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唯特偶小課堂 | 第一期:電子裝聯(lián)焊接基礎理論

唯特偶小課堂 | 第一期:電子裝聯(lián)焊接基礎理論

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今天小編給大家來(lái)科普一下電子裝聯(lián)焊接的基礎知識。我們先從最基礎的焊接講起,焊接分為熔焊,壓焊釬焊,簡(jiǎn)單理解如圖1所示。

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釬焊的歷史

我國最早的文獻記載《漢書(shū)》有云:“胡桐淚盲似眼淚也,可以汗金銀也,今工匠皆用之。(汗即焊)。到明代的《開(kāi)工天物》以及物理小識都有類(lèi)似記載。

釬焊的原理又是什么呢?

釬焊在工業(yè)上被定義為采用比母材溶化溫度低的釬料,操作溫度采用低于母材固相而高于釬料液相線(xiàn)的一種焊接技術(shù)。釬焊時(shí)釬料熔化為液態(tài),而母材保持為固態(tài),液態(tài)釬料在母材的間隙中或表面上潤濕、毛細流動(dòng)、填充、鋪展、與母材相互作用(溶解、擴散或產(chǎn)生金屬間化合物)、冷卻凝固形成牢固的接頭,從而將母材連接在一起。由于歷史原因,釬焊一直被分為硬釬焊和軟釬焊,他們之間以450度為分界線(xiàn)。

* IPC的定義:Metallurgical joining two metal surfaces using a material filler with a melting point below 800F.

* 美國軍標MIL認為軟/硬釬焊的分界線(xiàn)為429度800F。

我們所探討的焊接主要指的是軟釬焊,并把軟釬料簡(jiǎn)稱(chēng)為“釬料”或“焊料”。上述分類(lèi)的總結如圖2所示。

 

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一、構成軟釬焊的基本要素:

母材(基體金屬)、焊料和助焊劑。

 

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二、軟釬焊的工藝特點(diǎn):

1)可以同時(shí)焊接多個(gè)焊點(diǎn);

2)可以在較低的溫度下進(jìn)行焊接,對PCB及電子元器件的熱損傷??;

3)接合部導電性好;

4)可實(shí)現高可靠性的接合;

5)接合部返修容易;

6)可同時(shí)適用于烙鐵焊、浸焊、波峰焊、再流焊等多種焊接方法;

7)所用焊接材料及設備價(jià)格不高,經(jīng)濟實(shí)惠。

 

三、軟釬焊的優(yōu)點(diǎn):

1)熔化溫度范圍窄,適合工程應用范圍需要;

2)潤濕性、機械性能和電氣性能可以滿(mǎn)足電子產(chǎn)品要求;

3)經(jīng)濟性較好。

 

四、常用的焊接方法

1)手工烙鐵焊接

2)浸焊

3)波峰焊(傳統和選擇性)

4)回流焊

5)焊接機器人

6)熱壓焊

7)激光焊

 

五、焊接原理

當焊料被加熱到熔點(diǎn)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(shí)使金屬表面獲得足夠的激活能。熔融的焊料在經(jīng)過(guò)助焊劑凈化的金屬表面上進(jìn)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,冷卻后使焊料凝固,形成焊點(diǎn),如圖4所示。焊點(diǎn)的抗拉強度與金屬間結合層的結構和厚度有關(guān)。

焊接過(guò)程可以總結為以下四個(gè)步驟:

1)潤濕

2)擴散

3)溶解

4)冶金結合,形成結合層(IMC)

 

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1. 潤濕

潤濕是物質(zhì)固有的性質(zhì),潤濕是焊接的首要條件。焊料與母材原子緊密接近,產(chǎn)生引力,稱(chēng)為潤濕力。

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* 潤濕角θ
θ=焊料和母材之間的界面與焊料表面切線(xiàn)之間的夾角。當θ=0°時(shí),完全潤濕;當θ=180°時(shí),完全不潤濕;焊點(diǎn)的最佳潤濕角Cu--Pb/Sn 15~45°


  

 

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  1. 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(lèi)型。因此潤濕是物質(zhì)固有的性質(zhì)。

b)液態(tài)焊料與母材表面清潔,無(wú)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(chǎn)生引力,稱(chēng)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(shí),妨礙金屬原子自由接近,不能產(chǎn)生潤濕作用,這是形成虛焊的原因之一。

c)表面張力——由于液體內部分子受到四周分子的作用力是對稱(chēng)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(dòng)縮成最小的趨勢。熔融焊料在金屬表面也有表面張力現象。

 

  1. 解決方案

①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。

②適當的金屬合金比例——Sn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。

③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。

④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。


2 擴散

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定。當金屬與金屬接觸時(shí),界面上晶格紊亂導致部分原子從一個(gè)晶格點(diǎn)陣移動(dòng)到另一個(gè)晶格點(diǎn)陣。

擴散條件:相互距離(金屬表面清潔,無(wú)氧化層和其它雜質(zhì),兩塊金屬原子間才會(huì )發(fā)生引力),溫度(在一定溫度下金屬分子才具有動(dòng)能)。

 

  1. 擴散的分類(lèi)

1)按擴散類(lèi)型分

a)自擴散:即同種金屬原子間的擴散現象。

b)相互擴散:異種金屬原子間的擴散,例如,在焊接中母材和焊料之間的擴散。

c)單一擴散:指單方向的其他元素的擴散現象。如滲碳,氮化,在金屬浸透的場(chǎng)合C,N,向金屬原子的擴散。

 

2)按物理現象分

a)表面擴散:熔融焊料的原子沿被焊金屬結晶表面的擴散。

b)晶界擴散:熔化的焊料原子沿著(zhù)固體金屬的結晶晶界的擴散現象。

c)晶內擴散(體擴散):熔化的焊料原子擴散到固體金屬的晶粒內去的過(guò)程。

d)選擇擴散:兩種以上的金屬元素組成的焊料進(jìn)行焊接時(shí),只有某一種金屬元素擴散,其他金屬根本不擴散。

7 按照物理現象分的四種擴散類(lèi)型示意圖


3)溶解

母材表面的Cu分子被熔融的液態(tài)焊料溶解或溶蝕。


4)冶金結合,形成金屬結合層(IMC)

焊接是依靠在接合界面上生成合金層而形成連接強度的。這種以合金的元素成分按原子量的比例以化學(xué)結合的方式結合在一起的物質(zhì),叫做金屬間化合物(IMC)。

要得到良好的焊接效果,釬料成分和母材成分必須發(fā)生能形成牢固結合的冶金反應,即在界面上生成適當的合金層。在焊接連接界面上,IMC的形成與否和形成的質(zhì)量好壞,對焊接接頭的機械、化學(xué)、電氣等性能有著(zhù)關(guān)鍵性的影響。換言之,評價(jià)一個(gè)良好焊點(diǎn)的關(guān)鍵就是是否生成了合適的金屬間化合物(IMC)。

63Sn/37Pb焊料為例,共晶點(diǎn)為183℃焊接后(210-230℃)生成金屬間結合層:Cu6Sn5和Cu3Sn(如圖8所示)

8 金屬間結合層Cu3Sn和Cu6Sn5

以下圖9是焊點(diǎn)內部構造的金相圖,可以觀(guān)察到焊點(diǎn)的微觀(guān)形貌。

9 焊點(diǎn)內部構造圖

IMC的特性

金屬間化合物(IMC)一般是既硬又脆的,厚度越厚反而其焊點(diǎn)強度越差。

IMC的評價(jià)          

什么樣的金屬間化合物(IMC)是我們所追求的呢,業(yè)內比較公認的說(shuō)法是,焊接后焊點(diǎn)界面長(cháng)出合金層IMC,且長(cháng)得平坦、均勻、連續即可,具體來(lái)說(shuō),主要用以下3點(diǎn)來(lái)評價(jià)。

①厚度均勻

關(guān)于IMC的厚度,業(yè)內說(shuō)法不一,但比較認可的觀(guān)點(diǎn)是IMC的平均厚度在1~4um,且最低值不低于0.5um是比較良性的合金層,太薄的合金層(<0.5um)焊點(diǎn)可能呈冷焊狀,強度不夠。

②形貌良好

良性的IMC的形貌是呈扇貝狀,連續、均勻的界面,但隨著(zhù)焊接溫度、時(shí)間及擴散的增加,IMC加速生長(cháng),形貌從最初的扇貝狀轉變成屋脊狀,最終形成惡性的棱鏡狀,其所承受的內應力在增加,機械強度在弱化,變化過(guò)程如下所示

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③結構成分合適

金屬間化合物的厚度與溫度和時(shí)間的平方根成線(xiàn)性增長(cháng),界面間的持續擴散不僅會(huì )導致IMC厚度的增加,而且會(huì )導致IMC結構與成分的變化。

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電子裝聯(lián)焊接是一門(mén)綜合性的應用技術(shù),涉及的學(xué)科是多方面的。本文小編根據自身的實(shí)踐經(jīng)驗以及業(yè)內同仁的觀(guān)點(diǎn)進(jìn)行整理總結,分享了焊接分類(lèi)、釬焊的原理、軟釬焊的基本要素和工藝特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)、常用的焊接方法、焊接原理等,希望大家能有所收獲。

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參考文獻:

[1]樊融融,現代電子裝聯(lián)焊接技術(shù)基礎及其應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2015.12.

[2]羅道軍,電子組裝工藝可靠性技術(shù)與案例研究[M].北京:電子工業(yè)出版社,2015,9.

[3]劉哲,現代電子裝聯(lián)工藝學(xué)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2016.1.

[4]顧靄云,焊點(diǎn)機理與可靠性分析,演講PPT.

[5]許琳,深圳邁瑞,金屬間化合物(IMC)對焊點(diǎn)質(zhì)量影響之淺析.

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