锡焊机理与焊点可靠性分析.pptx

锡焊机理与焊点可靠性分析,内容,1锡焊机理与焊点可靠性分析,2SMT关键工序-再流焊工艺控制,3波峰焊工艺,4无铅焊接的特点、工艺控制及过渡阶段应注意的问题,5无铅生产物料管理,6 焊点质量评定及IPC-A-610D介绍,锡焊机理与焊点可靠性分析,学习、运用焊接理论，提高无铅焊接质量,焊接是电子制造工艺中的关键工序。,SMT的质量目标是提高直通率。除了要减少肉眼看得见的缺陷外，还要克服虚焊、焊点内部应力大、内部裂纹、界面结合强度差等肉眼看不见的焊点缺陷。,学习焊接理论、了解焊接过程，是为了从根本上采取措施，提高电子连接的可靠性。,运用焊接理论指导生产实践，掌握正确的工艺方法，提高无铅焊接质量。,产生,电子信号或功率的流动,产生机械连接强度,焊缝,焊点要求,焊接后在焊料与被焊金属界面生成金属间合金层（焊缝）,一.概述,二.锡焊机理,三.焊点强度和连接可靠性分析,四.关于无铅焊接机理,五.锡基焊料特性,内容,一.概述,熔焊,焊接种类 压焊,钎焊,钎焊,压焊,熔焊,超声压焊,金丝球焊,激光焊,电子装配的核心连接技术：焊接技术,焊接技术的重要性,焊点是元器件与印制电路板电气连接和机械连接的连接点。焊点的结构和强度就决定了电子产品的性能和可靠性。,焊接方法（钎焊技术）,手工烙铁焊接,浸焊,波峰焊,再流焊,软钎焊,焊接学中，把焊接温度低于,450,的焊接称为软钎焊，所用焊料为软钎焊料。,软钎焊特点,钎料熔点低于焊件熔点。,加热到钎料熔化，润湿焊件。,焊接过程焊件不熔化。,焊接过程需要加焊剂。（清除氧化层）,焊接过程可逆。（解焊）,电子焊接是通过熔融的焊料合金与两个被焊接金属表面之间生成金属间合金层（焊缝），从而实现两个被焊接金属之间电气与机械连接的焊接技术。,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（焊缝），冷却后使焊料凝固，形成焊点。焊点的抗拉强度与金属间结合层的结构和厚度有关。,二.锡焊机理,锡焊过程,焊接过程是焊接金属表面、助焊剂、熔融焊料和空气等之间相互作用的复杂过程,表面清洁,焊件加热,熔锡润湿,扩散结合层,冷却后形成焊点,物理学,润湿、黏度、毛细管现象、热传导、扩散、溶解,化学助焊剂分解、氧化、还原、电极电位,冶金学合金、合金层、金相、老化现象,电学电阻、热电动势,材料力学强度（拉力、剥离疲劳）、应力集中,焊接过程中焊接金属表面（母材，,以Cu为例,）、助焊剂、熔融焊料之间相互作用,1.助焊剂与母材的反应,（1）松香去除氧化膜松香的主要成分是松香酸，融点为74。170呈活性反应，,230250转化为不活泼的焦松香酸，,300以上无活性。松香酸和Cu,2,O反应生成松香酸铜。松香酸在常温下和300以上不能和Cu,2,O起反应。,（2）溶融盐去除氧化膜一般采用氯离子Cl,-,或氟离子F,-,，使氧化膜生成氯化物或氟化物。,（3）母材被溶蚀活性强的助焊剂容易溶蚀母材。,（4）助焊剂中的金属盐与母材进行置换反应。,2.助焊剂与焊料的反应,（1）,助焊剂中活性剂在加热时能释放出的HCl，与SnO起还原反应。,（2）,活性剂的活化反应产生,激活能,，,减小界面张力,，,提高浸润性,。,（3）焊料氧化，产生锡渣。,3.焊料与母材的反应,润湿、扩散、溶解、,冶金结合，形成,结合层。,锡焊机理,（1）润湿,（2）,扩散,（3）,溶解,（4）冶金结合，形成,结合层,润湿角,焊点的,最佳润湿角,Cu-Pb/Sn 1545,当,=0,时，完全润湿,；,当,=180,时，完全不润湿,；,=,焊料和母材之间的界面,与焊料表面切线之间的夹角,分子运动,（1）润湿,液体在固体表面漫流的物理现象,润湿是物质固有的性质,润湿是焊接的首要条件,润湿力（Wa,）,B,SV,C,SL,A,LV,当固、液、气三相达到平衡时：B,SV,=C,SL,+A,LV,COS,B,SV,：固体与气体之间的界面张力,可以将B,SV,看作是液体在固体表面漫流的力,（,润湿力：Wa,）,C,SL,：固体与液体之间的界面张力,A,LV,：液体与气体之间的界面张力,B,SV,与C,SL,的作用力都沿固体表面，但方向相反。,设润湿力为,Wa，,其近似值：,将B,SV,代入式中,S：固体,L：液体,V：气体,：润湿角,L液体,S固体,Wa B,SV,+A,LV,-C,SL,Wa=,C,SL,+A,LV,COS+A,LV,-C,SL,Wa,=A,LV,（1+,COS,）,润湿力关系式,V气体,从润湿力关式可以看出：润湿角越小，润湿力越大,分子运动,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。,分子运动,表面张力,表面张力在不同相共同存在的体系中，由于相界面分子与体相内分子之间作用力不同，导致相界面总是趋于最小的现象。,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。,大气,大气,液体内部分子受力合力=0,液体表面分子受液体内分子的引力大气分子引力,分子运动,表面张力与润湿,力,熔融焊料在金属表面润湿的程度除了与液态焊料与母材表面清洁程度有关，还与液态焊料的表面张力有关。,表面张力与润湿力的方向相反，不利于润湿。,表面张力是物质的本性，不能消除，但可以改变。,分子运动,表面张力在焊接中的作用,再流焊当焊膏达到熔融温度时，在,平衡,的表面张力的作用下，会产生自定位效应（self alignment）。表面张力使再流焊工艺对贴装精度要求比较宽松，比较容易实现高度自动化与高速度。同时也正因为“再流动”及“自定位效应”的特点，再流焊工艺对焊盘设计、元器件标准化有更严格的要求。如果表面张力,不平衡,，焊接后会出现元件位置偏移、吊桥、桥接、等焊接缺陷。,波峰焊波峰焊时，由于表面张力与润湿力的方向相反，因此表面张力是不利于润湿的因素之一。,SMD波峰焊时表面张力造成阴影效应,熔融,合金的粘度与表面张力是焊料的重要性能。,优良的焊料熔融时应具有低的粘度和表面张力，以增加焊料的流动性及被焊金属之间的润湿性。,锡铅合金的粘度和表面张力与合金的成分密切相关。,配比（W%）,表面张力(N/cm),粘度（mPa,s),Sn,Pb,20,80,4.6710,-3,2.72,30,70,4.710,-3,2.45,50,50,4.7610,-3,2.19,63,37,4.910,-3,1.97,80,20,5.1410,-3,1.92,锡铅合金配比与表面张力及粘度的关系（280测试）,粘度与表面张力,分子运动,焊接中降低表面张力和黏度的措施,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。,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。,表 mn/m,粘 面,度 张 540,力 520,500,T（）480 10 20 30 40 50 Pb含量%,温度对黏度的影响 250时Pb含量与表面张力的关系,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。,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,毛细管现象,毛细管现象是液体在狭窄间隙中流动时表现出来的特性。,将两块平行的金属板或细管插入液体中，金属板内侧与外侧的液面高度将有所不同，如果液体能够润湿金属板，则内侧的液面将高于外侧的液面，反之，金属板内侧的液面将低于外侧的液面。,液体能够润湿金属板,液体不能润湿金属板,在熔融焊料中也存在毛细管现象,毛细管现象,在焊接中的作用,在软钎焊过程中，要获得优质的钎焊接头，需要液态钎料能够充分流入到两个焊件的缝隙中。,例如,通孔元件在波峰焊、手工焊时,，当间隙适当时，毛细作用能够促进元件孔的“透锡”。,又例如,再流焊时,，毛细作用能够促进元件焊端底面与PCB焊盘表面之间液态焊料的流动。,液态焊料在粗糙的金属表面也存在毛细管现象,，有利于液态焊料沿着粗糙凹凸不平的金属表面铺展、浸润，因此,毛细管现象有利于焊接,的,。,毛细作用液体在毛细管中上升高度的表达式,式中：,H,毛细管中液柱的高度,液体（焊料）的表面张力,液体（焊料）的密度,g 重力加速度,R 毛细管半径,2,H=,gR,从式中看出,液体在毛细管中上升高度,：,与表面张力成正比；,与液体的密度、比重成反比；,与毛细管直径有关。,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）,（2）,扩散,四种扩散形式：,表面扩散；晶内扩散；,晶界扩散；选择扩散。,扩散的类型,原晶格 置换型 间隙型,Pb,Sn,表面扩散,向晶粒内扩散,分割晶粒扩散,选择扩散,表面扩散、晶内扩散、晶界扩散、选择扩散示意图,Cu表面,熔融Sn/Pb焊料侧,晶粒,（3）,溶解,母材,表面的Cu分子被熔融的液态焊料,溶解或溶蚀,。,金属间结合层 Cu3Sn和Cu6Sn5,金属间结合层,Cu3Sn和Cu6Sn5,放大1,000倍的QFP引脚焊点横截面图,以63Sn/37Pb焊料为例，,共晶点为183,焊接后（210-230）,生成金属间结合层：,Cu,6,Sn,5,和Cu,3,Sn,（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点,三.,焊点强度和连接可靠性分析,评价焊点强度、连接可靠性需要进行可靠性试验,焊点的强度、连接可靠性主要包括两方面内容：,机械可靠性和电气化学可靠性。,焊点的强度、连接可靠性,与钎缝的金相组织结构、结合层的厚度有关,可靠性试验的主要内容,(a)机械可靠性试验：,静电损伤试验；疲劳试验（热疲劳、机械疲劳）；冲击试验（跌落冲击、震动冲击）。,(b)电气化学可靠性试验：,电（离子）迁移；绝缘电阻；腐蚀试验。,评价焊点可靠性试验的主要方法,温度循环；热冲击；高温高湿储存；潮热；高压锅煮；跌落；振动；三点、五点弯曲等。,通过可靠性试验后再进行以下检查和测试：外观及表面检查；焊点强度测试；最后还要做PCBA功能测试。,染色试验；金相切片分析；,有关可靠性与可靠性检测也是一门学科。,影响焊点强度和连接可靠性的主要因素分析,（1）钎缝的金相组织,（2）金属间结合层的厚度,（3）焊接材料的质量,（4）焊料量,（5）PCB设计,（1）钎缝的金相组织,（a）固溶体钎缝组织,固溶体组织具有良好的强度和塑性，有利于焊点性能。,（b）共晶体钎缝组织,一方面是钎料本身含有大量的共晶体组织，另一方面钎料与固体母材能形成共晶体。,（c）金属间化合物钎缝组织,冷凝时在界面析出金属间化合物。除了溶解、扩散形成化合物外，也可能由母材和钎料直接反应生成金属间化合物。,钎缝中过多的化合物对焊点的性能是不利的。因为金属间化合物比较脆，与基板材料、焊盘、元器件焊端之间的热膨胀系数差别很大，容易产生龟裂造成失效。,当温度达到210-230时，Sn向Cu表面扩散，而Pb不扩散。初期生成的Sn-Cu合金为：,Cu,6,Sn,5,（相）,。其中Cu 的重量百分比含量约为40%。,随着温度升高和时间延长，Cu 原子渗透（溶解）到Cu6Sn5 中，局部结构转变为,Cu,3,Sn（相）,，Cu 含量由40%增加到66%。当温度继续升高和时间进一步延长，Sn/Pb焊料中的Sn不断向Cu表面扩散，在焊料一侧只留下Pb，形成,富Pb层,。,Cu,6,Sn,5,和,富Pb层,之间的的界面结合力非常脆弱，当受到温度、振动等冲击，就会在焊接界面处发生裂纹。,从扩散过程分析钎缝组织,（以63Sn/37Pb焊料与Cu表面焊接为例）,钎缝(结合层)结构示意图,Pb,熔融Sn/Pb焊料侧,Cu焊端表面,Cu,Sn,Cu,6,Sn,5,Cu,3,Sn,富Pb层,钎缝中的反应是非平衡的，几种反应常常会在钎缝中同时发生,钎缝主要有固溶体、共晶体和金属间化合物的混合物组成,焊料直接与Cu生成的结合层,红色的箭指示的是 Cu,3,Sn,Cu,6,Sn,5,与Cu,3,Sn两种金属间化合物比较,名称,分子式,形成,位置,颜色,结晶,性质,相,Cu,6,Sn,5,焊料润湿到Cu时立即生成,Sn与Cu之间的界面,白色,截面为6边形实芯和中空管状，还有一定量5边形、三角形、较细的园形状、在钎料与Cu界面处有扇状、珊贝状,良性，,强度较高,相,Cu,3,Sn,温度高、焊接时间长引起,Cu与Cu,6,Sn,5,之间,灰色,骨针状,恶性，强度差，脆性,Cu,Cu,3,Sn,Cu6Sn5,富Pb层,Sn/Pb,拉伸力,（千lbl/in,2,）,*,4m时，由于金属间合金层太厚，使连接处失去弹性，由于金属间结合层的结构疏松、发脆，也会使强度小。,*,厚度为0.5m时抗拉强度最佳；,*,0.54m时的抗拉强度可接受；,*,0.5m时，由于金属间,合金层太薄，几乎没有强度；,金属间结合层厚度（m）,金属间结合层厚度与抗拉强度的关系,（2）金属间结合层的厚度与抗拉强度的关系,Intermetallic Compounds 缩写IMC,钎缝厚度厚度究竟为多少最佳？,焊接后必须生成结合层，此结合层由共晶体、固溶体、金属间化合物的混合物组成。,钎缝中不可能没有金属间化合物，但不能太厚。,因为金属间化合物比较脆，与基板材料、焊盘、元器件焊端之间的热膨胀系数差别很大，容易产生龟裂造成失效。,理论界有不同的说法：4m，5m，8m？,业界有一点认识非常统一：,金属间结合层的质量与厚度与以下因素有关：,(a)焊料的合金成份和氧化程度,（要求焊膏的合金组分尽量达到共晶或近共晶；,含氧量应小于0.5%，最好控制在80ppm以下）,(b)助焊剂质量（净化表面，提高浸润性）,(c)被焊接金属表面的氧化程度（只有在净化表面，才能发生扩散反应）,(d)焊接温度和焊接时间,焊点和元件受热的热量随温度和时间的增加而增加。,金属间结合层的厚度与焊接温度和时间成正比。,例如183以上，但没有达到210230时在Cu和Sn之间的扩散、溶解，不能生成足够的金属间结合层。只有在220 维持2秒钟左右的条件下才能生成良性的结合层。但焊接温度更高时，扩散反应率就加速，就会生成过多的恶性金属间结合层。焊点变得脆性而多孔。,焊接热量是温度和时间的函数,运用焊接理论正确设置温度曲线,才能获得最好焊点质量。,Sn-Pb系焊料金相图,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,+,区凝固状态,（3）焊接材料的质量,有铅、无铅都应选择共晶或近共晶焊料合金,最佳焊接温度线,液态,固态,（4）与焊料量有关,（5）PCB设计,四.,关于无铅焊接机理,（1）目前应用最多的无铅焊料合金,（2）关于Sn-Ag-Cu系焊料的最佳成分,（3）IPC推荐的无铅焊料,（4）PCB焊盘表面材料,（5）元器件焊端表面镀层材料,（6）无铅焊接机理,（1）目前应用最多的无铅焊料合金,目前应用最多的用于再流焊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是可接受的范围，其熔点为217左右。,美国,采用,Sn3.9Agwt%0.6wt%Cu,无铅合金,欧洲,采,用,Sn3.8Agwt%0.7wt%Cu,无铅合金,日本,采用,Sn3.0Agwt%0.5wt%Cu,无铅合金,Sn-0.7Cu-Ni焊料合金用于波峰焊。,其熔点为227。,手工电烙铁焊大多采用Sn-Cu、Sn-Ag或Sn-Ag-Cu焊料。,（2）关于Sn-Ag-Cu系焊料的最佳成分,Sn-Ag-Cu系焊料的最佳成分，日、美、欧之间存在一些微小的差别，日本的无铅实施在世界上处于领先地位，对无铅焊料有很深入的研究，他们的研究表明Sn-Ag-Cu焊料中Ag与Sn在221形成共晶板状的Ag,3,Sn合金，当Ag含量超过3.2wt%以后（出现过共晶成分）板状的Ag,3,Sn合金会粗大化，粗大的板状Ag,3,Sn较硬，拉伸强度降低，容易造成疲劳寿命降低，他们的结论是：“在共晶点附近，成分不能向金属间化合物方向偏移”，因此选择使用低Ag的 Sn3Ag0.5Cu。,Sn-Ag-Cu无铅焊料中,Ag与,S,n在221形成共晶,板状的Ag,3,Sn合金,板状的Ag,3,Sn较硬，当,Ag含量超过3.,2,wt%以后,（出现过共晶成分）,拉伸强度降低，容易造成疲劳寿命降低,，因此,推荐使用低Ag的 Sn3Ag0.5Cu,。,结论：“在共晶点附近，成分不能向金属间化合物方向偏移”,（3）IPC推荐的无铅焊料：,Ag含量为3.0wt%的Sn-Ag-Cu焊料,由于Sn95.8Ag3.5Cu0.7无铅焊料美国已经有了专利权；另外由于Ag含量为3.0wt%的焊料没有专利权；价格相对较便宜；焊点质量较好。因此IPC推荐采用Ag含量为3.0wt%（重量百分比）的Sn-Ag-Cu焊料。,合金成分,熔点（）,Sn-37Pb（传统）,183,Sn-58Bi,138,Sn-20In-2.8Ag,179-189,Sn-10Bi-5Zn,168-190,Sn-8.8Zn,198.5,Sn-3.5Ag-4.8Bi,205-210,Sn-7.5Bi-2Ag-0.5Cu,213-218,Sn95.8Ag3.5Cu0.7,217-218,Sn-3.5Ag-1.5In,218,Sn96.5Ag3.0Cu0.5,216-220,Sn-3.5Ag,221,Sn-2Ag,221-226,Sn-0.7Cu-Ni(用于波峰焊),227,Sn-5Sb,232-240,无铅焊料合金的熔点,Sn63Pb37与SnAg3.8Cu0.7性能比较,合金,成分,密度,g/mm,2,熔点,膨胀,系数,10,-6,热传导率,Wm,-1,K,-1,电导率,%IACS,电阻,系数,M-cm,表面,张力,260mNm,-1,Sn63,Pb37,8.5,183,23.9,50,11.5,15,481,Sn,Ag3.8,Cu0.7,7.5,217,23.5,73.2,15.6,11,548,继续攻克研究更理想的无铅焊料,虽然Sn基,无铅,合金已经被较广泛的应用，但与Sn63Pb37共晶,焊料相比较仍然有以下问题：,熔点高34,表面张力大、润湿性差,价格高,但IPC认为：无铅焊料的种类不能很多，要单一标准化，否则对元件、对可靠性会有很大影响。,IPC-A-610D就是以Sn-Ag Cu焊料做的标准。,用低Ag的Sn-Ag-Cu替代目前广泛应用于波峰焊的Sn3Ag0.5Cu焊料有了突破,深圳亿铖达公司推出的,M0507,(Sn-0.5Ag-0.7Cu),成本约占Sn-3.0Ag-0.5Cu成本的6575%,熔化温度为217227，性能与SAC305和Sn-0.7Cu合金相差不大。,M0507,的润湿性、缺陷率均明显优于Sn-0.7Cu与Sn-Cu-Ni，略低于Sn-3.0Ag-0.5Cu。,通孔元件焊点拉脱强度约为70牛顿，介于Sn-3.0Ag-0.5Cu和Sn63-Pb37之间；,片式电阻焊点剪切强度及QFP封装外引线焊点拉脱强度数据优于Sn-3.0Ag-0.5Cu和Sn-Cu-Ni。,另一家焊料供应商,Indium,公司最近新开发出一种改良的Sn-Ag-Cu合金，在Sn-1.0Ag-0.5Cu的基础上掺杂了其它元素，该掺杂物能够有效增加合金的展延性和柔软性。,据悉，一直推广使用Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅焊料的,日本,厂家也已经开始意识到：,在锡条、锡线领域中采用高银的做法是严重的浪费。,日本方面为此成立了一个专门委员会进行探讨，其目标就是研制低Ag含量的Sn-Ag-Cu合金。,（4）,PCB焊盘表面材料,有铅,无铅,Sn/Pb热风整平（HASL）,无铅HASL,Ni/Au（化学镀Ni和浸镀金ENIG，,俗称水金板）,Ni/Au,Cu表面涂覆OSP,Cu表面涂覆OSP,浸银（IAg）,浸银（IAg）,浸锡（ISn）,（5）元器件焊端表面镀层材料,有引线元件引线材料,有引线元器件焊端,表面镀层材料,无引线元器件焊端,表面镀层材料,有铅,无铅,有铅,无铅,Cu,Sn/Pb,Sn,Sn/Pb,Sn,Ni,Ni/Au,Ni,42号,合金钢,Ni/Pd/Au,Ni/Pd/Au,Sn/Ag,Sn/Ag,Sn/Ag/Cu,Sn/Ag/Cu,Sn/Ag/Bi,Sn/Ag/Bi,（6）无铅焊接机理,无铅焊接过程、原理与63,Sn-37Pb基本,是一样的。,主要区别,是由于,合金成分,和,助焊剂成分,改变了，因此,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,也不同了。,何况有铅焊接时,Pb是不扩散的，Pb在焊缝中只起到填充作用。另外，无铅焊料中,Sn,的含量达到95%以上,。金属间结合层的主要成分还是,Cu,6,Sn,5,和Cu,3,Sn,。,当然也不能忽视,次要元素,也会产生一定的作用。,(a)以Sn-Ag-Cu焊料与Cu表面焊接为例,S,n-Ag-Cu系统中,Sn与次要元素Ag和Cu之间的冶金反应,在,S,n-Ag-Cu三个元素之间有三种可能的二元共晶反应：,Ag与,S,n,在221形成锡基质相位的共晶结构和金属之间的化合相位(Ag,3,Sn)。,Cu与,S,n,在227形成锡基质相位的共晶结构和金属间的化合相位(Cu,6,Sn,5,)。,Ag与Cu,在779形成富Ag 相和富Cu 相共晶合金。,但在,S,n-Ag-Cu的三种合金固化温度的测量研究中没有发现779相位转变。在温度动力学上解释：,更适于Ag或Cu与,S,n反应，生成Ag,3,Sn和Cu,6,Sn,5,。,Sn-Ag-Cu三元合金相图,液态时的成分：,LSn+Cu,6,Sn,5,+Ag,3,Sn,在平衡状态凝固的结晶是很规则的形状,（冷却速度无限慢时）,实际生产条件下是,非平衡状态凝固的结晶,Cu,Cu3Sn,Cu6Sn5,S,n-Ag-Cu,Sn-Ag-Cu与Cu焊接钎缝组织,空洞,Sn-Ag-Cu,合金凝固特性导致无铅焊点颗粒状外观粗糙,非平衡状态凝固：,Sn先结晶，以枝晶状（树状）出现，中间夹Cu,6,Sn,5,和Ag,3,Sn。,Sn-Ag-Cu结晶组织,Sn-Pb37共晶组织,Sn-Pb结晶彼此都能在某种程度上固溶对方的元素。结晶的形状比较规则，因此外观比较光滑,Sn-Cu,合金二元相图,Sn-Cu的液相线 斜率大,(比Sn/Pb大十几倍)，液相温度对成分很敏感。,因此,少量成分变化，就会使熔点偏移,，造成焊接温度的变化。,熔点随成分变化而变化,波峰焊时随着Cu不断增加，,熔点也不断提高。,液态,固态,最佳焊接温度线,Sn-Pb系焊料金相图,(b)Sn-Cu,系焊料合金,(c),Sn系焊料与Ni/Au（ENIG）,焊接时的钎缝组织,Sn系焊料,(Au,Ni)Sn,4,Ni,3,Sn,4,Ni,Ni-Sn化合物比较稳定，连接强度较好。,但是Au能与焊料中的Sn形成Au-Sn间共价化合物（AuSn,2,、AuSn、AuSn,4,），在焊点中金的含量超过3%会使焊点变脆，过多的Au原子替代Ni原子，因为太多的Au溶解到焊点里（无论是Sn-Pb还是Sn-Ag-Cu）都将引起“金脆”。所以一定要限定Au层的厚度，用于焊接的Au层厚度1m(一般控制在0.10.3m)。,Sn与Ni焊接时生成Ni,3,Sn、Ni,3,Sn,4,、Ni,3,Sn,2,（实际在焊接界面看不到Ni,3,Sn）,关于“黒焊盘”问题,(Black Pads in ENIG finishes),黒焊盘是PCB制造厂的问题，有铅焊接也存在这个问题。黒焊盘处用手指一推，元件就会掉下来。,产生原因：,(a)Au镀层和镍镀层结构不够致密，空气中的水份容易进入,Ni 被氧化。,(b)Ni镀层磷含量偏高或偏低.,(c)镀镍后没有将酸性镀液清洗干净,长时间 Ni被酸腐蚀。,(d)作为可焊性保护性涂覆层的Au镀层在焊接时会完全溶蚀到焊料中，而被氧化或腐蚀的Ni镀层由于可焊性差不能与焊料形成良好的金属间合金层，最终导致虚焊、或焊点强度不足使元件从PCB上脱落。,(d)Sn系焊料与42号合金钢(,Fe-42Ni),焊接时的钎缝组织,Sn系合金与,Fe-42Ni界面反应与Cu相比速度比较慢。主要反应：,Fe-42Ni中的Ni向,Sn中溶解，凝固时结晶出板状的,Ni,3,Sn,4,；,剩余的,Fe和残留的Ni在界面发生反应生成(Fe,Ni),Sn,2,，大多形成,Fe,Sn,2,；,42号合金钢与Sn系合金一般能形成良好的界面，但,加入Bi会发生界面偏析,，因此连接强度明显降低。,(e)各种合金元素与不同金属电极焊接后在界面形成的化合物,电极,（元件焊端,PCB焊盘）,焊料合金元素,Sn,Pb,In,Ag,Bi,Zn,Sb,Cu,Cu,6,Sn,5,Cu,3,Sn,Cu,9,In,4,（CuIn,2,）,（Cu,4,In,3,）,Cu,5,Zn,8,Cu,Zn,Cu,4,Sb,Cu,2,Sb,Au,（,Au,6,Sn,）,Au,Sn,2,Au,Sn,Au,Sn,4,Au,2,Pb,AuPb,2,Au,9,In,Au,3,In,AuIn,AuIn,2,Au,2,Bi,Au,3,Zn,AuZn,AuZn,3,AuSb,2,Ni,Ni,3,Sn,Ni,3,Sn,4,Ni,3,Sn,2,Ni,3,In,NiIn,Ni,2,In,3,Ni,3,In,7,NiBi,NiBi,3,NiZn,NiZn,3,Ni,5,Zn,21,NiZn,8,Ni,13,Sb,4,Ni,5,Sb,2,NiSb,NiSb,2,Fe,FeSn,FeSn,2,4种,Fe,x,Zn,y,Fe,Sb,2,Fe,3,Sb,2,Ag,Ag,3,Sn,（,Ag,6,Sn,）,Ag,3,In,AgIn,2,Ag,2,In,AgZn,Ag,5,Zn,8,-Ag,x,Zn,y,Ag,3,Sb,Al,Ag,3,Al,Ag,2,Al,Al,Sb,注：,粗,红,体字：表示已经在Sn系合金中发现的化合物；：从金相图判断为不形成化合物的系,x、y：表示不定比化合物,无铅焊接必须注意材料的兼容性,从,Sn-Ag-Cu焊料与Cu；Sn合金与Ni/Au（ENIG）；Sn系焊料与42号合金钢的界面反应和钎缝组织可看出：,不同的焊料合金，甚至同一种焊料合金与不同的金属焊接时的界面反应和钎缝组织都不一样，它们的可靠性也不一样。,由于电子元器件的品种非常多，当前正处于过渡时期，特别是元件焊端的镀层很复杂，可能会存在某些元件焊端与焊料的失配现象，造成可靠性问题。因此一定要仔细选择并管理元件。,另外，选择,焊料和PCB镀/涂材料同样十分重要。,总结,理想的界面组织,获得理想的界面组织有许多条件,理想的界面组织,希望得到微细强化的共晶体结晶颗粒和固溶体组织，,希望界面处有一层薄而平坦的结合层(0.55m)，,尽量减少钎缝中出现化合物层。,无铅焊接时希望得到偏析较小的焊锡组织。,怎样获得理想的界面组织,（,a）钎料成分和母材的互溶程度,（b）温度和时间,（c）液态焊料与母材表面清洁，无氧化层和其它污染物。,（d）表面活性物质（助焊剂）的影响,（e）环境气氛,（f）由于无铅焊接温度高，特别要求PCB材料Z轴方向膨胀系数小，能够保持一个平坦的反应层界面，否则在有偏析的情况下，如果PCB有应力变形，很容易造成焊点剥离。,以上条件中，当其它条件都一定的情况下，影响结合层（钎缝）厚度以及金属间化合物的成分和比例的主要因素是温度和时间。温度过低不能形成结合层或结合层太薄，温度过高、时间过长，化合物层会增厚，因此,正确设置温度曲线,就非常重要了。,影响焊接质量的主要因素,(1)PCB设计,(2)焊料的质量：合金成份及其氧化程度,无论有铅、无铅都应选择共晶或近共晶焊料合金,(3)助焊剂质量,(4)被焊接金属表面的氧化程度（元件焊端、PCB焊盘）,(5)工艺：印、贴、焊（,正确的 温度曲线,）,(6)设备,(7)管理,五.锡基焊料特性,a,浸入液态焊料中的固体金属会产生溶解，生产中将这种现象称之为浸析现象，或“溶蚀”现象，俗称“被吃”。,b.,影响浸析的因素被焊金属、焊料成分、焊料的温度和流动速度。金、银、铜在焊料中均有较高的溶解速度。,温度上升，溶解速度增加；焊料流动速度增加，溶解速度也增加。,c.金、银在液态焊料中也有很高溶解能力，在焊接厚膜电路和银-钯合金端电极的片式元件时也会出现“浸析”现象，使用含银焊料可以解决上述问题。,d.在生产中应正确调节焊接的时间和温度，特别是在波峰焊中，以避免过量的铜溶于焊料中（PCB焊盘、引脚均为铜）。应经常监测焊料中铜的含量，一旦超标，应及时清除过量的铜锡合金。,浸析现象,63Sn37Pb合金的,热膨胀系数,CTE是24.510,-6,，从室温升到183，体积会增大1.2%，而从183降到室温，体积的收缩却为4%，故锡铅焊料焊点冷却后有时有缩小现象。,冷凝收缩现象,无铅焊料也有冷凝收缩现象,（a）降低熔点。,（b）改善机械性能，提高锡铅合金的抗拉强度和剪切强度。,（c）降低表面张力，有利于焊料在被焊金属表面上的润湿性。,（d）抗氧化，增加焊料的抗氧化性能，减少氧化量。,铅在焊料中的作用,锡基合金在固态时不易氧化，然而在熔化状态下极易氧化。特别是在机械搅拌下，如在波峰焊料槽中受机械泵搅拌，更加强了氧化物的生成，大部分以锡渣的形式出现在锡槽的表面，严重时会堵塞波峰出口，大量的黑色的SnO粉末的生成会导致焊料性能恶化、变质，严重时整个焊料均会报废。,液态锡基焊料的易氧化性,无铅波峰焊由于,Sn,的含量达99%以上，,温度提高30，液态焊料高温氧化问题严重,