认识焊锡原理Word格式文档下载.docx

1、同样的力量使水在涂满油脂的金属薄板上维持水滴状。用溶剂加以清洗会减少表面张力，水便会润湿和形成一薄层。我们知道助焊剂在金属的作用就溶剂对涂有油脂的金属薄板一样。溶剂去除油脂，让水润湿金属表面和减少表面张力。助焊剂将去除金属和焊锡间的氧化物，让焊锡润湿金属表面。在焊锡中的污染物会增加表面张力，因此必须小心地管制。锡焊温度也会影响表面张力，即温度越高，表面张力越小。焊锡表面和铜板之间的角度，称为润湿角度（WETTING ANGLE），它是所有焊点检验的基础。润湿的热动力平衡焊接工程不可缺的材料是焊锡、助焊剂和基材金属，我们假设基材金属的表面是完全清洁、无氧化物。当一滴焊锡滴在基材表面上，助焊剂在焊

2、锡四周时，简称a. 焊锡为L：LIQUID，b. 助焊剂为F：FLUX（或V：VAPOR）， c. 基材金属为S：SOLID BASE METAL 当焊锡润湿在基材表面上，静止下来时，亦即是力平衡的状态。 PSF=PLS+PLF COS a PSF是液体在固体上扩散的力量。当焊锡滴在固体表面呈圆球状时，PSFPLS+PLF COS a ，此时开始扩散，a角度逐渐变小，PLF COS a 值变大，直到力量平衡为止。1、a90如果整个系统力量达到平衡a90，则表示PSF的值小，亦即其液体的扩散力差。以a角度来说，a90时称为退润湿（DEWET）， a=180时称为退未润湿（NODEWET）， 90

3、a180时为润湿不良（POORLY WETTED SURFACE）2、90aM，我们称为边际润湿（MARGINAL WETTING）。 通常M75，这种润湿也是不能接受的程度。 3、aM，此种为良好润湿（GOOD WETTING），在品质要求高的产品，M值的要求可低于75。由上述说明a角度越小表示润湿越好。了解焊锡合金金属我们日常生活中所熟悉的物质，大部分人大概无法很正确的定义出什么是金属。正确的来说金属是一个具有光泽、坚硬、有延展性、好的热与电的导体的化学元素，在所有化学元素中有73种是金属。金属的原子是被限制在一个特定的范围内以三度空间运动，这是所有结晶物质的典型，原子有秩序的排列在结晶中

4、，称为空间格子（space lattice）。原子之间的距离是用埃（angstroms）为单位。其距离依不同原子，在不同温度下有不同的距离，一是AO（angstroms）等于110-9m，而每一种金属又有不同的结晶形成，只有在某些特别情况下，可得到单一结晶或多结晶结构产生，是视其金属由液体转换为固体时的温度变化。当金属液体冷却时，许多结晶开始形成，慢慢向三度空间延伸，相遇在颗粒边界（Grain boundaries）。每一结晶之间，并没有很平整的表面，而且也无法控制，但在冶金学上的回火，却可以改变颗粒（grain）的大小及结构。合金在日常生活中常用的不是纯的金属，而且合金在两种以上的不同金属组

5、合，具有其独特的特性，与其原来金属的特性完全不同。通常的合金分为含铁合金及非铁合金，焊锡即属于非铁合金。合金的形成是在金属液体时混合而成的，金属的混合即像水与酒精混合一样，也有可能两者只有部分溶解，因此会分为两种，如水与油的混合，形成二个不同的相（phase）。也有些金属在液体时能互溶，当温度降低固化后，又再分离。也有可能两种金属互溶后形成金属化合物（lntermetallic compounds）。金属化合物（lntermetallic compounds）两种以上的金属依固定的化学剂量比例结成一个无法区分的均匀相（phase），其结构与本性，依各组成分子的原子半径及电子活性而定，可由金相学

6、检验看到。固溶体（Solid Solution）一个金属原子进入另一金属原子结晶格内成为另一金属的一部分，与金属化合物最大的不同点在于其溶入量，并没有一定的比率，而固溶体的溶入量视温度而定，因此我们常发现当温度下降后会有单一金属沉淀出来，其现象与水溶液完全一样。劳动硬化（Work hardening） 常受外力使金属结晶破坏，合金变得更强更硬，我们称为work hardening，此现象可加热到某一温度一段时间后，改变压力即可回复原来结构，我们称之为回火，大部分焊锡合金的回火温度都在室温下，因此不会发生硬化。我们再强调，当两种以上金属在液体中混合时，会有：（1）固溶体的产生。（2）金属化合物的

7、产生。（3）维持原来的成份。也就是因为有了这么多的反应，而造成许多问题。举例来说，焊锡63锡/37铅的比例为共融比例，当焊锡由液体降温到183时，焊锡开始凝固，此时温度不再下降，但热量继续散失，直到全部固化，温度开始继续下降。其中温度不变，而热量有所改变，我们称之为凝固热。但是如果成份为60锡/40铅，则从190开始有固体出现，而温度继续下降直到183时才全部凝固。我们可从下列公式算出190，也可从计算中得知在浆状范围内焊锡到底是有什么样的东西在里面。以60/40来说，其中比例应该含有95.%的63/37及4.77%的铅。63/37熔点183，纯铅熔点3271830.9523+3270.047

8、7=190 当温度降至190时，开始有铅凝固，而在此温度下63/37成份的焊锡还是呈液体，因此我们看起来整个焊锡呈现浆糊状，一般说来这种浆状范围对焊接过程中的影响并不太大，但是如果在浆状范围这段温度内，焊点受到摇动则会产生所谓的冷焊或焊点粗糙的问题。当然因为浆状范围的温度高，相对的焊接温度亦要提高。一般说来，大部分人都认为63/37的焊锡要60/40要好。事实上，如果使用在单面板孔径较大者，60/40反而要比63/37好用，因为60/40的焊点较大，较易填满整个孔径。溶液硬化（Solution hardening）当小量的其他金属加入结晶格内，亦会发生类似劳动硬化的力量改变结晶，如此改变称之为

9、溶液硬化。如锑加入焊锡，即是这种效果，这种处理对焊锡的特性非常重要。共晶点（Eutc Tic）：固体 转 液体 且 液体 转 固体 为扩张强度（Tersil strength） （Alloy）63/37（61.9%）共晶点为183.3 选择63/37主要因锡在锡炉工作时含量会降低63 60、60 57 相转变（phase diagram）要了解焊锡特性，要先了解焊锡的相转变图，在讨论焊锡的相转图前解释几个词。（1）共融组合（Eutectic composition）：常两种金属以特定比例混合后，具有同一溶点，且其熔点较原来的金属熔点为低，此种成份组合我们称之为共融组合。（2）相（phase）：

10、当两不同金属互溶形成一个均匀的结构，且维持稳定，我们称之为单相（ONEPHASE）。而实际上当两种金属液态混合时，A部分会溶入B，B部分也会溶入A。这种情况下，就有两个不同但均匀的结构，每一个部分就称为相；而多种成份组合也会有更多的相形成，但所有的相都会达到平衡状态。（3）熟活性（thermally activated）:当温度上升时，金属原子距离开始加大，称此原子受热活性作用。一旦此能量超过原子束缚力时，则打破结晶形态形成液态。（4）熔解热（Heat of fusion）: 当温度上升，金属开始熔解，直到金属完全熔解，虽然一直加热，但温度并未上升，此时的热量将固体熔为液体，称此热量为熔解热。

11、（5）相转变图：将合成的成份与温度改变及相的变化，称之为相转变图。认识助焊剂助焊剂的功能及用途助焊剂是一种具有化学及物理活化性能的物质，能够除去被焊金属表面的氧化物或其他已形成的表面膜层以及焊锡本自外表上所形成的氧化物；以达到被焊表面能够沾锡及焊牢的日的。助焊剂的功用还可保护金属表面，使在焊接的高温环境中而不再被氧化。第三个功能就是减少熔锡的表面张力（Surface tension），以及促进焊锡的分散及流动等。助焊剂对被焊表面的涂布方法：有传统波焊中的流沫泡沫式、波流式、喷射式及表面粘浸式等方法。在预热过程中，一般助焊剂在得到热能的协助后，都能充满活性从而对各种金属外表执行清洁的任务。因此，

12、助焊剂本自在各种涂布焊接工程学上，除清洁作用外，还有润湿性、扩散性、助焊剂活性、化学活性等。助焊剂在不同温度下的活性 Activation &Deactivation Temperatures 好的助焊剂 不只是要求热稳定性，在不同温度下的活性亦应考虑。助焊剂的功能即是去除氧化物，通常在某一温度下效果较佳，例如RA的助焊剂，除非温度达到某一程度，氯离子不会解析出来清理氧化物，当然此温度必须在焊锡作业的温度范围内。加一个例子，如使用氯气做为助焊剂，如温度是一定的，反应时间则依氧化物的厚度而定。当温度过高时，亦可能降低其活性，如松香在超过600（315）时，几乎无任何活性，如果无法避免高温时，可将

13、预热时间缩短。也可以利用此一特性，将助焊剂活性纯化以防止腐蚀现象，但在应用上要特别注意受热时间与温度，以确保活性纯化。润湿能力 Wetting Power 为了能清理基材表面的氧化层，助焊剂要能对基材金属有很好的润湿能力，同时亦应对焊锡有很好的润湿能力以取代空气，降低焊锡表面张力，增加其扩散性。扩散率 Spreading Activity 助焊剂在焊接过程中应有帮助焊锡扩散的能力，扩散与润湿都是帮助焊点的角度改变，通常扩散率（Spread factor）可用来作助焊剂强弱的指标。化学活性能 Chemical Activity 要达到一个好的焊点，被焊物必须要有一个完全无氧化层的表面，但金属一旦

14、暴露于空气中会生成氧化层，这种氧化层无法用传统溶剂清洗，此时必须依赖助焊剂与氧化层起化学作用。当助焊剂清除氧化层之后，干净的被焊物表面，才会更好地与焊锡接合。助焊剂与氧化物的化学的反应有：（1）是相互起化学作用形成第三种物质。（2）氧化物直接被助焊剂剥离。（3）上述二种反应并存。松香助焊剂支除氧化层，即是第一种反应，松香主要成份为松香酸（Abietic acid）和（Isomeric diterpene acids），当助焊剂加热后与氧化铜反应，形成铜松香（Copper abiet），是呈绿色透明状物质，易溶入未反应的松香内与松香一起被清除，即使有残留，也不会腐蚀金属表面。氧化物暴露在氢氧中的

15、反应，即是典型的第二种反应，在高温下氢与氧反应成水，减少氧化物，这种方式常用在半导体零件的焊接上。几乎所有的有机酸或无机酸都有能力去除氧化物，但大部分都不能用来焊锡，助焊剂除了去除氧化物的功能外，还有其他功能，这些功能是在焊锡作业时，必须考虑的。热稳定性 Thermal Stability 当助焊剂在去除氧化物反应的同时，必须还要形成一个保护膜，防止被焊物表面再度氧化，直到接触焊锡为止。所以助焊剂必须能承受高温，在焊锡作业的温度下不会分解或蒸发。如果分解（Decomposition）则会形成溶剂不溶物，难以用溶剂清洗，W/W级的纯松香在280左右会分解，此应特别注意。助焊剂化学成份 助焊剂化学

16、成份主要有以下几种：松香、聚合松香、活性剂、有机酸化物、有机酸、一般天然有机酸溶剂、高沸点有机溶剂。锡炉、波焊机与助焊剂控制之影响 污染物对焊接的影响当一装配品流过焊锡时，基板上的不同金属成份溶解于锡，虽然其量小，但却会影响焊锡波浪的流动，而反应出焊点的外观。污染物可从板台、冶金工具或掉进焊锡炉的东西而来，任何与焊锡波浪的东西一定要是不锈铜、铁氟龙保护或氧化处理。不过，我们无法防止基板上的零件与焊锡波浪接触，不可避免的，它们将会污染焊锡到某一程度。不管这些污染物是否已达到危险水准，都要依焊锡加入量和在焊接工程中被移去的焊锡量的比率来加入新焊锡。假如污染水准增加，则锡溶解金属的能力会下降。要是此

17、污染水准在最大的允许范围内，你便可常年使用而不必更换焊锡。然而，我们还是要定期检查污染物的含量以建立平衡水准和确认是否有因疏忽而致使污染物掉入焊锡炉中。1、 新的焊锡 1-1 美国：ASTM 571-QQS-571E 1-2 英国：BS 441-BS 219 1-3 欧洲：DIN 1707 1-4 日本：JIS 25122、 使用中的焊锡警戒值 ANSI/IPC-S-815A （1） 锑:0.05% （2） 铜:0.20% （3） 铋:0.25% （4） 金:0.10% （5） 银:0.10% （6） 砷:0.04% （7） 铁:0.02% （8） 镍:0.01% （9） 铝:0.005% （

18、10） 镉:0.005% （11） 锌:0.005% 最小值为0.10%（QQ-S-571E所定） 这些值并不是所有状况的绝对值，尚需依规格要求、基板设计、焊锡性、线路空间、连接器尺寸等而定。你应从干净的焊锡炉、使用干净的锡时，开始定期监控并绘图来表示污染物的上升状况，绝对不可停止污染物的测试。 焊锡材料的标准与应用在波峰和浸焊过程中，锡炉每天要焊接成千上万块插件板及元件器件的材料所含杂质会不断地溶入锡炉，由于这些杂质在存在，会使波峰焊的焊料成份发生变化，焊接质量下降、虚焊，连焊点增加，因此，必须要把焊料中的杂质控制在最低限度，方能保证良好的焊接效果。在使用过程中要根据焊接中有关杂质的最高允许

19、范围对焊料进行定期化验分析，若焊料铅锡比例偏移正常范围则应视其情况进行适当调整，必要时，还应将锡槽内焊锡全部更换。溶锡的污染物，检验溶锡的成份和各种污染持，及其影响如下所示：铜Cu 警戒值0.20% 危险值0.30%影响 即使铜含量低于0.02%,可造成不溶解物质的产生,对PCB而言;最多可被接受的铜含量不得超过0.3%。金Au 警戒值0.10%危险值 0.30% 影响金易于与铅与锡一起结合为复合物质,金溶解于合金锡及之内的话,将造成焊点脆弱以及光泽暗淡。铋Bi 警戒值0.25% 危险值0.30% 影响铋会增加焊点硬度,可是易于脆裂,也会降低焊锡溶点及焊点表面色泽暗淡。锌Zn 警戒值0.005

20、% 危险值0.008% 影响即使少量的锌,溶锡的流动性亦会大打折扣,造成焊点不良,因而可能形成锡桥、锡柱等缺陷。铁Fe 警戒值0.02% 危险值0.025% 影响在正常的溶锡温度下，铁很难以被溶解在里面，只要0.10%的铁，即会造成粗劣的焊锡；它也会形成复合物质，因而影响焊点的结合性是否良好。铝Al 警戒值0.005% 危险值0.008% 影响铝乃最具杀伤力的杂质之一，即使含量只有0.005%，也会使光泽大受影响，以及阻碍溶锡的流动性。砷As 警戒值0.04% 危险值0.05% 影响砷过量的话，焊接表面会变黑，溶锡流动性因而变得吊滞。镍Ni 警戒值0.01% 危险值0.02% 影响即使只有一点

21、点，焊点表面会出现细小的泡泡或者浮泡。硫S - - 硫含量超过50PPM，即会直接造成焊接问题。注：1、铜：最常见的污染物质。2、铝：最危险的污染物质。锡炉至少六个月清洗一次，或者当铜含量高达0.30%时，可视实际情况而定。波峰焊锡机与助焊剂控制之影响 对于焊接有影响之参数，有如下因素：助焊剂比重。预热温度。输送带速度。喷流嘴与基板之距离。焊锡浸渍深度。焊锡温度。利用分散分析，检讨这些构成因素和焊接之间相互关系之结果，如以下所述，有关冷焊和锡桥之产生定性顷向，将会有更进一步了解。助焊剂比重为了防止冷焊，故最适的比重范围为0.800-0.820之间。它会左右固体含有量之流动性。当助焊剂的比重高时

22、，则基板上助焊剂残留量增加，因焊锡波尾部助焊剂不足，导致产生锡桥现象。当助焊剂本身固体含有量多时，则防碍焊锡之流动而引起冷焊现象。为了焊锡要有良好的润湿性起见，必须要有一定量以上的助焊剂固体含有量，为了防止冷焊，故使用润湿性良好程度的助焊剂。相反的若固体含有量过多的话，则产生反效果，故必须在最适的比重范围内使用。预热在助焊剂不变坏范围内，温度高，可养活焊接之不良。预热温度，设定在零件而热可靠度之最高点且温度能够加以限制。助焊剂有恶化温度，当温度达到160以上时，即使将氧化膜除去，也会再氧化，故在一恶化之范围内，采用最适宜温度较好。（助焊剂之特性，当预热温度低时，则容易流动，相反的当预热温度高时

23、，则基板之跷曲变形。） 输送机速度为了防止冷焊，输送机速度最好慢一些。为了防止锡桥，在零件形状和焊锡流速的关系里，采用最合适的范围。在锡桥防止方面，输送机速度与焊锡流速有相对之关系，在一定的速度条件下，存在着产生锡桥最少的范围。为防止冷焊，浸焊时间最好长些。（当输送机速度慢时，助焊剂便流动，有时会引起焊接不良，故必须调整浸渍时间。焊锡喷嘴和基板之距离基板尽可能接近喷嘴。当基板之表面的压力离开时，则呈横方向的力。当喷嘴和基板之距离变窄时，垂直方向的力便变大，则能保持焊锡的均匀流动（基板与喷嘴接近）。焊锡浸渍深度在防止冷焊方面，一次喷流时采用深浸渍，而在防止锡桥方面，二次则采用浅浸渍。在防止未焊方

24、面，喷嘴和基板之距离最好深些，在防止锡桥方面喷嘴和基板之距离最好浅些。变重波的情形：在防止冷焊方面，采用一次喷流。在防止锡桥方面，采用二次喷流。故一次则设定较深，二次则设定较浅。焊锡温度在助焊剂不变坏的范围内，焊锡温度最好高些。就自动焊接设备的防止不良发生对策而言，在选择机器参数的基本条件而进行分散分析之同时，助焊剂也有最适的要素条件，故同时必须检讨机器参数。当不良发生被限定时，例如，在同一个地方，连续的发生不良时，必须对包括基板之设计变更，全部重新下对策。焊接工程的不良原因及对策 吃锡不良（POOR WETTING） 现象为线路板的表面有部分未沾到锡，原因为：表面附有油脂、杂质氧化等，可以溶

25、解洗净。基板制造过程时的打磨粒子遗留在线路表面，此为印刷电路板制造厂家的问题。SILICON OIL，一般脱膜剂及润滑油中含有此种油类，很不容易被完全清洗干净。所以在电子零件的制造过程中，应尽量避免化学品含有SILICON OIL 者。焊锡炉中所用的氧化防止油也须留意不是此类的油。由于贮存时间、环境或制程不当，基板或零件的锡面氧化及铜面晦暗情形严重。换用助焊剂通常无法解决问题，重焊一次将有助于吃锡效果。助焊剂使用条件调整不当，如发泡所需的空气压力及高度等。比重亦是很重要的因素之一，因为线路表面助焊剂分布的多少受比重所影响。焊锡时间或温度不够。一般焊锡的操作温度应较其溶点温度高55-80之间。不

26、适合之零件端子材料。检查零件，使得端子清洁，浸沾良好。预热温度不够。可调整预热温度，使基板零件侧表面温度达到要求之温度约90-110 焊锡中杂质成份太多，不符合要求。可按时测量焊锡中之杂质。退锡（DE-WETTING）多发生于镀锡铅基板，与吃锡不良的情形相似；但在焊接的线路表面与锡波脱离时，大部分已沾附在板上的焊锡又被拉回到锡炉中，所以情况较吃锡不良严重，重焊一次不一定能改善。原因是基板制造工厂在镀锡铅前未将表面清洗干净。此时可将不良之基板送回工厂重新处理。冷焊或焊点不光滑（COLD SOLDER OR DISTURBED SOLDERING）此情况可被列为焊点不均匀的一种，发生于基板脱离锡波

27、正在凝固时零件受外力影响移动而形成的焊点。保持基板在焊锡过后的传送动作平稳，例如加强零件的固定，注意零件线脚方向等；总之，待焊过的基板得到足够的冷却后再移动，可避免此一问题的发生。解决的办法为再过一次锡波。至于冷焊，锡温太高或太低都有可能造成此情形。焊点裂痕（CRACK SOLDERING）造成的原因为基板、贯穿孔及焊点中零件脚受热膨胀系数方面配合不当，可以说实际上不算是焊锡的问题，而是牵涉到线路及零件设计时，材料尺寸在热方面的配合。另基板装配品的碰撞、重叠也是主因之一。因此，基板装配品皆不可碰撞、重叠、堆积。用切断机剪切线脚更是主要杀手，对策是采用自动插件机或事先剪脚或购买不必再剪脚的尺寸的

28、零件。锡量过多（EXCESS SOLDER）过大的焊点对电流的流通并无帮助，但对焊点的强度则有不良影响，形成的原因为： 基板与焊锡的接触角度不当，改变角度（3），可使溶锡脱离线路滴下时有较大的拉力，而得到较适中的焊点。 焊锡温度过低或焊锡时间太短，使溶锡在线路表面上未能完全滴下便已冷凝。 预热温度不够，使助焊剂未完全发挥清洁线路表面的作用。 调高助焊剂的比重，亦将有助于避免连焊的产生；然而，亦须留意比重太高，焊锡过后基板上助焊剂残余物增多。锡尖（ICICLING）锡尖在线路上或零件脚端形成，是另一种形状的焊锡过多。再次焊锡可将此尖消除。有时此情形亦与吃锡不良及不吃锡同时发生，原因如下：基板的可焊性差，此项推断可以从线路接点边线吃锡不良及不吃锡