焊接原理与焊可靠性分析.ppt

焊接原理与焊点可靠性分析焊接原理与焊点可靠性分析顾霭云顾霭云一一.概述概述二二.锡焊机理锡焊机理三三.焊点可靠性分析焊点可靠性分析四四.焊接质量焊接质量五五.焊接质量控制方法焊接质量控制方法六六.影响影响SMTSMT组装质量的关键工序组装质量的关键工序七七.锡铅焊料特性锡铅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再流焊再流焊软钎焊软钎焊 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.锡焊机理锡焊机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）、助焊剂、焊接过程中焊接金属表面（母材）、助焊剂、熔融焊料之间相互作用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）母材被熔融）母材被熔融）母材被熔融）母材被熔融活性强的助焊剂容易熔融母材。活性强的助焊剂容易熔融母材。活性强的助焊剂容易熔融母材。活性强的助焊剂容易熔融母材。（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机理锡焊机理（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）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 再流焊再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）。表面张力使再流焊工艺对贴装精度要求比较宽松，比较容易面张力使再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“再流动再流动”及及“自定位效应自定位效应”的特点，再流焊工艺对焊盘设计、元器件标的特点，再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，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 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）溶解溶解母材母材表面的表面的Cu分子分子被被熔融焊料融蚀熔融焊料融蚀 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）关于无铅焊接原理关于无铅焊接原理无铅焊接过程、原理与有铅是一样的。无铅焊接过程、原理与有铅是一样的。无铅焊接过程、原理与有铅是一样的。无铅焊接过程、原理与有铅是一样的。主要区别主要区别主要区别主要区别是由于是由于是由于是由于合金成分合金成分合金成分合金成分和和和和助焊剂成分助焊剂成分助焊剂成分助焊剂成分改变了，因此改变了，因此改变了，因此改变了，因此焊接温度焊接温度焊接温度焊接温度、生成的、生成的、生成的、生成的金属间结合层及其结合层的结构、金属间结合层及其结合层的结构、金属间结合层及其结合层的结构、金属间结合层及其结合层的结构、强度、可靠性强度、可靠性强度、可靠性强度、可靠性也不同了。也不同了。也不同了。也不同了。何况有铅焊接时何况有铅焊接时何况有铅焊接时何况有铅焊接时Pb是不扩散的，是不扩散的，Pb在焊缝中只起到填在焊缝中只起到填充作用。另外，无铅焊料中充作用。另外，无铅焊料中Sn的含量达到的含量达到95%以上以上。金属间结合层的主要成分还是金属间结合层的主要成分还是Cu6Sn5和和Cu3Sn。当然也不能忽视当然也不能忽视当然也不能忽视当然也不能忽视次要元素次要元素次要元素次要元素也会产生一定的作用。也会产生一定的作用。也会产生一定的作用。也会产生一定的作用。Sn-Ag-Cu系统中系统中Sn与次要元素与次要元素Ag和和Cu之间的冶金反应之间的冶金反应在在在在S S S Sn-Ag-Cun-Ag-Cun-Ag-Cun-Ag-Cu三个元素之间有三种可能的二元共晶反应：三个元素之间有三种可能的二元共晶反应：三个元素之间有三种可能的二元共晶反应：三个元素之间有三种可能的二元共晶反应：（a a a a）AgAgAgAg与与与与S S S Sn n n n在在在在221221221221形成锡基质相位的共晶结构和形成锡基质相位的共晶结构和形成锡基质相位的共晶结构和形成锡基质相位的共晶结构和金属之金属之金属之金属之间的化合相位间的化合相位间的化合相位间的化合相位(Ag(Ag(Ag(Ag3 3 3 3Sn)Sn)Sn)Sn)。（b b b b）CuCuCuCu与与与与S S S Sn n n n在在在在227227227227形成锡基质相位的共晶结构和形成锡基质相位的共晶结构和形成锡基质相位的共晶结构和形成锡基质相位的共晶结构和金属间金属间金属间金属间的化合相位的化合相位的化合相位的化合相位(Cu(Cu(Cu(Cu6 6 6 6SnSnSnSn5 5 5 5)。（c c c c）AgAgAgAg与与与与CuCuCuCu在在在在779779779779形成富形成富形成富形成富Ag Ag Ag Ag 相和富相和富相和富相和富Cu Cu Cu Cu 相共晶合金。相共晶合金。相共晶合金。相共晶合金。但在但在但在但在S S S Sn-Ag-Cun-Ag-Cun-Ag-Cun-Ag-Cu的三种合金固化温度的测量研究中没有发现的三种合金固化温度的测量研究中没有发现的三种合金固化温度的测量研究中没有发现的三种合金固化温度的测量研究中没有发现779779779779相位转变。在温度动力学上解释：相位转变。在温度动力学上解释：相位转变。在温度动力学上解释：相位转变。在温度动力学上解释：更适于更适于更适于更适于AgAgAgAg或或或或CuCuCuCu与与与与S S S Sn n n n反应，生成反应，生成反应，生成反应，生成AgAgAgAg3 3 3 3SnSnSnSn和和和和CuCuCuCu6 6 6 6SnSnSnSn5 5 5 5 。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3.2wt%3.2wt%以后以后以后以后（出现（出现（出现（出现过共晶成分）过共晶成分）过共晶成分）过共晶成分）拉伸强度降低，拉伸强度降低，拉伸强度降低，拉伸强度降低，容易造成疲劳寿命降低，容易造成疲劳寿命降低，容易造成疲劳寿命降低，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”三三.焊点可靠性分析焊点可靠性分析 影响焊点强度的因素：影响焊点强度的因素：（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）焊接材料的质量）焊接材料的质量（3）焊料量）焊料量 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CuSnSnCu6Sn5Cu6Sn5Cu3SnSn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Cu6Sn5Cu6Sn5与与Cu3SnCu3Sn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。但焊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，就会生成过多的恶性接温度更高时，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。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期曲线运用焊接理论正确设置温度期曲线运用焊接理论正确设置温度期曲线运用焊接理论正确设置温度期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Sn-Ag-Cu三元系三元系焊料金相图焊料金相图（3）与焊料量有关）与焊料量有关合格的焊点合格的焊点四四.焊接质量焊接质量焊接缺陷（焊接缺陷（IPC标准）标准）IPC标准（分三级）标准（分三级）IPC焊点检验标准举例焊点检验标准举例 SOP、QFP焊点检验标准焊点检验标准 可接受二级可接受二级 可接受三级可接受三级 F=T/2+G F=T+G （F焊点高度焊点高度 T引脚厚度引脚厚度 G引脚底面焊料厚度）引脚底面焊料厚度）SMT质量要求质量要求高质量高质量 高直通率高直通率 高可靠（高可靠（高可靠（高可靠（寿命保证寿命保证寿命保证寿命保证）！返修的潜在问题返修的潜在问题返修工作都是具有破坏性的返修工作都是具有破坏性的返修工作都是具有破坏性的返修工作都是具有破坏性的 尽量避免返修，或控制其不良后果尽量避免返修，或控制其不良后果尽量避免返修，或控制其不良后果尽量避免返修，或控制其不良后果 ！返修返修返修返修会缩短产品寿命会缩短产品寿命会缩短产品寿命会缩短产品寿命 过过去去我我们们通通常常认认为为，补补焊焊和和返返修修，使使焊焊点点更更加加牢牢固固，看看起起来来更更加加完完美美，可可以以提提高高电电子子组组件件的的整整体体质质量量。但但这这一传统观念并不正确。一传统观念并不正确。新的质量管理理念新的质量管理理念 质量是在设计和生产过程中实现的，质量是在设计和生产过程中实现的，质量是在设计和生产过程中实现的，质量是在设计和生产过程中实现的，而不是通过检查返修来保证的；而不是通过检查返修来保证的；而不是通过检查返修来保证的；而不是通过检查返修来保证的；质量是企业中每个员工的责任，而不只是质量是企业中每个员工的责任，而不只是质量是企业中每个员工的责任，而不只是质量是企业中每个员工的责任，而不只是品质部的工作；品质部的工作；品质部的工作；品质部的工作；质量是通过工艺管理实现的，质量是通过工艺管理实现的，质量是通过工艺管理实现的，质量是通过工艺管理实现的，DFMDFM工艺优化和技术改进工艺优化和技术改进工艺优化和技术改进工艺优化和技术改进工艺监控工艺监控工艺监控工艺监控供应链管理供应链管理供应链管理供应链管理五五.焊接焊接质量控制方法质量控制方法首先要预防或减少焊接缺陷的发生首先要预防或减少焊接缺陷的发生（由（由ISO质量体系和完质量体系和完善的工艺来保证）善的工艺来保证）制订制订规范：规范：规范：规范：可制造性设计（工艺性设计）规范可制造性设计（工艺性设计）规范可制造性设计（工艺性设计）规范可制造性设计（工艺性设计）规范检验标准检验标准检验标准检验标准通用工艺通用工艺通用工艺通用工艺（印焊膏、贴、焊、检、修、洗、调试（印焊膏、贴、焊、检、修、洗、调试.）（印胶、贴、胶固化、成形、插、焊、检、修、洗、调试（印胶、贴、胶固化、成形、插、焊、检、修、洗、调试.）产品工艺产品工艺产品工艺产品工艺严格按照规范执行，就能提高直通率严格按照规范执行，就能提高直通率严格按照规范执行，就能提高直通率严格按照规范执行，就能提高直通率 和实现高可靠性和实现高可靠性和实现高可靠性和实现高可靠性然后能够及时（及早）发现问题然后能够及时（及早）发现问题，尽量不要等到，尽量不要等到最后。最后。在整个生产加工过程中，把错误和缺陷在整个生产加工过程中，把错误和缺陷控制在生产工序的越前端损失越小。控制在生产工序的越前端损失越小。(产前准备、首件检验、生产过程控制产前准备、首件检验、生产过程控制)焊后发现了质量问题焊后发现了质量问题必须返修，需要返必须返修，需要返工工时、还可能损坏元器件和印制板，损失较大。工工时、还可能损坏元器件和印制板，损失较大。另外即使修好了，对可靠性也有影响另外即使修好了，对可靠性也有影响。发现问题后，能够准确分析质量故障原因，提出解发现问题后，能够准确分析质量故障原因，提出解决和预防措施。决和预防措施。才能消除病根，才能彻底解决。因为才能消除病根，才能彻底解决。因为同一种缺陷，其产生原因是不一样的。同一种缺陷，其产生原因是不一样的。例如，波峰焊例如，波峰焊工艺中同样是工艺中同样是“焊料不足焊料不足”，有的是由于插装孔和焊，有的是由于插装孔和焊盘设计不正确；有的是由于元件端头可焊性不好；有盘设计不正确；有的是由于元件端头可焊性不好；有的是由于预热或焊接温度过高造成的的是由于预热或焊接温度过高造成的因此只有正因此只有正确判断，才能消除或减少缺陷的发生。确判断，才能消除或减少缺陷的发生。怎样才能正确分析、判断焊接质量故障原因并提出解决怎样才能正确分析、判断焊接质量故障原因并提出解决和预防措施呢？和预防措施呢？(1)首先要了解再流焊、波峰焊机理和工艺特点首先要了解再流焊、波峰焊机理和工艺特点，再流焊的工艺特点：再流焊的工艺特点：a 有有“再流动再流动”与与自定位自定位效应效应 b 每个焊点的每个焊点的焊料成分焊料成分与与焊料量焊料量是是固定固定的的 波峰焊的工艺特点：波峰焊的工艺特点：波峰焊比再流焊复杂得多。波峰焊是波峰焊比再流焊复杂得多。波峰焊是熔融焊料熔融焊料循环流动循环流动的群焊工艺。预热、焊接温度和时间、传送带速度等工艺的群焊工艺。预热、焊接温度和时间、传送带速度等工艺参数很难具体规定，因此参数很难具体规定，因此工艺参数的综合调整工艺参数的综合调整对提高波峰对提高波峰焊质量是非常重要的。焊质量是非常重要的。工艺工艺设备工具设备工具设备工具设备工具制造制造制造制造设计设计设计设计基板基板基板基板元器件元器件元器件元器件材料材料材料材料(2)考虑所有问题时应以考虑所有问题时应以SMT工艺特点为基础工艺特点为基础 再流动再流动、自定位、自定位、焊料成分与焊料量是固定的焊料成分与焊料量是固定的 波峰焊是波峰焊是熔融焊料循环流动的群焊工艺熔融焊料循环流动的群焊工艺 (3)工艺、设备、设计、材料与质量都是工艺、设备、设计、材料与质量都是相互关联而无法分开的因素。只有通过综合相互关联而无法分开的因素。只有通过综合考虑才能最有效的解决问题。考虑才能最有效的解决问题。例如：元器件焊端氧化，可选择例如：元器件焊端氧化，可选择RARA（全（全活性）焊膏，采用焊后清洗工艺；活性）焊膏，采用焊后清洗工艺；另外还可以通过适当提高焊接温度来提另外还可以通过适当提高焊接温度来提高润湿能力高润湿能力.产品质量是企业的生命线。产品质量是企业的生命线。SMT是一项复是一项复杂的综合的系统工程技术。必须从杂的综合的系统工程技术。必须从PCB设设计、元器件、材料、以及工艺、设备、规计、元器件、材料、以及工艺、设备、规章制度等多方面进行控制，才能保证章制度等多方面进行控制，才能保证SMT加工质量。加工质量。(4)工艺人员要深入生产现场，多实践、多总工艺人员要深入生产现场，多实践、多总结结(5)应用数据处理技术应用数据处理技术a.a.统计统计统计统计/计算（应注意数据的准确性）计算（应注意数据的准确性）计算（应注意数据的准确性）计算（应注意数据的准确性）b.b.规划规划规划规划/分类分类分类分类c.c.分析分析分析分析/判断判断判断判断（人工或利用（人工或利用（人工或利用（人工或利用AOIAOI）六六.影响影响SMT组装质量的关键工序组装质量的关键工序印刷焊膏印刷焊膏印刷焊膏印刷焊膏施加贴片胶施加贴片胶施加贴片胶施加贴片胶再流焊再流焊再流焊再流焊胶固化胶固化胶固化胶固化波峰焊波峰焊波峰焊波峰焊焊膏量过多会产生桥接，焊膏量过多会产生桥接，焊膏量过少会产生焊锡不足或虚焊。焊膏量过少会产生焊锡不足或虚焊。胶量过多会污染焊盘，过少会影响粘结强度胶量过多会污染焊盘，过少会影响粘结强度焊点是元器件与印制电路板电气连接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。强度就决定了电子产品的性能和可靠性。焊接温度过高、过低都会影响焊点强度。焊接温度过高、过低都会影响焊点强度。七七.锡铅焊料特性锡铅焊料特性 a 浸入液态焊料中的固体金属会产生溶解，生产中将这种现象称之为浸浸入液态焊料中的固体金属会产生溶解，生产中将这种现象称之为浸析现象，或析现象，或“熔蚀熔蚀”现象，俗称现象，俗称“被吃被吃”。b.影响浸析的因素影响浸析的因素被焊金属、焊料成分、焊料的温度和流动速度。被焊金属、焊料成分、焊料的温度和流动速度。金、银、铜在焊料中均有较高的溶解速度。金、银、铜在焊料中均有较高的溶解速度。温度上升，溶解速度增加；焊料流动速度增加，溶解速度也增加。温度上升，溶解速度增加；焊料流动速度增加，溶解速度也增加。c.金、银在液态焊料中也有很高溶解能力，在焊接厚膜电路和银金、银在液态焊料中也有很高溶解能力，在焊接厚膜电路和银-钯合钯合金端电极的片式元件时也会出现金端电极的片式元件时也会出现“浸析浸析”现象，使用含银焊料可以现象，使用含银焊料可以解决上述问题。解决上述问题。d.在生产中应正确调节焊接的时间和温度，特别是在波峰焊中，以避免在生产中应正确调节焊接的时间和温度，特别是在波峰焊中，以避免过量的铜溶于焊料中（过量的铜溶于焊料中（PCB焊盘、引脚均为铜）。应经常监测焊料焊盘、引脚均为铜）。应经常监测焊料中铜的含量，一旦超标，应及时清除过量的铜锡合金。中铜的含量，一旦超标，应及时清除过量的铜锡合金。浸析现象浸析现象 63Sn37Pb63Sn37Pb合金的合金的热膨胀系数热膨胀系数CTECTE是是24.51024.510-6 6，从室温升到，从室温升到183183，体积会增大，体积会增大1.2%1.2%，而从，而从183183降到室温，体积的收缩却为降到室温，体积的收缩却为4%4%，故锡铅焊，故锡铅焊料焊点冷却后有时有缩小现象。料焊点冷却后有时有缩小现象。冷凝收缩现象冷凝收缩现象无铅焊料也有冷凝收缩现象无铅焊料也有冷凝收缩现象（a）降低熔点。）降低熔点。（b）改善机械性能，提高锡铅合金的抗拉强度和剪切强度。）改善机械性能，提高锡铅合金的抗拉强度和剪切强度。（c）降低表面张力，有利于焊料在被焊金属表面上的润湿性。）降低表面张力，有利于焊料在被焊金属表面上的润湿性。（d）抗氧化，增加焊料的抗氧化性能，减少氧化量。）抗氧化，增加焊料的抗氧化性能，减少氧化量。铅在焊料中的作用铅在焊料中的作用锌锌(Zn)(Zn)含量达含量达0.10%0.10%，就会对焊点的外观、焊料的流动，就会对焊点的外观、焊料的流动性及润湿性造成不良影响。含量达性及润湿性造成不良影响。含量达0.001%0.001%就会有影响。就会有影响。铝铝(Al)(Al)对焊料的流动性和润湿性有害，不但影响外观和对焊料的流动性和润湿性有害，不但影响外观和操作，而且容易发生氧化和腐蚀，含量达操作，而且容易发生氧化和腐蚀，含量达0.001%0.001%就有影响。就有影响。镉镉(Cd)(Cd)具有降低熔点的作用，并能使焊料的晶粒变得粗具有降低熔点的作用，并能使焊料的晶粒变得粗大而失去光泽，含量达大而失去光泽，含量达0.001%0.001%就会使流动性降低，焊料会变就会使流动性降低，焊料会变脆。脆。锡铅合金中的杂质锡铅合金中的杂质铜铜(Cu)(Cu)铜是有害杂质之一，常来源于焊接过程，特铜是有害杂质之一，常来源于焊接过程，特别是波峰焊时别是波峰焊时PCBPCB焊盘溶解到焊料中，当铜含量超过焊盘溶解到焊料中，当铜含量超过4%4%时，焊料熔点上升，流动性变差，焊点易产生拉尖、桥时，焊料熔点上升，流动性变差