/m2(185℃)左右，它的存在直接影響焊接過程和最終焊點(diǎn)質(zhì)量，許多焊接
缺陷的分析都需要表面張力的概念。表面張力是物質(zhì)固有性質(zhì)，我們無法消除它，只能改變它。
(2)焊件自由能
對(duì)于固體而言，自由能表現(xiàn)為對(duì)氣體的吸附作用，以及對(duì)液體潤濕其表面的拉動(dòng)作用。固體表面自由能越大，潤濕越容易進(jìn)行。
①所有清潔的金屬表面自由能都遠(yuǎn)大于其氧化物；
②金屬表面積越大，表面自由能也相應(yīng)增大。在錫焊中粗糙的焊件表面由于表面積大更容易被潤濕；
③不同金屬及其合金表面自由能不同，因而可以通過焊件表面鍍層改善其潤濕性能。
3)潤濕角
對(duì)于確定的固體表面和液體而言，在確定的環(huán)境條件（溫度、氣壓等）下，固體自由能和液體表面張力都是確定的，因此潤濕程度也是確定的，即液體在固體表面漫流到一定程度就停止了。此時(shí)，液體和固體交界處形咸一定的角度，這個(gè)角稱潤濕角，也叫接觸角，這是定量分析潤濕現(xiàn)象的一個(gè)物理量。如圖6.3.8所示，q角從0。～180。，q角越小，潤濕越充分。實(shí)際中我們以90。為潤濕的分界。 T74LS174BI
錫焊過程中，熔化的鉛錫焊料和焊件之間的作用，正是這種潤濕現(xiàn)象。如果焊料能潤濕焊件，我們則說它們之間可以焊接，觀測潤濕角是錫焊檢測的方法之一。潤濕角越小，焊接質(zhì)量越好。
一般質(zhì)量合格的鉛錫焊料和銅之間的潤濕角可達(dá)14。；無鉛焊料和銅之間的潤濕角一般超過20。；實(shí)際應(yīng)用中對(duì)鉛錫焊料而言，如果達(dá)到45。，焊接質(zhì)量可以接受(見圖6.3.9(a))。必須注意焊點(diǎn)潤濕角指的是界面，而不是焊料的幾何形狀(見圖6.3.9(b))。
4)潤濕力
物理基本定律告訴我們，任何物體運(yùn)動(dòng)都是受到力的作用，潤濕現(xiàn)象中液體在固體表面的鋪展運(yùn)動(dòng)也不例外。根據(jù)物理化學(xué)研究，在潤濕現(xiàn)象中，力作用在固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)交匯處，即圖6.3.10中界面交匯點(diǎn)的力有3個(gè)，分別是液一氣界面張力A、固一氣界面張力B和固-液界面張力C，使液體鋪展流動(dòng)的力是其合力F，則有
F=B-(C+Acosq)
式中，F(xiàn)為潤濕力；A為液-氣界面張力；B為固-氣界面張力；C為固-液界面張力；q為潤濕角。
潤濕力F也稱焊接力。在潤濕開始時(shí)q角最大，故F也最大，隨著潤濕過程的進(jìn)行，q角減小，F(xiàn)也減小，當(dāng)B=(C+Acosq)時(shí)，F(xiàn)=O，潤濕過程終止。
潤濕力決定了潤濕能否進(jìn)行以及潤濕的程度，其大小與固休自由能、液體表面張力以及氣體種類有關(guān)，前面已經(jīng)討論過，與錫焊過程和最終質(zhì)量密切相關(guān)。
作為潤濕力存在的一個(gè)實(shí)例，再流焊中焊料在焊接過程中沿元件引線的爬升是一個(gè)典型。如圖6.3.11所示，熔化的焊料能夠克服重力向上爬升，正是潤濕力的作用。
在錫焊中，潤濕力是必不可少的，但也不是越大越好，在實(shí)際焊接工藝中，有時(shí)潤濕力太大也會(huì)造成焊接缺陷。
3．結(jié)合層
1)結(jié)合層及其成分
焊料潤濕焊件的過程中，符合金屬擴(kuò)散的條件，所以焊料和焊件的界面有擴(kuò)散現(xiàn)象發(fā)生。這種擴(kuò)散的結(jié)果，使得焊料和焊件界面上形成一種新的金屬合金層，我們稱之為結(jié)合層，也稱界面層（見圖6.3.12）。結(jié)合層的成分既不同于焊料又不同于焊件，而是一種既有電化學(xué)作用（生成金屬間化合物，例如Cu6 Sn5、CU3Sn、Cu3Sn8等），又有冶金作用（形成合金固溶體）13特殊層。由于結(jié)合層的作用將焊料和焊件結(jié)合成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)金屬連續(xù)性（見圖6.3.13）。焊接過程同黏結(jié)物品的機(jī)理不同之處即在于此，黏合劑黏結(jié)物品是靠固體表面凸凹不平的機(jī)械嚙合作用，而錫焊則靠結(jié)合層的作用實(shí)現(xiàn)連接。
2)結(jié)合層厚度
焊料和5在錫焊過程中生成結(jié)合層，其厚度過薄或過厚都不能達(dá)到最好的性能。結(jié)合層小于0.5μm，焊料與焊件之間沒有形成擴(kuò)散，實(shí)際上是一種半附著性結(jié)合，強(qiáng)度很低；而大于5μm則意味著生成金屬間化合物過多，產(chǎn)生脆性，降低強(qiáng)度。關(guān)于結(jié)合層厚度,目前沒有公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，一般認(rèn)為0.5～3.5μm范圍較好，焊點(diǎn)強(qiáng)度高，導(dǎo)電性能好。
3)僉屬間化合物
金屬間化合物縮寫為IMC(inter metallic compound)，是金屬之間形成的組成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的化合物，例如銅和錫可以形成Cu3Sn、Cu6Sn5錫和銀形成Ag3Sn等。金屬間化合物雖然稱為“化合物”，卻不符合化合價(jià)規(guī)律，有人稱之為“電子價(jià)”結(jié)合。
對(duì)于錫焊而言'金屬間化合物是焊料和焊件之間形成結(jié)合層的組成部分，是擴(kuò)散進(jìn)行中金屬之間反應(yīng)的結(jié)果，而不是形成結(jié)合層的條件。因?yàn)閺牟牧辖Y(jié)構(gòu)來說，IMC是脆性結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度低于焊料，特別是形成連續(xù)層狀危害較大。圖6.3.13(a)是Ag3Sn形成的粗大結(jié)晶結(jié)構(gòu),圖6.3.13(b)是錫銀銅焊料和銅焊件在錫焊后形成結(jié)合層后，由于金屬間化合物Cu3Sn的形成而引起的空洞缺陷。
金屬間化合物的形成與焊接溫度以及時(shí)間有關(guān)，溫度越高、在高溫中持續(xù)的時(shí)間越長，金屬間化合物生成越多，由金屬間化合物導(dǎo)致缺陷的可能性越大。因此，焊接過程的溫度以及在高溫中持續(xù)的時(shí)間必須控制在可以接受的范圍內(nèi)，否則將影響焊點(diǎn)可靠性。
4．錫焊機(jī)理綜述
綜上所述，我們獲得關(guān)于錫焊的理性認(rèn)識(shí)如圖6.3.14所示，將表面清潔的焊件與焊料加熱到一定溫度，焊料熔化并潤濕焊件表面，在其界面上發(fā)生金屬擴(kuò)散并形成結(jié)合層，從而實(shí)現(xiàn)金屬的焊接。 V057023BCBB
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