波峰焊接基础关键技术理论之三虚焊.doc

波峰焊接基本技术理论之三 虚焊现象发生及其防止1 虚焊现象及其判据1.1 虚焊现象 现象1： 表面不润湿，焊点表面呈粗糙形状、光泽性差、润湿性不好(润湿角900)，如图1所示。此时钎料和基体金属界面之间为一层不可焊薄膜所阻档，界面层上未能发生所盼望冶金反映(形成恰当厚度合金层Cu6Sn5+ Cu3Sn )。 这是一种显形虚焊现象，从外观上就能判断。现象2： 表面润湿，但钎料和基体金属界面未发生冶金反映(未形成恰当厚度合金层Cu6Sn5+Cu3Sn )，如图2所示。它是一种稳形虚焊现象，外观不易判断，因而危害极大。 1.2 虚焊判据 上面所表述两种不同虚焊现象，其共同特点都是结合界面未发生冶金反映，未形成适当厚度(1.53.5)m合金层。因而，接合界面上与否形成了适当厚度铜锡合金层就构成了虚焊现象唯一判据。此时若将焊点扯破，就可发现钎料和基体金属之间互相成犬牙交错状裂痕，即基体金属上有钎料残留物，钎料上也有基体金属痕迹。相反，若将虚焊点扯破时，在基体金属和钎料之间没有任何互相楔入残留物，而是很清晰互相分开，好似用浆糊粘往同样。2 虚焊形成机理2.1 软钎接过程中所发生物理现象2.2.1 软钎接接合物理过程 通过软钎接，金属为什么会接合到一起并形成连接强度呢？以惯用锡-铅合金软钎料来说，它是通过软钎料润湿接合金属表面，运用扩散作用在界面产生合金层(金属间化合物)，从而结成一体。以波峰焊接为例，在适当温度作用下， 焊点在软钎接过程中所发生物理化学过程，按照发生先后可描述如下：2.2.2 润湿作用及Young定理2.2.2.1 润湿作用 软钎接过程中接合伙用第一步，是软钎料借助毛细管现象在接合金属表面上充分铺展开，这现象就叫做润湿。 为使熔融软钎料润湿固体金属表面，必要具备一定条件。其条件之一就是被焊金属表面必要是干净。这样软钎料与被接合基体金属原子间距离才干接近到原子间力作用限度。2.2.2.2 润湿过程中作用力 作用于原子间力 在高温下具备粘性二相似金属间，只要在高温下加上不大压力，就可以使它们之间互相紧密贴合。软钎接时，由于软钎料处在熔融状态，在金属表面产生润湿，不需加外力，只要基体金属表面是干净，就能很容易地达到原子间力作用所需要距离。 熔融金属聚合力及附着力 润湿是物质所具备聚合力作用成果，而紧密贴合与表面张力关于。产生表面张力因素是聚合力。为了分析此问题，咱们以在玻璃管中液体和管壁接触部位状态来阐明，如图3所示。 在图3中，液体分子受到对玻璃壁附着力F f 及液体自身聚合力F c 作用(忽视重力作用)，按液面形状作用于液面分子外力是垂直于液面。图3(左)由于水与玻璃壁之间附着力大，因此合力F d 方向是指向玻璃壁内。因而，合力F d 与成直角液面成为凹面。当浮现这种凹面时，因表面张力作用产生收缩力，而使管内液面上压力减少。然而在同一液面上各点压力必然是相等，因此液面上升。 在软钎接中，润湿和熔融钎料聚合力及基体金属附着力关于，聚合力越弱，即固体面与液体原子附着力比液面原子聚合力越大，越易产生毛细管现象。 由此可知，为实现软钎接，一方面要产生润湿，由于润湿，当软钎料与基体金属原子间距离非常接近时，原子聚合力即发生作用，使软钎料与基体金属合并为一体，完毕了接合。 表面张力 表面张力是在液体表面分子因受聚合力作用而被拉向液体内部，成为表面面积最小时所发生。在液体内部每个分子，被其他分子所包围，受力状态是平衡。而液面分子，因其上部存在着不同相，而这个相分子密度小，因而受到垂直于液面并指向液体内部力。因而，在液体表面产生结膜现象，使表面面积收缩为最小(球形)。这种力就是表面自由能，该力称为表面强力。 毛细管现象 在干净固体金属表面上，放置熔融状态干净钎料，钎料液体就会在固体金属表面扩展并润湿固体金属。这一现象是液态钎料在固体金属表面细小凹凸间隙中，借助于毛细管现象，向四方扩展而引起。 2.2.2.3 Young 定理 液态钎料在固体金属表面润湿过程，则产生下述自由能，如图5所示。 图5中： F SF ：固体金属与助焊剂之间界面张力(自由能)； F LS ：液态钎料与固体金属之间界面张力(自由能)； F LF ：液态钎料与助焊剂之间界面张力(自由能)； ：接触角； cos：润湿系数。 这些自由能之间关系可以用Young定理来描述，即： PSF=PLS+PLFcos ( 1 ) 设附着功为Wa ，其近似值可用下式表达： Wa=PSF+PLFPLS ( 2 ) 由式( 1 )和式 ( 2 )可得到： Wa = PLSPLF cos+PLF PLS PLF ( cos 1 ) ( 3 ) 图5中“A”点上三个矢量平衡状态，表达了表面能平衡，PLF 是作用于与液体曲面相切方向液体表面张力，也就是使液态钎料表面积为最小力。为1800时，为完全不润湿状态，而为00 时，为完全润湿。在工业批生产中可作如下分级： 00 300 润湿优良 300 400 润湿良好 400 550 润湿可接受 550 700 润湿不良2.2.3 扩散作用及Fick定理2.2.3.1 扩散作用 在接合过程中，在发生润湿现象后及时伴有扩散作用，因而形成了界面层或合金层。因晶格中金属原子不断地进行着热振动，当温度达到足够高时，就从一种晶格向其他晶格自由移动，这现象称为扩散。移动速度及数量与温度和时间关于。 扩散随钎料、固体金属种类及温度等不同而各异，由扩散而形成中间层，对接合部物理、化学性能，特别是机械性能、抗蚀性能有很大影响。 软钎接中，钎料在基体金属晶粒中扩散称体扩散，扩散到基体金属内部晶粒中Sn可产生不同组分界面合金层，如图6所示。 2.2.3.2 金属间化合物 软钎接是依托在接合界面上生成合金层而形成连接强度。这种合金层普通是一种金属间化合物。这种以合金金属成分按原子量比例结合化合物，叫做金属间化合物。 当用Sn/Pb系钎料焊接铜时，钎料中Sn向铜中扩散而产生Cu-Sn-Cu结合，这种结合与接合关于。在普通温度下生成Cu3Sn(相)(基体金属侧)、Cu6Sn5(相)(钎料侧)，而在300以上时则将浮现Cu31Sn8(相)以及其他构造不明合金。 金属间化合物是一种硬度高而脆性大合金相。铜与锡化学亲合力很强，因而，在钎接界面上铜与锡形成金属间化合物生长不久，据关于资料简介，纯锡在265液态下与铜生成金属间化合物层，一分钟就能达到1.25m厚度。2.2.3.3 Fick定律 Fick定律描述了在软钎料过程中扩散现象发生规律： dmDS dt ( 4 ) 式中：dm 钎料组分扩散量； D 扩散系数； S 扩散面积； 沿扩散方向扩散组分浓度梯度； dt 扩散时间。 由公式( 4 )可知，扩散数量与浓度梯度、扩散系数、扩散面积、和扩散时间关于。公式中负号表达扩散是由高浓度向低浓度方向进行，当钎料中某些组分含量比被焊金属高时，由于存在浓度梯度，就会发生该组分向被焊金属中扩散。普通固态金属在液相中扩散系数约在10-5g /cm2 sec数量级。 因此被焊金属在液态钎料中扩散速度比液态钎料在固体被焊金属中扩散速度要大多。 液态钎料向被焊固态金属中扩散常用形式为：液态钎料沿被焊金属表面 、结晶内部以及晶界等方式进行。对于用锡-铅钎料钎接铜时多发生沿表面和晶内扩散方式，如图7所示。 用Sn/Pb系钎料焊接铜时，锡和铜能形成合金，而铅不与铜形成合金。因而，只有Sn以一定速度扩散到基体金属铜中去，而铅不进行扩散(原地不动)。这种只有Sn扩散现象叫选取扩散，如图8所示。 浮现选取扩散时，当接近铜Sn扩散到铜内后，距铜较远Sn原子则由于Pb原子阻挡减慢了扩散速度。通过一定期间后在靠铜附近会形成富铅层。浮现铅偏析现象时，往往使接合界面性质发生种种变化，导致接合强度急剧下降。3 虚焊现象发生条件3.1 虚焊现象1 发生条件 虚焊现象1特性是：既未发生润湿又未发生扩散，好似用浆糊粘住似，这种接头不能叫钎接，只能叫粘可焊性差甚至不可焊。其形因不外乎是： 外部因素 外购PCB、元器件等可焊性不合格，进入公司库房前未进行严格入库验收实验； 库存环境不良，库存期大长 由于储存环境和储存期限与保持PCB和元器件良好可焊性有着密切关系。因而，PCB和元器件存储环境必要具备恒温、恒湿、空气质量 好，无腐蚀性气体(如硫、氯等) 和无油污环境中储存。否则会导致可焊性劣化。 多数助焊剂只能除掉锈和氧化膜，而不能去除油脂那样有机薄膜。如果元器件和PCB在储存过程中，PCB和元器件上沾上了油脂等污染物后，会产生锡、铅偏析和针孔，减少焊接强度。也容易在铅偏析和钎料界面上产生裂纹，从外现看并无异常，但却是潜伏着影响可靠性因素。 储存期长短应视地区(例如南方、北方)和本地空气质量而定，普通但愿库存期愈短愈好。例如PCB在大气中放置一种月后，可焊性明显变差且容易附着气泡(吸潮)，如图9所示。特别是在拆除真空封装状态上线插件后，在湿热或空气污染厉害地区在流水线上滞留时间最佳不要超过24小时就完毕焊接工序。3.2 虚焊现象2发生条件3.2.1 虚焊现象 2形成 物理过程 虚焊现象2 特性是：发生了润湿但未发生扩散，它表白了PCB及元器件可焊性不存在问题，浮现此现象主线因素是焊接工艺条件选取不适当。 咱们懂得软钎接过程中原子扩散现象是双向，即： 被焊金属(基体金属)向钎料中扩散 被焊金属在钎料中溶解条件是：钎料和被焊金属在液态下可以互溶，则在钎接过程中被焊金属就能溶于液态钎料。被焊金属在液态钎料中溶解量可用下式表达： Gy Cy ( 1 - e ) ( 5 ) 式中： G 被焊金属溶解量； y 液态钎料密度； Cy 被焊金属在液态钎料中极限溶解度； Vy 液态钎料体积； a 被焊金属原子在液态钎料中扩解系数； t 接触时间；接。形成虚焊现象1主线因素就是基体金属表面不干净，表面氧化或者被脏物、油脂、手汗渍等污染而导致表面可 s 液相和固相接触面积。 由公式( 5 )可以看出：随着钎接温度提高和钎接保温时间延长， 被焊金属在液态钎料中溶解量都会增多。温度对溶解量影响，重要反映在式( 5 )中溶解度系数 a 增大上，如图10所示。 若钎料与被焊金属能形成金属间化合物时，由于金属间化合物浮现，阻碍了被焊金属向钎料中溶解速度。在化合物形成温度曲线上体现出溶解速度有所下降，如图11所示。 被焊金属向钎料中扩散过程，由于被焊金属元素溶于钎料中，与钎料成分起合金化作用。因而使得钎接接头性能提高了，例如Sn抗拉强度b =1.5kg / mm2，而形成铜、锡合金层后接头抗拉强度提高到b = 5.7kg / mm2。 固然被焊金属溶于钎料量不恰当(偏多)时，也是带来使钎料熔点提高、流动性变差、被焊金属浮现溶蚀等不良后果因素。 钎料组分向被焊金属中扩散 由Fick定理可知：在一定温度下，钎料组分中Sn向被焊金属中扩散量也是与加热时间成正比，它表白了适当合金层形成是需要时间。 因而焊接温度偏低，焊接时间偏短是导致虚焊现象2发生重要因素。3.2.2 波峰焊接中如何控制合金化过程 波峰焊接中PCB通过波峰时其热作用过程大体可分为三个区域，如图12所示。 助焊剂润湿区 被覆在PCB板面上助焊剂，通过预热区预热，一接触钎料波峰后温度骤升，助焊剂迅速在基体金属表面上润湿、漫延。受温度激烈激活，释放出最大化学活性迅速净化被焊金属表面。此过程大概只需0.1秒时间即可完毕。 钎料润湿区 通过助焊剂净化基体表面，在基体金属表面吸附力作用下和助焊剂拖动下，迅速在基体金属表面上漫流开来。一旦达到钎料润湿温度后，润湿过程便及时发生。此过程普通只需10-3 sec即可完毕。 合金层形成区 钎料在基体金属上发生润湿后，扩散过程便紧随其后发生。由于生成最适当厚度合金层(3.5m左右)需要经历一段时间过程。因而，润湿发生后还必要有足够保温时间，以获得所需要厚度合金层。普通该时间为(25)sec。保温时间之因此要取一种范畴，重要是受被焊金属热容量大小而不同。热容量大，升温速率慢，获得适当厚度合金层时间自然就得长某些；而热容小，升温速率快，合金层生成速度也要快些，因而保温时间就可以获得短些。对普通元器件来说，该时间优选为(34)sec。 4 虚焊防止4.1 强化对元器件可焊性管理4.1.1 严把外协、外购件入库验收关 必要将可焊性不良PCB和元器件拒之门外，因而，必要严格执行入库验罢手续： 每批外购元器件到货后，均必要抽样怍可焊性实验，合格后才可正式入库。对普通元器件引脚采用弯月面润湿法测量可焊性时，当钎料槽温度取250时润湿时间应0.6sec。通过可焊性测试元器件可以继续装机使用。 每批外协PCB到货后应任意抽取三块采用波峰法作可焊性测试，合格后才干接受。由于通过可焊性实验后PCB不能再使用，因而，每批订购时必要多加三块作工艺实验件。4.1.2 优化库存期管理 所有PCB和元器件必要在恒温、恒湿、空气质量 好，无腐蚀性气体(如硫、氯等) 和无油污环境中储存。 考虑到可焊性存储期限， 所有元器件必要实行先入先出原则，以免导致一某些元器件因库存期过长而导致可焊性恶化。 储存期长短应视地区(例如南方、北方)和本地空气质量而定，普通但愿库存期愈短愈好。例如PCB在深圳湿热环境下最佳不要超过一种月。在拆除真空封装状态上线插件后，在流水线上滞留时间最佳不要超过24小时就完毕焊接工序。4.1.3 加强工序传递中文明卫生管理 工作人员应穿戴防静电衣、鞋和手套，并经常保持其干净； 由于指纹印是最难去除污染，是传递过程中导致可焊性不良因素。因而在操作过程中，任何与焊接表面接触东西必要是干净。PCB从保护袋中取出后，只能接触PCB板角或边沿，在需要对PCB进行机械安装操作时，应戴上符合EOS/ESD防护规定手套并经常保持其干净。 4.2 选取对的工艺规范 工艺规范选取不当，是导致虚焊现象2 核心因素。因而，在钎料槽温度取定为250前提下，必要保证合金化时间在 (34)sec之间。4.1.3