《锡焊可靠性分析》PPT课件.ppt

锡焊可靠性分析锡焊可靠性分析一一一一.概述概述概述概述二二二二.锡焊原理锡焊原理锡焊原理锡焊原理三三三三.焊点可靠性分析焊点可靠性分析焊点可靠性分析焊点可靠性分析四四四四.关于无铅焊接机理关于无铅焊接机理关于无铅焊接机理关于无铅焊接机理五五五五.锡基焊料特性锡基焊料特性锡基焊料特性锡基焊料特性内容内容一一.概述概述 熔焊熔焊焊接种类焊接种类 压焊压焊 钎焊钎焊钎焊钎焊压焊压焊熔焊熔焊超声压焊超声压焊金丝球焊金丝球焊激光焊激光焊电子装配的核心电子装配的核心连接技术：焊接技术连接技术：焊接技术焊接技术的重要性焊接技术的重要性 焊点是元器件与印制电路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。度就决定了电子产品的性能和可靠性。焊接方法（钎焊技术）焊接方法（钎焊技术）手工烙铁焊接手工烙铁焊接浸焊浸焊波峰焊波峰焊回流焊回流焊软钎焊软钎焊 焊接学中，把焊接温度低于焊接学中，把焊接温度低于450的焊的焊接称为软钎焊，所用焊料为软钎焊料。接称为软钎焊，所用焊料为软钎焊料。软钎焊特点软钎焊特点钎料熔点低于焊件熔点。钎料熔点低于焊件熔点。加热到钎料熔化，润湿焊件。加热到钎料熔化，润湿焊件。焊接过程焊件不熔化。焊接过程焊件不熔化。焊接过程需要加焊剂。（清除氧化层）焊接过程需要加焊剂。（清除氧化层）焊接过程可逆。（解焊）焊接过程可逆。（解焊）电电子子焊焊接接是是通通过过熔熔融融的的焊焊料料合合金金与与两两个个被被焊焊接接金金属属表表面面之之间间生生成成金金属属间间合合金金层层（焊焊缝缝），从从而而实实现现两两个个被被焊焊接接金金属属之之间间电电气与机械连接的焊接技术。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、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。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。焊点的抗拉强度与金属间结合层的结构和厚度有关。二二.锡焊原理锡焊原理锡焊过程锡焊过程焊接过程是焊接金属表面、助焊剂、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熔融焊料和空气等之间相互作用的复杂过程表面清洁表面清洁焊件加热焊件加热熔锡润湿熔锡润湿扩散结合层扩散结合层冷却后形成焊点冷却后形成焊点物理学物理学物理学物理学润湿、黏度、毛细管现象、热传导、扩散、溶解润湿、黏度、毛细管现象、热传导、扩散、溶解化学化学化学化学助焊剂分解、氧化、还原、电极电位助焊剂分解、氧化、还原、电极电位助焊剂分解、氧化、还原、电极电位助焊剂分解、氧化、还原、电极电位冶金学冶金学冶金学冶金学合金、合金层、金相、老化现象合金、合金层、金相、老化现象合金、合金层、金相、老化现象合金、合金层、金相、老化现象电学电学电学电学电阻、热电动势电阻、热电动势电阻、热电动势电阻、热电动势材料力学材料力学材料力学材料力学强度（拉力、剥离疲劳）、应力集中强度（拉力、剥离疲劳）、应力集中强度（拉力、剥离疲劳）、应力集中强度（拉力、剥离疲劳）、应力集中焊接过程中焊接金属表面（母材，焊接过程中焊接金属表面（母材，以以CuCu为例为例）、）、助焊剂、熔融焊料之间相互作用助焊剂、熔融焊料之间相互作用1.1.1.1.助焊剂与母材的反应助焊剂与母材的反应助焊剂与母材的反应助焊剂与母材的反应（1 1 1 1）松香去除氧化膜）松香去除氧化膜）松香去除氧化膜）松香去除氧化膜松香的主要成分是松香酸，松香的主要成分是松香酸，松香的主要成分是松香酸，松香的主要成分是松香酸，融点为融点为融点为融点为74747474。170170170170呈活性反应，呈活性反应，呈活性反应，呈活性反应，300 300 300 300以上无活性。以上无活性。以上无活性。以上无活性。松香酸和松香酸和松香酸和松香酸和CuCuCuCu2 2 2 2O O O O反应生成松香酸铜。松香酸在常温下反应生成松香酸铜。松香酸在常温下反应生成松香酸铜。松香酸在常温下反应生成松香酸铜。松香酸在常温下和和和和300300300300以上不能和以上不能和以上不能和以上不能和CuCuCuCu2 2 2 2O O O O起反应。起反应。起反应。起反应。（2 2 2 2）溶融盐去除氧化膜）溶融盐去除氧化膜）溶融盐去除氧化膜）溶融盐去除氧化膜一般采用氯离子一般采用氯离子一般采用氯离子一般采用氯离子ClClClCl-或氟离或氟离或氟离或氟离子子子子F F F F-，使氧化膜生成氯化物或氟化物。，使氧化膜生成氯化物或氟化物。，使氧化膜生成氯化物或氟化物。，使氧化膜生成氯化物或氟化物。（3 3 3 3）母材被溶蚀）母材被溶蚀）母材被溶蚀）母材被溶蚀活性强的助焊剂容易溶蚀母材。活性强的助焊剂容易溶蚀母材。活性强的助焊剂容易溶蚀母材。活性强的助焊剂容易溶蚀母材。（4 4 4 4）助焊剂中的金属盐与母材进行置换反应。）助焊剂中的金属盐与母材进行置换反应。）助焊剂中的金属盐与母材进行置换反应。）助焊剂中的金属盐与母材进行置换反应。2.2.2.2.助焊剂与焊料的反应助焊剂与焊料的反应助焊剂与焊料的反应助焊剂与焊料的反应（1 1 1 1）助焊剂中活性剂在加热时能释放出的助焊剂中活性剂在加热时能释放出的助焊剂中活性剂在加热时能释放出的助焊剂中活性剂在加热时能释放出的HClHCl，与，与，与，与SnOSnO起还原反应。起还原反应。起还原反应。起还原反应。（2 2 2 2）活性剂的活化反应产生激活能，减小界面张力，活性剂的活化反应产生激活能，减小界面张力，活性剂的活化反应产生激活能，减小界面张力，活性剂的活化反应产生激活能，减小界面张力，提高浸润性。提高浸润性。提高浸润性。提高浸润性。（3 3 3 3）焊料氧化，产生锡渣。）焊料氧化，产生锡渣。）焊料氧化，产生锡渣。）焊料氧化，产生锡渣。3.3.3.3.焊料与母材的反应焊料与母材的反应焊料与母材的反应焊料与母材的反应 润湿、扩散、溶解、润湿、扩散、溶解、润湿、扩散、溶解、润湿、扩散、溶解、冶金结合，形成冶金结合，形成冶金结合，形成冶金结合，形成结合层。结合层。结合层。结合层。锡焊原理锡焊原理（1 1 1 1）润湿）润湿）润湿）润湿（2 2 2 2）扩散扩散扩散扩散（3 3 3 3）溶解溶解溶解溶解（4 4 4 4）冶金结合，形成）冶金结合，形成）冶金结合，形成）冶金结合，形成结合层结合层结合层结合层润湿角润湿角焊点的最佳润湿角焊点的最佳润湿角 Cu-Pb/Sn 1545 当当=0时，完全润湿时，完全润湿；当当=180时，完全不润湿时，完全不润湿；=焊料和母材之间的界面焊料和母材之间的界面 与焊料表面切线之间的夹角与焊料表面切线之间的夹角分子运动分子运动（1 1）润湿）润湿液体在固体表面漫流的物理现象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物质固有的性质润湿是焊接的首要条件润湿是焊接的首要条件润湿是焊接的首要条件润湿是焊接的首要条件润湿力（润湿力（Wa）B BSVSVC CSLSLA ALVLV当固、液、气三相达到平衡时：当固、液、气三相达到平衡时：当固、液、气三相达到平衡时：当固、液、气三相达到平衡时：B BSVSV=C=CSL SL+A+ALV LV COS COS B BSVSV：固体与气体之间的界面张力：固体与气体之间的界面张力：固体与气体之间的界面张力：固体与气体之间的界面张力 可以将可以将可以将可以将B BSVSV看作是液体在固体表面漫流的力看作是液体在固体表面漫流的力看作是液体在固体表面漫流的力看作是液体在固体表面漫流的力（润湿力：润湿力：润湿力：润湿力：WaWa）C CSLSL ：固体与液体之间的界面张力：固体与液体之间的界面张力：固体与液体之间的界面张力：固体与液体之间的界面张力A ALVLV ：液体与气体之间的界面张力：液体与气体之间的界面张力：液体与气体之间的界面张力：液体与气体之间的界面张力 B BSVSV与与与与C CSLSL的作用力都沿固体表面，但方向相反。的作用力都沿固体表面，但方向相反。的作用力都沿固体表面，但方向相反。的作用力都沿固体表面，但方向相反。设润湿力为设润湿力为设润湿力为设润湿力为WaWa，其近似值：其近似值：其近似值：其近似值：将将将将B BSVSV代入式中代入式中代入式中代入式中S S：固体：固体：固体：固体L L：液体：液体：液体：液体V V：气体：气体：气体：气体 ：润湿角：润湿角：润湿角：润湿角L L液体液体液体液体S S固体固体固体固体Wa BWa BSVSV+A+ALVLV-C-CSLSLWa=Wa=C CSLSL+A+ALVLV COS COS+A+ALVLV-C-CSLSL Wa Wa=A=ALVLV（1+1+COSCOS ）润湿力关系式润湿力关系式润湿力关系式润湿力关系式V V气体气体气体气体从润湿力关式可以看出：润湿角从润湿力关式可以看出：润湿角从润湿力关式可以看出：润湿角从润湿力关式可以看出：润湿角 越小，润湿力越大越小，润湿力越大越小，润湿力越大越小，润湿力越大分子运动分子运动润湿润湿条件条件（a a）液态焊料与母材之间有良好的亲和力，能互相溶解。）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。物质固有的性质。（b b）液态焊料与母材表面清洁，无氧化层和其它污染物。）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，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。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。的原因之一。分子运动分子运动表面张力表面张力 表面张力表面张力在不同相共同存在的体系中，由于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。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，合力称的，作用彼此抵消，合力=0=0。但是液体表面分子。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，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。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。熔融焊料在金属表面也有表面张力现象。大气大气大气大气液体内部分子受力合力液体内部分子受力合力=0=0液体表面分子受液体内分子的引力大气分子引力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分子运动表面张力与润湿表面张力与润湿力力 熔融焊料在金属表面润湿的程度除了与液态焊料与母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。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。表面张力是物质的本性，不能消除，但可以改变。分子运动分子运动表面张力在焊接中的作用表面张力在焊接中的作用 回回流焊流焊当焊膏达到熔融温度时，在当焊膏达到熔融温度时，在平衡平衡平衡平衡的表面张的表面张力的作用下，会产生自定位效应（力的作用下，会产生自定位效应（self alignmentself alignment）。表）。表面张力使回流焊工艺对贴装精度要求比较宽松，比较容易面张力使回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。同时也正因为实现高度自动化与高速度。同时也正因为“回流动回流动”及及“自定位效应自定位效应”的特点，回流焊工艺对焊盘设计、元器件标的特点，回流焊工艺对焊盘设计、元器件标准化有更严格的要求。如果表面张力准化有更严格的要求。如果表面张力不平衡不平衡不平衡不平衡，焊接后会出，焊接后会出现元件位置偏移、吊桥、桥接、等焊接缺陷。现元件位置偏移、吊桥、桥接、等焊接缺陷。波峰焊波峰焊波峰焊时，由于表面张力与润湿力的方向相波峰焊时，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。反，因此表面张力是不利于润湿的因素之一。SMDSMD波峰焊时波峰焊时表面张力表面张力造成阴影效应造成阴影效应 熔融熔融合金的粘度与表面张力是焊料的重要性能。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。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。锡铅合金的粘度和表面张力与合金的成分密切相关。配比（配比（W%）表面张力表面张力(N/cm)粘度（粘度（mPas)SnPb20804.6710-32.7230704.710-32.4550504.7610-32.1963374.910-31.9780205.1410-31.92锡铅合金配比与表面张力及粘度的关系（锡铅合金配比与表面张力及粘度的关系（280测试）测试）粘度与表面张力粘度与表面张力分子运动分子运动焊接中降低表面张力和黏度的措施焊接中降低表面张力和黏度的措施提高温度提高温度升温可以降低黏度和表面张力的作用。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。分子对表面分子的引力。适当的金属合金比例适当的金属合金比例SnSn的表面张力很大，增加的表面张力很大，增加PbPb可以降可以降低表面张力。低表面张力。63Sn/37Pb63Sn/37Pb表面张力明显减小。表面张力明显减小。表表 mn/m 粘粘 面面 度度 张张 540 力力 520 500 T（）480 10 20 30 40 50 Pb含量含量%温度对黏度的影响温度对黏度的影响 250时时Pb含量与表面张力的关系含量与表面张力的关系 增加活性剂增加活性剂能有效地降低焊料的表面张力，还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。可以去掉焊料的表面氧化层。改善焊接环境改善焊接环境采用氮气保护焊接可以减少高温采用氮气保护焊接可以减少高温氧化。提高润湿性氧化。提高润湿性毛细管现象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。毛细管现象是液体在狭窄间隙中流动时表现出来的特性。毛细管现象是液体在狭窄间隙中流动时表现出来的特性。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，金属板内侧与外将两块平行的金属板或细管插入液体中，金属板内侧与外将两块平行的金属板或细管插入液体中，金属板内侧与外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，则侧的液面高度将有所不同，如果液体能够润湿金属板，则侧的液面高度将有所不同，如果液体能够润湿金属板，则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，金属板内侧的液面内侧的液面将高于外侧的液面，反之，金属板内侧的液面内侧的液面将高于外侧的液面，反之，金属板内侧的液面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。将低于外侧的液面。将低于外侧的液面。将低于外侧的液面。液体能够润湿金属板液体能够润湿金属板液体能够润湿金属板液体能够润湿金属板液体不能润湿金属板液体不能润湿金属板液体不能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在熔融焊料中也存在毛细管现象在熔融焊料中也存在毛细管现象在熔融焊料中也存在毛细管现象毛细管现象毛细管现象在焊接中的作用在焊接中的作用在软钎焊过程中，要获得优质的钎焊接头，需要液在软钎焊过程中，要获得优质的钎焊接头，需要液在软钎焊过程中，要获得优质的钎焊接头，需要液在软钎焊过程中，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。态钎料能够充分流入到两个焊件的缝隙中。态钎料能够充分流入到两个焊件的缝隙中。态钎料能够充分流入到两个焊件的缝隙中。例如例如例如例如通孔元件在波峰焊、手工焊时通孔元件在波峰焊、手工焊时通孔元件在波峰焊、手工焊时通孔元件在波峰焊、手工焊时，当间隙适当时，当间隙适当时，当间隙适当时，当间隙适当时，毛细作用能够促进元件孔的毛细作用能够促进元件孔的毛细作用能够促进元件孔的毛细作用能够促进元件孔的“透锡透锡透锡透锡”。又例如又例如又例如又例如再流焊时再流焊时再流焊时再流焊时，毛细作用能够促进元件焊端底面，毛细作用能够促进元件焊端底面，毛细作用能够促进元件焊端底面，毛细作用能够促进元件焊端底面与与与与PCBPCB焊盘表面之间液态焊料的流动。焊盘表面之间液态焊料的流动。焊盘表面之间液态焊料的流动。焊盘表面之间液态焊料的流动。毛细作用毛细作用液体在毛细管中上升高度的表达式液体在毛细管中上升高度的表达式 式中：式中：式中：式中：HH毛细管中液柱的高度毛细管中液柱的高度毛细管中液柱的高度毛细管中液柱的高度 液体（焊料）的表面张力液体（焊料）的表面张力液体（焊料）的表面张力液体（焊料）的表面张力 液体（焊料）的密度液体（焊料）的密度液体（焊料）的密度液体（焊料）的密度 g g 重力加速度重力加速度重力加速度重力加速度 R R 毛细管半径毛细管半径毛细管半径毛细管半径 22H=H=gR gR从式中看出从式中看出从式中看出从式中看出液体在毛细管中上升高度液体在毛细管中上升高度液体在毛细管中上升高度液体在毛细管中上升高度：与表面张力成正比；与表面张力成正比；与表面张力成正比；与表面张力成正比；与液体的密度、比重成反比；与液体的密度、比重成反比；与液体的密度、比重成反比；与液体的密度、比重成反比；与毛细管直径有关。与毛细管直径有关。与毛细管直径有关。与毛细管直径有关。金属原子以结晶排列，原子间作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。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。移动到另一个晶格点阵。扩散条件：相互距离扩散条件：相互距离（金属表面清洁，无氧化层和其它杂质，（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）两块金属原子间才会发生引力）温度温度（在一定温度下金属分子才具有动能）（在一定温度下金属分子才具有动能）（2 2）扩散扩散四种扩散形式：四种扩散形式：表面扩散；晶内扩散；晶界扩散；选择扩散。表面扩散；晶内扩散；晶界扩散；选择扩散。PbSnSn表面扩散表面扩散向晶粒内扩散向晶粒内扩散分割晶粒扩散分割晶粒扩散选择扩散选择扩散表面扩散、晶内扩散、晶界扩散、选择扩散示意图表面扩散、晶内扩散、晶界扩散、选择扩散示意图Cu表面表面熔融熔融Sn/Pb焊料侧焊料侧晶粒晶粒（3）溶解溶解母材母材母材母材表面的表面的表面的表面的CuCu分子被熔融的液态焊料分子被熔融的液态焊料分子被熔融的液态焊料分子被熔融的液态焊料溶解或溶蚀溶解或溶蚀溶解或溶蚀溶解或溶蚀。金属间结合层金属间结合层 Cu3Sn和和Cu6Sn5金属间结合层金属间结合层Cu3Sn和和Cu6Sn5放大放大1,000倍的倍的QFP引脚焊点横截面图引脚焊点横截面图以以63Sn/37Pb焊料为例，焊料为例，共晶点为共晶点为183 焊接后（焊接后（210-230）生成金属间结合层：生成金属间结合层：CuCu6 6SnSn5 5和和和和CuCu3 3SnSn（4 4）冶金结合，冶金结合，形成形成结合层（结合层（金属间扩散、溶解的结果金属间扩散、溶解的结果金属间扩散、溶解的结果金属间扩散、溶解的结果）最后冷却凝固形成焊点最后冷却凝固形成焊点最后冷却凝固形成焊点最后冷却凝固形成焊点三三.焊点可靠性分析焊点可靠性分析 影响焊点强度的主要因素：影响焊点强度的主要因素：影响焊点强度的主要因素：影响焊点强度的主要因素：（1 1）金属间合金层（金属间结合层）质量与厚度）金属间合金层（金属间结合层）质量与厚度（2 2）焊接材料的质量）焊接材料的质量（3 3）焊料量）焊料量（4 4）PCBPCB设计设计 当温度达到当温度达到210-230时，时，Sn向向Cu表面扩散，而表面扩散，而Pb不扩散。初不扩散。初期生成的期生成的Sn-Cu合金为：合金为：Cu6Sn5（相）相）。其中。其中Cu 的重量百分比含的重量百分比含量约为量约为40%。随着温度升高和时间延长，随着温度升高和时间延长，Cu 原子渗透（溶解）到原子渗透（溶解）到Cu6Sn5 中，局部结构转变为中，局部结构转变为Cu3Sn（相）相），Cu 含量由含量由40%增加到增加到66%。当温度继续升高和时间进一步延长，当温度继续升高和时间进一步延长，Sn/Pb焊料中的焊料中的Sn不断向不断向Cu表表面扩散，在焊料一侧只留下面扩散，在焊料一侧只留下Pb，形成，形成富富Pb层层。Cu6Sn5和和富富Pb层层之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。接界面处发生裂纹。以以以以63Sn/37Pb63Sn/37Pb焊料与焊料与焊料与焊料与CuCu表面焊接为例表面焊接为例表面焊接为例表面焊接为例（1）金属间合金层（金属间结合层）质量与厚度）金属间合金层（金属间结合层）质量与厚度焊缝焊缝(结合层结合层)结构示意图结构示意图Pb熔融熔融Sn/Pb焊料侧焊料侧Cu焊端表面焊端表面CuSnSnCuCu6 6SnSn5 5Cu3SnSn富富富富PbPb层层层层焊料直接与焊料直接与Cu生成的合金层生成的合金层红色的箭指示的是红色的箭指示的是红色的箭指示的是红色的箭指示的是 Cu Cu3 3Sn Sn 层层层层CuCu6 6SnSn5 5与与CuCu3 3SnSn两种金属间结合层比较两种金属间结合层比较名称名称分子式分子式 形成形成位置位置颜色颜色结晶结晶性质性质相相Cu6Sn5焊料润湿焊料润湿到到Cu时时立即生成立即生成Sn与与Cu之间的界之间的界面面白色白色球状球状珊贝状珊贝状良性，强良性，强度高度高相相Cu3Sn温度高、温度高、焊接时间焊接时间长引起长引起Cu与与Cu6Sn5之之间间灰色灰色骨针状骨针状恶性，强恶性，强度差，脆度差，脆性性 CuCu3SnCu6Sn5富富Pb层层 Sn/Pb拉伸力拉伸力（千（千lbl/in2）*4m时，由于金属间合金层时，由于金属间合金层太厚，使连接处失去弹性，由于太厚，使连接处失去弹性，由于金属间结合层的结构疏松、发脆，金属间结合层的结构疏松、发脆，也会使强度小。也会使强度小。*厚度为厚度为0.5m时抗拉强度最佳；时抗拉强度最佳；*0.54m时的抗拉强度可接受；时的抗拉强度可接受；*0.5m时，由于金属间时，由于金属间 合金层太薄，几乎没有强度；合金层太薄，几乎没有强度；金属间合金层厚度（金属间合金层厚度（m）金属间合金层厚度与抗拉强度的关系金属间合金层厚度与抗拉强度的关系金属间合金层厚度与抗拉强度的关系金属间合金层厚度与抗拉强度的关系金属间结合层的质量与厚度与以下因素有关：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；（要求焊膏的合金组分尽量达到共晶或近共晶；含氧量应小于含氧量应小于0.5%，最好控制在，最好控制在80ppm以下）以下）(b)助焊剂质量（净化表面，提高浸润性）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，才能被焊接金属表面的氧化程度（只有在净化表面，才能发生化学扩散反应）发生化学扩散反应）(d)焊接温度和焊接时间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。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。金属间结合层的厚度与焊接温度和时间成正比。例如例如183以上，但没有达到以上，但没有达到210230时在时在Cu和和Sn之间的扩散、溶解，不能生成足够的金属间结合层。只有之间的扩散、溶解，不能生成足够的金属间结合层。只有在在220 维持维持2秒钟的条件下才能生成良性的结合层。但秒钟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。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运用焊接理论正确设置温度曲线运用焊接理论正确设置温度曲线运用焊接理论正确设置温度曲线才能获得最好焊点质量。才能获得最好焊点质量。才能获得最好焊点质量。才能获得最好焊点质量。Sn-Pb系焊料金相图系焊料金相图A-B-C线线液相线液相线A-D、C-E线线固相线固相线D-F、E-G线线溶解度曲线溶解度曲线D-B-E线线共晶点共晶点L区区液体状态液体状态L+、L+区区二相混合状态二相混合状态 +区区凝固状态凝固状态（2）焊接材料的质量）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有铅、无铅都应选择共晶或近共晶焊料合金有铅、无铅都应选择共晶或近共晶焊料合金有铅、无铅都应选择共晶或近共晶焊料合金最佳焊接最佳焊接温度线温度线液态液态固态固态（3）与焊料量有关）与焊料量有关（4）PCB设计设计四四.关于无铅焊接原理关于无铅焊接原理（1 1 1 1）目前应用最多的无铅焊料合金）目前应用最多的无铅焊料合金）目前应用最多的无铅焊料合金）目前应用最多的无铅焊料合金（2 2）关于）关于）关于）关于Sn-Ag-CuSn-Ag-Cu系焊料的最佳成分系焊料的最佳成分系焊料的最佳成分系焊料的最佳成分（3 3）IPCIPC推荐的无铅焊料推荐的无铅焊料推荐的无铅焊料推荐的无铅焊料（4 4）无铅焊接原理）无铅焊接原理）无铅焊接原理）无铅焊接原理（1 1）目前应用最多的无铅焊料合金）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晶形式的晶形式的晶形式的Sn-Ag-CuSn-Ag-Cu焊料。焊料。焊料。焊料。Sn(34)wt%Ag(0.50.7)wt%CuSn(34)wt%Ag(0.50.7)wt%Cu是可接受的范围，其熔点为是可接受的范围，其熔点为是可接受的范围，其熔点为是可接受的范围，其熔点为217217左右。左右。左右。左右。美国美国美国美国采用采用采用采用Sn3.9Agwt%0.6wt%CuSn3.9Agwt%0.6wt%Cu无铅合金无铅合金无铅合金无铅合金欧洲欧洲欧洲欧洲采采采采用用用用Sn3.8Agwt%0.7wt%CuSn3.8Agwt%0.7wt%Cu无铅合金无铅合金无铅合金无铅合金日本日本日本日本采用采用采用采用Sn3.0Agwt%0.5wt%CuSn3.0Agwt%0.5wt%Cu无铅合金无铅合金无铅合金无铅合金Sn-0.7Cu-NiSn-0.7Cu-NiSn-0.7Cu-NiSn-0.7Cu-Ni焊料合金用于波峰焊。焊料合金用于波峰焊。焊料合金用于波峰焊。焊料合金用于波峰焊。其熔点为其熔点为其熔点为其熔点为227227227227。手工电烙铁焊大多采用手工电烙铁焊大多采用手工电烙铁焊大多采用手工电烙铁焊大多采用Sn-CuSn-CuSn-CuSn-Cu、Sn-AgSn-AgSn-AgSn-Ag或或或或Sn-Ag-CuSn-Ag-CuSn-Ag-CuSn-Ag-Cu焊料。焊料。焊料。焊料。（2）关于）关于Sn-Ag-Cu系焊料的最佳成分系焊料的最佳成分Sn-Ag-CuSn-Ag-Cu系焊料的最佳成分，日、美、欧之间存在一系焊料的最佳成分，日、美、欧之间存在一系焊料的最佳成分，日、美、欧之间存在一系焊料的最佳成分，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，些微小的差别，日本的无铅实施在世界上处于领先地位，些微小的差别，日本的无铅实施在世界上处于领先地位，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，他们的研究表明对无铅焊料有很深入的研究，他们的研究表明对无铅焊料有很深入的研究，他们的研究表明对无铅焊料有很深入的研究，他们的研究表明Sn-Ag-Sn-Ag-CuCu焊料中焊料中焊料中焊料中AgAg与与与与SnSn在在在在221221形成共晶板状的形成共晶板状的形成共晶板状的形成共晶板状的AgAg3 3SnSn合金，合金，合金，合金，当当当当AgAg含量超过含量超过含量超过含量超过3.2wt%3.2wt%以后（出现过共晶成分）板状的以后（出现过共晶成分）板状的以后（出现过共晶成分）板状的以后（出现过共晶成分）板状的AgAg3 3SnSn合金会粗大化，粗大的板状合金会粗大化，粗大的板状合金会粗大化，粗大的板状合金会粗大化，粗大的板状AgAg3 3SnSn较硬，拉伸强较硬，拉伸强较硬，拉伸强较硬，拉伸强度降低，容易造成疲劳寿命降低，他们的结论是：度降低，容易造成疲劳寿命降低，他们的结论是：度降低，容易造成疲劳寿命降低，他们的结论是：度降低，容易造成疲劳寿命降低，他们的结论是：“在在在在共晶点附近，成分不能向金属间化合物方向偏移共晶点附近，成分不能向金属间化合物方向偏移共晶点附近，成分不能向金属间化合物方向偏移共晶点附近，成分不能向金属间化合物方向偏移”，因，因，因，因此选择使用低此选择使用低此选择使用低此选择使用低AgAg的的的的 Sn3Ag0.5Cu Sn3Ag0.5Cu。Sn-Ag-Cu无铅焊料中无铅焊料中AgAg与与S Sn n在在221221形成形成共晶共晶板状的板状的Ag3Sn合金合金 板状的板状的板状的板状的AgAg 3 3SnSn较硬，当较硬，当较硬，当较硬，当AgAg含量超过含量超过含量超过含量超过3.3.2 2 2 2wt%wt%以后以后以后以后（出现过（出现过（出现过（出现过共晶成分）共晶成分）共晶成分）共晶成分）拉伸强度降低，容易造成疲劳寿命降低拉伸强度降低，容易造成疲劳寿命降低拉伸强度降低，容易造成疲劳寿命降低拉伸强度降低，容易造成疲劳寿命降低，因此因此因此因此推荐使用低推荐使用低推荐使用低推荐使用低AgAg的的的的 Sn3Ag0.5Cu Sn3Ag0.5Cu。结论：结论：结论：结论：“在共晶点附近，成分不能向金属间化合物方向偏移在共晶点附近，成分不能向金属间化合物方向偏移在共晶点附近，成分不能向金属间化合物方向偏移在共晶点附近，成分不能向金属间化合物方向偏移”（3）IPC推荐的无铅焊料：推荐的无铅焊料：Ag含量为含量为3.0wt%的的Sn-Ag-Cu焊料焊料由于由于由于由于Sn95.8Ag3.5Cu0.7Sn95.8Ag3.5Cu0.7无铅焊料美国已经有了专无铅焊料美国已经有了专无铅焊料美国已经有了专无铅焊料美国已经有了专利权；另外由于利权；另外由于利权；另外由于利权；另外由于AgAg含量为含量为含量为含量为3.0wt%3.0wt%的焊料没有专利的焊料没有专利的焊料没有专利的焊料没有专利权；价格相对较便宜；焊点质量较好。因此权；价格相对较便宜；焊点质量较好。因此权；价格相对较便宜；焊点质量较好。因此权；价格相对较便宜；焊点质量较好。因此IPCIPC推推推推荐采用荐采用荐采用荐采用AgAg含量为含量为含量为含量为3.0wt%3.0wt%（重量百分比）的（重量百分比）的（重量百分比）的（重量百分比）的Sn-Ag-Sn-Ag-CuCu焊料。焊料。焊料。焊料。合金成分合金成分熔点（熔点（）Sn-37PbSn-37PbSn-37PbSn-37Pb（传统）（传统）（传统）（传统）183183183183Sn-58BiSn-58Bi138138Sn-20In-2.8AgSn-20In-2.8Ag179-189179-189Sn-10Bi-5ZnSn-10Bi-5Zn168-190168-190Sn-8.8ZnSn-8.8Zn198.5198.5Sn-3.5Ag-4.8BiSn-3.5Ag-4.8Bi205-210205-210Sn-7.5Bi-2Ag-0.5CuSn-7.5Bi-2Ag-0.5Cu213-218213-218Sn95.8Ag3.5Cu0.7Sn95.8Ag3.5Cu0.7Sn95.8Ag3.5Cu0.7Sn95.8Ag3.5Cu0.7217-218217-218217-218217-218Sn-3.5Ag-1.5InSn-3.5Ag-1.5In218218Sn96.5Ag3.0Cu0.5Sn96.5Ag3.0Cu0.5Sn96.5Ag3.0Cu0.5Sn96.5Ag3.0Cu0.5216-220216-220216-220216-220Sn-3.5AgSn-3.5Ag221221Sn-2AgSn-2Ag221-226221-226Sn-0.7Cu-Ni(Sn-0.7Cu-Ni(Sn-0.7Cu-Ni(Sn-0.7Cu-Ni(用于波峰焊用于波峰焊用于波峰焊用于波峰焊)227227227227Sn-5SbSn-5Sb232-240232-240无铅焊料合金的熔点无铅焊料合金的熔点无铅焊料合金的熔点无铅焊料合金的熔点Sn63Pb37Sn63Pb37与与SnAg3.8Cu0.7SnAg3.8Cu0.7性能比较性能比较合金合金成分成分密度密度g/mm2熔点熔点膨胀膨胀系数系数10-6热传导热传导率率Wm-1K-1电导率电导率%IACS电阻电阻系数系数M-cm表面表面张力张力260mNm-1Sn63Sn63Sn63Sn63Pb37Pb37Pb37Pb378.518323.95011.515481SnSnSnSnAg3.8Ag3.8Ag3.8Ag3.8Cu0.7Cu0.7Cu0.7Cu0.77.521723.573.215.611548继续攻克研究更理想的无铅焊料继续攻克研究更理想的无铅焊料 虽然虽然虽然虽然SnSnSnSn基基基基无铅无铅无铅无铅合金已经被较广泛的应用，但与合金已经被较广泛的应用，但与合金已经被较广泛的应用，但与合金已经被较广泛的应用，但与Sn63Pb37Sn63Pb37Sn63Pb37Sn63Pb37共晶共晶共晶共晶焊料相比较仍然有以下问题：焊料相比较仍然有以下问题：焊料相比较仍然有以下问题：焊料相比较仍然有以下问题：熔点高熔点高熔点高熔点高3434 表面张力大、润湿性差表面张力大、润湿性差表面张力大、润湿性差表面张力大、润湿性差 价格高价格高价格高价格高但但但但IPCIPC认为：无铅焊料的种类不能很多，要单一标准认为：无铅焊料的种类不能很多，要单一标准认为：无铅焊料的种类不能很多，要单一标准认为：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。化，否则对元件、对可靠性会有很大影响。化，否则对元件、对可靠性会有很大影响。化，否则对元件、对可靠性会有很大影响。IPC-A-610DIPC-A-610D就是以就是以就是以就是以Sn-Ag CuSn-Ag Cu焊焊焊焊料做的料做的料做的料做的标标标标准。准。