电子焊接工艺技术
电子焊接工艺技术
焊接工艺技术是生产整机类电子产品最关键的工艺技术之一，焊接质量的好坏在一定程度上可以代表企业装联技术水平的高低。从事电子产品工作的工程技术人员必须全面深入地掌握这门关键的工艺技术。
1、焊接基本原理
在焊接学科中，锡焊属于软钎焊的范畴。什么是软钎焊呢？将比母材（即被焊接的金属材料）熔点低的金属焊接材料熔化，使其与母材结合在一起的焊接称为钎焊，而采用的金属焊接材料的熔点在450oC以下的焊接则称为软钎焊。我们电子整机中通常采用锡与铅的合金作为焊接材料，其熔点一般低于200oC，显然是属于软钎焊的范畴。
锡焊是一门科学，从宏观上看，其原理非常简单，只不过是通过某种手段将固态焊料加热熔化，再借助助焊剂的作用，使其流入被焊金属之间，待冷却后形成牢固可靠的焊接点，但究其微观机理，则是非常复杂的。
当采用锡－铅系焊料焊接金属铜时，焊料先对金属表面产生润湿，伴随着润湿现象发生，焊料逐渐向铜金属扩散，在焊料与铜金属的接触面上生成合金层，使两者牢固结合起来。所以锡焊是通过润湿、扩散和冶金结合3个物理/化学过程来完成的。
1、润湿：润湿过程是指已经熔化了的焊料借助毛细管力沿着母材金属表面细微的凹凸和结晶的间隙向四周漫流，从而在被焊母材表面形成一个附着层，使焊料与母材金属的原子相互接近，达到原子引力起作用的距离，我们称这个过程为熔融焊料对母材表面的润湿。这一过程是形成良好焊点的先决条件。那么，怎么来判别焊料对被焊母材是否润湿呢？一般用附着在母材表面的焊料与母材的接触角θ来判别，如图1所示。θ角是指沿焊料附着层边缘所作的切线与母材表面的夹角，当θ＜90时，表示已润湿，当θ≥90时表示未润湿。在日常生活中我们也能观察到润湿现象，如雨水落在荷叶上，即结成圆珠状的水珠在荷叶上滚动，而不能附着在荷叶表面，我们称这种现象为水不能润湿荷叶；反之，雨水落在棉布衣上，很快就能吸入棉布的纤维中，我们称这种现象为水能润湿棉布。这样我们就可以很形象地理解润湿这一物理现象了。
当然，熔融焊料润湿母材表面是有条件的，即被焊母材的表面必须是清洁的，只有清洁的表面才能使焊料与母材原子相互接近，达到原子引力起作用的距离，当母材表面附有氧化物或污物时，润湿就不能正常进行了。
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2、扩散：伴随着润湿的进行，焊料与母材金属原子间的互相扩散现象开始发生。通常金属原子在晶格点阵中处于热振动状态，一旦温度升高，原子活动加剧，使熔化的焊料与母材中的原子互相越过接触界面进入对方的晶格点阵。原子移动的速度和数量决定于加热的温度和时间。
3、冶金结合：由于焊料与母材互相扩散，在2种金属之间形成一个中间层－金属间化合物，以母材是铜金属为例，当用锡－铅系焊料焊接时，生成的金属间化合物为Cu3Sn、Cu6Sn5等。要获得良好的焊点，被焊母材与焊料间必须生成金属间化合物，从而使母材达到牢固的冶金结合状态。
综上所述，良好焊点形成的先决条件是焊料对母材的充分润湿，在温度和时间的外因作用下，通过扩散，最终结果是使焊料和母材产生牢固的冶金结合。
2、焊接材料
2.1 焊料
在焊接时凡是用来使二种或二种以上金属连接成为一个整体的金属或合金被称为焊料。按其组成成分，焊料可分为锡－铅焊料、银焊料和铜焊料；按其熔点，焊料又可分为软焊料（熔点在450oC以下）和硬焊料（熔点高于450oC）。在电子设备装联中常用的焊接材料是锡－铅系焊料。
1．锡－铅系焊料的特性
（1）锡铅比：在合金学的锡－铅系焊料状态图（如图2）中我们可以看出当锡含量为61.9%、铅含量为38.1%时为锡铅合金的共晶点（A点），达到这样锡铅比的共晶合金具有最优异的特性，它熔点低、熔融和凝固过程简单，流动性好，因此非常适合用作焊料，通常称为共晶焊料。
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由于锡铅比处在共晶点附近的焊料的焊接性能是最优良的，所以在实际使用中，一般采用锡含量为60%～63%、铅含量为40%～37%的共晶焊料，即牌号为HISnPb39（锡含量59%～61%）、HISnPb37（锡含量63%）的锡铅合金。对于较高档的电子产品最好选用含锡量为63%的焊料。因为在实际焊接中，焊料向母材的扩散属选择性扩散，只有焊料成分中的锡向母材扩散，而铅是不扩散的，所以锡的消耗量大于铅的消耗量，因此选择含锡量稍高于共晶点的HISnPb37焊料更有利于维持锡槽内焊料的锡铅比接近共晶点。
（2）熔点：在合金学的锡－铅系焊料状态图中可以看出，共晶焊料的熔点最低点为183oC，随着锡－铅比例的变化，熔点逐渐升高。焊料熔点降低可减小对元器件的热冲击并节约能源。
（3）机械性能：电子产品在运输和使用过程中不可避免地要受到震动冲击应力的作用，因此要求焊接点必须具有一定的机械强度。处在共晶点附近的锡－铅焊料的抗拉强度和剪切强度为最高，分别为5.36㎏/mm和3.47㎏/ mm左右，而且焊接后会变得更大，而非共晶焊料的抗拉强度和剪切强度均下降为5㎏/ mm和3㎏/ mm以下。
（4）表面张力和粘度：从焊接润湿的角度出发，我们希望焊料的表面张力和粘度都较小，有利于焊料的浸流和渗透。但实际情况是锡的含量越高，表面张力越大，粘度越小；反之，铅的含量越高，粘度越大，表面张力却越小。共晶焊料能较好地兼顾这2个特性，从而获得良好的润湿效果。
2．焊料的杂质含量
在焊接过程中，杂质对焊料的润湿性、焊点的机械强度和耐腐蚀性都有很大的影响，各种杂质对锡－铅焊料的影响情况见表1。
表1 各种杂质对锡－铅焊料的影响
杂 质 Sb锑 Cu铜 对 焊 料 性 能 的 影 响 含量大时焊料硬度增大，流动性下降，含量超过1%时铺展面积减少25% 使焊料熔点升高，可焊性下降，含量超过0.29%时可引起焊点疏松 2
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Bi铋 Cd镉 Zn锌 Al铝 Fe铁 As砷 P磷 S硫 Ag银
机械自动焊接中的杂质来源于2个方面：一是焊料本身带有杂质；另一方面，在焊接时，由于工件金属与熔融焊料之间的互相扩散，而导致工件金属成分（主要是铜）进入锡缸，使锡缸内焊料的含铜量逐渐升高，所以在实际生产中，除了要严格控制来料的质量外，要定期（一般每月一次）检测锡缸内的含铜量，要求控制在0.3%以下，发现超出规定标准，应更换锡缸内的所有焊料。关于焊料中杂质含量的标准见表2。
表2 锡－40%（wt）铅焊料杂质含量的主要标准（上限值）
杂 质 Sb Cu Bi Zn Fe Al As Cd
这里要说明的是，并非所有的杂质都会对焊料产生不良影响，有时为了改善其性能，加入适量的银、锑、铜可得到良好的效果。
在焊料中添加0.2～2.0%（wt）银，可使焊料的熔点下降而改善可焊性，同时可防止对锡镀件的银熔融腐蚀；在焊料中添加1～3%（wt）锑，可防止低温对焊点的脆化，同时可减少锡含量而降低成本；在焊料中添加0.05%（wt）的铜，则使金属组织变细从而提高机械性能。因此，在必要时可根据特殊需要适当添加。
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使焊料熔点下降，机械性能下降，含量超过0.5%时，使焊料表面氧化变色 含量超过0.15%时，铺展面积降低25% 使焊料流动性降低，机械性能下降，含量超过0.003%时焊料表面氧化，不耐腐蚀 作用同锌一样，含量超过0.005%时焊料氧化加剧 使焊料熔点升高，润湿性下降 含量超过0.2%时，铺展面积下降25% 使焊料润湿性下降，引起疏松 使焊料润湿性下降，引起疏松 使焊料熔点升高 JIS Z3282-86(wt%) B级 1.0 0.08 0.35 （各项之和小于） A级 0.30 0.05 0.05 0.005 0.03 0.005 0.03 0.005 S级 0.10 0.03 0.03 0.002 0.02 0.005 0.03 0.002 QQ-S-571F GB3131-2001 J-STD-006 [Class1] 0.50 0.08 0.10 0.005 0.02 0.005 0.03 0.005 Class AA 0.05 0.03 0.03 0.001 0.02 0.001 0.015 0.001 (1995) 0.50 0.08 0.250 0.005 0.02 0.005 0.030 0.005 J-STD-001 C 波峰炉锡块 0.500 0.300 0.250 0.005 0.020 0.006 0.030 0.006 电子焊接工艺技术
2.2 助焊剂
助焊剂是一种促进焊接的化学物质。在锡焊中，它是一种不可缺少的辅助材料，其作用是极为重要的。
1. 助焊剂的作用
（1）熔解被焊母材表面的氧化膜
在大气中，被焊的金属母材表面总是被氧化膜覆盖着，其厚度大约为2×109～2×108m
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在焊接时，氧化层必然会阻止焊锡对母材的润湿，焊接就不可能正常进行，因此必须在母材表面涂敷助焊剂，使金属表面的氧化物还原，从而达到消除氧化膜的目的。
（2）防止被焊母材的再氧化
母材在焊接过程中需要加热，高温时金属表面会加速氧化，因此液状的助焊剂覆盖在母材和焊料的表面可防止它们氧化。
（3）降低熔融焊料的表面张力
熔融焊料金属表面具有一定的张力，就像雨水落在荷叶上，由于液体的表面张力会立即聚结成圆珠状的水珠。熔融焊锡的表面张力会阻止它向母材表面浸流，影响润湿的正常进行。当助焊剂覆盖在熔融焊料的表面时，可降低液态焊料的表面张力，使润湿性能明显提高。
2．助焊剂应具备的性能
（1）助焊剂要有适当的活性温度范围。在焊锡熔化前开始起作用，在施焊过程中较好地发挥清除氧化膜、降低液态焊锡表面张力的作用。焊剂的熔点要低于焊锡的熔点，但不应相差过大。
（2）助焊剂要有良好的热稳定性，一般热稳定温度不小于100oC。
（3）助焊剂的密度应小于液态焊料的密度，这样助焊剂才能均匀地在被焊金属表面铺展，成薄膜状覆盖在焊料和被焊金属表面，有效地隔绝空气，促进焊料对母材的润湿。
（4）助焊剂的残留物不应有腐蚀性且容易清洗；不应析出有毒、有害气体；要有符合电子工业规定的水溶性电阻和绝缘电阻；不吸潮，不产生霉菌；化学性能稳定，易于贮存。
3．助焊剂的种类
助焊剂的种类繁多，一般可分为无机系列、有机系列和树脂系列等。
助焊剂种类
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无机盐 无机系列（IN） 有机系列（OR） （RE） 树脂系列 （RO） 无机酸 有机酸（OA） 非活性化松香（R） 弱活性化松香（RMA） 活性化松香（RA） 超活性化松香（RSA） 合成松香（SA）