【正文】 Pb） =％，共晶溫度為 183℃ 。為此，首先分析錫鉛二元合金的平衡相圖（見圖 44）。尤其是在電子工業(yè)中，錫鉛釬料的應(yīng)用更為普遍。較小的晶粒尺寸可以保證鍍層表面致密光潔，因而不易氧化。熱浸鍍層的厚度常常不均勻，因而出現(xiàn)局部區(qū)域涂層太薄并影響到軟釬焊性。而當(dāng)鍍層厚度小于 時(shí)，經(jīng)過 4h的老化后，就可能出現(xiàn)反潤濕現(xiàn)象。 第二節(jié) 軟釬焊的基本原理 錫鉛釬料在暴露于大氣中的銅錫化合物表面上的潤濕性是很差的，因此要保證鍍層具有一定的厚度，使其在長期存放過程中化合物不至于生長到表面，鍍層的厚度一般不得低于 。這將使生產(chǎn)成本顯著增加，并且也不能完全避免腐蝕問題。對(duì)于這類問題，可以通過增強(qiáng)釬劑活性的方法來解決。這兩類情況都將影響到軟釬焊性 。一旦出現(xiàn)這類情形，已鋪展開的液態(tài)釬料就會(huì)回縮，使其表面積趨于最小，使接觸角增大，最終形成所謂的反潤濕（或稱潤濕回縮）焊點(diǎn)（見圖 43）。 圖 42 引線良好潤濕時(shí)焊點(diǎn)形態(tài)示意圖 第二節(jié) 軟釬焊的基本原理 造成焊點(diǎn)潤濕不良的原因有以下兩方面，一是由于母材表面的氧化物未被釬劑去除干凈，使得釬料難以在表面上鋪展，從而導(dǎo)致接觸角大于 90?。圖 42給出了元器件引線在印刷電路板潤濕良好時(shí)形成的釬角形態(tài)。加熱不僅使釬劑活化，而且使釬料的表面張力減小，使?jié)櫇褡饔迷鰪?qiáng)。潤濕的程度可以用釬料在母材上的接觸角來表征。潤濕角接近于零度，但在釬焊時(shí)卻可能由于其過分流散而不能保持在釬焊間隙中，因而不能形成良好的釬縫。 一般來說，如果釬料對(duì)母材的潤濕性能良好，則軟釬焊性通常也比較好。反之，則認(rèn)為其軟釬焊性不佳。 第二節(jié) 軟釬焊的基本原理 三、軟釬焊性 軟釬焊性是指材料易于進(jìn)行軟釬焊連接的能力。當(dāng)化合物層達(dá)到一定厚度時(shí)，將會(huì)對(duì)接頭性能產(chǎn)生極為不利的影響。通常是在結(jié)合前沿處形成一層連續(xù)的化合物層。盡管在釬料冷卻凝固之后，由液態(tài)金屬直接形成化合物相的條件已經(jīng)不存在，但是由于在隨后的熱過程中，銅與錫之間的相互擴(kuò)散過程仍可進(jìn)行?？梢哉f，化合物相 Cu6Sn5的出現(xiàn)是保證錫釬料與銅母材之間實(shí)現(xiàn)冶金連接的基本前提。因此，釬焊時(shí)母材銅將向液態(tài)的錫釬料中溶解，在隨后的冷卻過程中將會(huì)出現(xiàn)金屬間化合物Cu6Sn5( η )。 第二節(jié) 軟釬焊的基本原理 錫以易于和多種金屬元素形成金屬間化合物為特征，用錫基釬料進(jìn)行釬焊時(shí)，在結(jié)合處形成金屬間化合物當(dāng)是最為常見的現(xiàn)象。 我們知道，使釬料與母材之間發(fā)生適當(dāng)?shù)南嗷プ饔?，從而?shí)現(xiàn)冶金結(jié)合是獲得優(yōu)良焊點(diǎn)的基本前提。在眾多的被連接材料中，應(yīng)用最多的是銅。在 450℃ 以上進(jìn)行的釬焊連接，在電子行業(yè)中是比較少的。從事電子產(chǎn)品釬焊工作的人認(rèn)為，在 315℃ 以下進(jìn)行的釬焊為軟釬焊。 SMT技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)軟釬焊材料提出了新的要求，使得對(duì)釬料膏的需求量迅速增加，并且推動(dòng)了一些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步 二、電子工業(yè)中釬焊連接的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì) 第二節(jié) 軟釬焊的基本原理 一、軟釬焊的定義 釬焊一直被區(qū)分為“硬釬焊”（ Brazing）和“軟釬焊”（ Soldering）。這一技術(shù)的出現(xiàn)使得在印刷電路板制造中傳統(tǒng)的通孔安裝技術(shù)遲早將被淘汰。 電子產(chǎn)品的這種特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)對(duì)連接技術(shù)提出新的更高的要求，因而，一些新的工藝方法不斷涌現(xiàn)。例如：許多焊點(diǎn)的尺寸常常不足一個(gè)平方毫米；焊點(diǎn)間距也僅有零點(diǎn)幾毫米等。由于被連接對(duì)象的多樣性，因而完成連接所使用的材料（釬料等）也表現(xiàn)出種類繁多和組成復(fù)雜的特點(diǎn)。 第一節(jié) 概述 從材料來看，在電子工業(yè)中的被連接材料主要是有色金屬，并且種類繁多，經(jīng)常涉及到貴金屬和稀有金屬以及多元合金多層金屬組合體系。并且修補(bǔ)過的接頭可以像原始接頭一樣可靠。 軟釬焊具有制造和修理的方便性。而且在自動(dòng)化軟釬焊操作中，在一般民用產(chǎn)品上，已經(jīng)取得接頭返修率低于百萬分之一的水平，而在北美航空部門，已有了每小時(shí)釬焊 150億個(gè)焊點(diǎn)而無失敗的報(bào)導(dǎo)。使得許多常規(guī)有機(jī)高分子材料和電子元件因受熱而改變性能和破壞等問題得以有效地避免。 軟釬焊具有顯著的經(jīng)濟(jì)性、高效性和可靠性 。 與硬釬焊相比，軟釬焊連接的溫度低，操作方便，并且不過分強(qiáng)調(diào)母材與釬料之間的溶解、擴(kuò)散等相互作用過程。第四章 微電子器件的軟釬焊及表面組裝技術(shù) 第一節(jié) 概述 第二節(jié) 軟釬焊的基本原理 第三節(jié)、軟釬料合金 第四節(jié) 軟釬劑 第五節(jié) 藥芯軟釬焊絲和釬料膏 第六節(jié) 機(jī)械化軟釬焊技術(shù) 第七節(jié) 表面組裝技術(shù)及再流焊方法 第八節(jié) SMT焊點(diǎn)的可靠性問題 第一節(jié) 概述 所謂 軟釬焊 ，是指采用熔點(diǎn)（或液相線溫度）低于 427℃ 的填充金屬（釬料）在加熱溫度低于被連接金屬（母材）熔化溫度的條件下實(shí)現(xiàn)金屬間冶金連接的一類方法。 軟釬焊連接依靠釬料對(duì)母材的潤濕來形成接頭。 第一節(jié) 概述 一、 軟釬焊在電子工業(yè)中的地位 在電子工業(yè)中，軟釬焊技術(shù)由于以下幾方面的原因而使其始終并將繼續(xù)居于主導(dǎo)地位。由于連接是在相對(duì)較低的溫度下完成的。并且，相對(duì)低成本的材料，簡單的工具和可控的工藝使得軟釬焊具有特別明顯的經(jīng)濟(jì)性和高效性。這些都充分說明了軟釬焊方法的經(jīng)濟(jì)、高效和可靠的特點(diǎn)。 與其它冶金連接方法相比，軟釬焊是對(duì)操作工具要求相對(duì)簡單和易于操作的工藝，并且由于軟釬焊接頭是可以“拆卸” 的接頭，或者說軟釬焊過程是“可逆”的，因而使得軟釬焊連接的修補(bǔ)十分簡單方便?？梢灶A(yù)料，只要我們還使用由導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體等構(gòu)成的基于電磁脈沖的電路，軟釬焊技術(shù)就是必不可少的 。此外，還常常涉及到非金屬材料的連接問題。從被連接對(duì)象的尺寸特征來看，小、細(xì)、薄、精，構(gòu)成了這類被連接對(duì)象最為鮮明的標(biāo)志。并且，隨著電子產(chǎn)品小型化、輕量化、高精度及高可靠性的要求，使得連接對(duì)象的尺寸還在不斷減小。目前最具生命力的最有影響的當(dāng)首推表面組裝技術(shù)（ surface mount technology ，簡稱 SMT）。在技術(shù)發(fā)達(dá)國家中， SMT技術(shù)在印制板上的應(yīng)用已達(dá)到 90％，在我國， SMT也正在迅速推廣。為此，將 450℃ 作為分界線，規(guī)定釬料液相線溫度高于 450℃ 所進(jìn)行釬焊為硬釬焊，低于 450℃ 的為軟釬焊。 在電子行業(yè)中，絕大多數(shù)的釬焊工作是在 300℃ 以下完成的。 二、釬料與母材間的相互作用 在電子釬料中，應(yīng)用最廣泛的金屬元素是錫，在大多數(shù)電子釬料中都或多或少地含有錫。因此，研究銅與錫之間的相互作用問題就具有特別重要的意義。這就要求母材組分可以在液態(tài)釬料中溶解，并最終可以形成固溶體，共晶體或金屬間化合物。由銅錫二元合金平衡相圖可知，銅與錫在液態(tài)下可以無限互溶，在固態(tài)下銅在錫中的溶解度則很小。如果銅的溶解量過多，還可能出現(xiàn) Cu3Sn（ ε相）。 由于化合物相通常都具有硬而脆的特點(diǎn)，因此，出現(xiàn)過多的化合物相對(duì)焊點(diǎn)的性能是不利的。因此，化合物相仍將繼續(xù)形成和長大。化合物層在靠近銅母材一側(cè)為 Cu3Sn，在鄰近錫釬料一側(cè)為 Cu6Sn5。 當(dāng)釬料中含有鉛元素時(shí)，將會(huì)影響到化合物相的長大，這是因?yàn)榛衔锷L速度常數(shù)是與擴(kuò)散體系的成分有關(guān)的 。對(duì)于那些易于實(shí)現(xiàn)軟釬焊連接的材料，我們稱之為軟釬焊性優(yōu)良的材料。 軟釬焊性的好壞，在很大程度上取決于母材 — 釬料體系的潤濕狀態(tài)。所以，人們習(xí)慣于用潤濕情況來評(píng)價(jià)和表明軟釬焊性，但軟釬焊性與潤濕性不是完全等同的，如某種釬料在某母材上的潤濕性能極佳。這樣的例子，在實(shí)際應(yīng)用中是屢見不鮮的 第二節(jié) 軟釬焊的基本原理 軟釬料對(duì)母材潤濕是形成優(yōu)良焊點(diǎn)的基本前提。接觸角小于、等于 90?時(shí)，認(rèn)為焊點(diǎn)是合格的；大于 90?時(shí)，則認(rèn)為焊點(diǎn)不合格（見圖 41） 圖 41 合格和不合格焊點(diǎn)的接觸角 第二節(jié) 軟釬焊的基本原理 電子部件釬焊時(shí)，母材表面的氧化物在加熱過程中被釬劑去除。如果母材與釬料之間沒有良好的潤濕作用，將導(dǎo)致不潤濕或反潤濕。此時(shí)接觸角小于 90?，并且在焊盤上會(huì)留下均勻光滑的釬料層。另一原因是，釬料本已良好潤濕母材，但由于工藝不當(dāng)（如加熱時(shí)間過長或溫度過高等），使得母材表面易于被釬料潤濕的金屬鍍層完全溶解到液態(tài)釬料中，并裸露出不易被釬料潤濕的基體金屬表面，或是由于釬料與母材相互作用，形成了連續(xù)的不易被釬料潤濕的化合物相。 圖 43 反潤濕示意圖 第二節(jié) 軟釬焊的基本原理 四、影響電子元器件軟釬焊性的因素 當(dāng)帶有鍍層的印制板和元器件引線在較高溫度下長時(shí)間放置或在氧化氣氛中存放時(shí)，會(huì)造成鍍層金屬氧化，同時(shí)還會(huì)使鍍層與基體金屬之間所形成的化合物層不斷長大。 鍍層過分氧化會(huì)增加釬劑去除氧化膜的難度，因而可能造成潤濕不良，從而影響元器件管腳的軟釬焊性。但隨著釬劑活性的增加，腐蝕性危險(xiǎn)性也增大，因此必須進(jìn)行嚴(yán)格的釬后清洗。所以保證印制板和元器引線在釬焊前不過分氧化是非常重要的。保證錫鉛共晶合金鍍層在某些人為造成的嚴(yán)酷環(huán)境中 24h后仍具有優(yōu)良軟釬焊性。 鍍層質(zhì)量對(duì)軟釬焊同樣具有重要意義。電鍍鍍層的厚度比較均勻，但鍍層如果呈現(xiàn)多孔性，并且在鍍層表面下常有一些有害的有機(jī)物質(zhì)，這也可能影響到軟釬焊性，對(duì)于多孔性問題，可以通過控制電鍍工藝，形成尺寸細(xì)小的晶粒來解決。 第三節(jié) 軟釬料合金 錫鉛釬料是應(yīng)用最廣泛的軟釬料。錫鉛釬料的性能與其組成有關(guān)密切的關(guān)系。錫鉛二元合金構(gòu)成的是有限固溶體的共晶狀態(tài)圖。共晶體由面心立方的 α （ Pb）相和 一、錫鉛釬料 （一）錫鉛釬料的物理性能和力學(xué)性能 圖 44 錫鉛相圖 體心立方的 β（ Sn）相組成。室溫時(shí)， Sn在 Pb中的固溶度僅有 2％－ 3％。 第三節(jié) 軟釬料合金 工業(yè)用錫鉛合金的最佳力學(xué)性能是含 w（ Sn）量為 73％的合金，而非共晶合金。 由于錫鉛合金的熔點(diǎn)較低，其再結(jié)晶溫度低于室溫，因此不能產(chǎn)生冷作硬化，而是表現(xiàn)出明顯的粘性特征。在較高溫度下 (100 ~ 150℃) ，元素的擴(kuò)散速度較快，此時(shí)的力學(xué)性能明顯下降。軟釬料合金的流動(dòng)性是評(píng)價(jià)釬料工藝性能的重要指標(biāo)之一，流動(dòng)性好的釬料具有優(yōu)良的填縫性能，可以保證獲得穩(wěn)定，良好的釬縫質(zhì)量 。因此成為電子工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的釬料合金。例如陶瓷片式電阻或電容器的焊接端都有金或銀這類貴金屬的金屬化層，在釬焊期間，這層金屬很容易溶解到液態(tài)釬料中去，這樣就會(huì)露出下面的陶瓷表面，從而導(dǎo)致潤濕不良并形成不合格焊點(diǎn)。圖 45和 46給出了銅和銀在 Sn68Sn32釬料中溶解的情況。 為防止陶瓷片式元件金屬化端銀鍍層的過分溶解，可以采取以下兩方面的措施： 一是用溶解速度比較緩慢的鎳或鉑作阻擋層以防止過分溶解 。但這種作用只能用于再流焊，不能用于波峰焊。 1990年美國國會(huì)又醞釀在電子工業(yè)及其它工業(yè)中禁止使用含鉛的釬料，盡管未獲通過，但已引起電子行業(yè)的恐慌，因此近年來又掀起了對(duì)無鉛釬料的研究熱潮。 目前，國際上公認(rèn)的無鉛釬料定義是以 Sn為基體，添加了 Ag、 Cu、 Sb、In、 Bi、 Zn等其他合金元素， 而 w（ Pb）的含量在； ％～ ％以下的主要用于電子組裝的軟釬料合金 第三節(jié) 軟釬料合金 無鉛釬料不是新技術(shù)，但今天的無鉛釬料研究是要尋求年使用量為 5～ 6萬噸的 SnPb釬料的替代產(chǎn)品。某些元素，如 In（銦）和 Bi（鉍），儲(chǔ)量較小，因此只能作為無鉛釬料的添加成分（見表 32） 表 32 無鉛釬料中替代合金元素的供需情況 第三節(jié) 軟釬料合金 2） 無毒性 。不是所有的合金能夠被加工都成所有形式，如鉍的含量增加將導(dǎo)致合金變脆而不能拉拔成絲狀； 4） 相變溫度（固 液相線溫度）與 Sn/Pb釬料相近 ； 5） 合適的物理性能 ，特別是電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、熱脹系數(shù)； 6）與 現(xiàn)有元件基板 /引線及 PCB材料在金屬學(xué)性能上兼容 ； 7） 足夠的力學(xué)性能 ，抗剪強(qiáng)度、蠕變抗力、等溫疲勞抗力、熱機(jī)疲勞抗力、金屬學(xué)組織的穩(wěn)定性 。 國內(nèi) 外 研 究的主要無 鉛釬 料 見 表 43。此外，無鉛釬料在印制電路板組裝中的實(shí)際應(yīng)用可能還會(huì)引起一系列新的問題： l）無鉛釬料的熔點(diǎn)與 SnPb 共晶合金相比均偏高或偏低，難以與傳統(tǒng)的軟釬焊參數(shù)相兼容。 3） 超電勢(shì)問題 SnPb針料中 Sn與 Pb對(duì) H、 Cl 等元素的超電勢(shì)都較高，而無鉛釬料中 Ag、 Zn、 Cu、 Ni等元素對(duì) H、 CI的超電勢(shì)都很低，因此采用無鉛釬料可能會(huì)出現(xiàn)由于超電勢(shì)的降低而引起釬焊區(qū)殘留的 H、 Cl離子遷移產(chǎn)生電極反應(yīng)，從而引起集成電路元件的短路 第三節(jié) 軟釬料合金 表 44給出了國外一些公司用于電子行業(yè)的無鉛釬料合金類型 表 44 國外一些公司用于電子行業(yè)的無鉛釬料合金類型 應(yīng)當(dāng)指出，在為替代 Sn－ Ph釬料而開發(fā)無鉛釬料的同時(shí)，還應(yīng)注意配套釬劑及釬焊方法的開發(fā)和釬焊工藝的改進(jìn)，這樣才能使無鉛釬料得以迅速的推廣和應(yīng)用 第三節(jié) 軟釬料合金 三、其它軟釬料 由于結(jié)構(gòu)形式和使用要求等方面的差異，有些電子產(chǎn)品或某些器件不適合用常規(guī)的錫鉛共晶類釬料來釬焊。電子工業(yè)中一些常用釬料合金的成分，特點(diǎn)及用途見表45。而當(dāng)采用扒渣方式去除針料槽表面上的氧化渣之后，又會(huì)迅速地形成新的氧化渣。例如一臺(tái)容量為 100kg的波峰焊錫槽，每周扒渣所損失的釬料量將近總量的