基礎(chǔ)冶金學(xué)與波峰焊接趨勢(shì)1
基礎(chǔ)冶金學(xué)與波峰焊接趨勢(shì) 　　本文介紹，為了使波峰焊接在電子工業(yè)中完全被接受，冶金學(xué)者、工業(yè)與主管機(jī)構(gòu) 必須一起工作，進(jìn)行廣泛的研究。 　　自從開(kāi)始，波峰焊接一直在不斷地進(jìn)化。在焊接中涉及的基本冶金學(xué)原理已經(jīng)被許 多非冶金人士所忽視，他們?yōu)榱藢ふ覞M足今天要求和更加環(huán)境友好的適當(dāng)材料。為了決 定與理解對(duì)波峰焊接工藝中被廣泛接受的焊錫作“插入式”替代的理論基礎(chǔ)，作一些研究 是必要的。因此在這里有必要回顧一下基礎(chǔ)的冶金學(xué)原理，開(kāi)發(fā)和理解為將來(lái)建議使用 的替代材料。 波峰焊接的進(jìn)化 　　從二十年代到四十年代，連接是使用焊接烙鐵連線方法。印刷電路板(PCB)的發(fā)展需 要一個(gè)更加經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)健的形成焊接連接的方法。最早的大規(guī)模焊接概念是在英國(guó)的浸焊 (dip soldering)。在八十年代，開(kāi)發(fā)出被稱為波峰焊接的概念。這個(gè)方法今天還廣泛使用， 但是機(jī)器和操作員控制已經(jīng)變得更好了。焊接的基礎(chǔ)仍然是相同的。焊接形成只是變化 來(lái)滿足設(shè)備的要求；可是，化學(xué)成分和理論動(dòng)力學(xué)還是基本的和簡(jiǎn)單的。附著方法基本 上只需要助焊劑，熱和焊錫，以形成冶金連接。助焊劑用來(lái)清潔需要焊接的、已被氧化 的表面。加熱去掉助焊劑載體和減少溫度沖擊，將增加的熱量加給構(gòu)成電路裝配的非類(lèi) 似的材料。在一個(gè)裝配上發(fā)現(xiàn)的材料包括：塑料、陶瓷、金屬、涂料、化學(xué)品及其廣泛 不同的化學(xué)成分。大規(guī)模的波峰焊接的使用為元件的可焊性提出一個(gè)關(guān)注的問(wèn)題，因?yàn)?需要第一次就產(chǎn)生適當(dāng)?shù)倪B接，并在裝配上不進(jìn)行返修，今天的產(chǎn)品不如過(guò)去那些較不 復(fù)雜裝配那么寬容。需要第一次就正確形成的可靠焊接點(diǎn)來(lái)經(jīng)受PCB所暴露的環(huán)境。在保 證適當(dāng)信號(hào)傳輸、消除串音和不可接受的垂直波比的同時(shí)，必須分析每一種情況中引發(fā) 的溫度與機(jī)械應(yīng)力。1 　　最早的浸焊方法有一些問(wèn)題：很難重新產(chǎn)生所希望的合格率；將板放在熔化的焊錫 上在底下夾住氣體，干擾熱傳導(dǎo)與焊錫接觸；焊錫只能熔濕(wet)到金屬表面；錫渣(氧 化物與燃燒的助焊劑的化合物)必須撇去，不斷地阻礙生產(chǎn)2。這一整套問(wèn)題導(dǎo)致波峰焊 接的引入。該方法使用從錫鍋升起的熔化焊錫波或大塊表面來(lái)匯合PCB，然后PCB從波上 傳送過(guò)去。波峰焊接縮短一半以上的接觸時(shí)間。傳送帶系統(tǒng)通常在一個(gè)角度上，因此當(dāng) 板通過(guò)波峰時(shí)，不會(huì)夾住任何東西在PCB下面。這樣傾斜也允許熔化的焊錫脫落進(jìn)入錫鍋 ，減少相鄰焊接點(diǎn)之間的橋接。因?yàn)槿刍慕饘偈菑娜刍乇砻嬷卤贸龅?，只有清?、無(wú)氧化的金屬引入裝配。 焊接動(dòng)力學(xué) 　　當(dāng)產(chǎn)生一個(gè)焊接點(diǎn)時(shí)所發(fā)生的反應(yīng)在原理上是基本的。焊錫合金加熱到其液相線區(qū) 域，以提高焊接點(diǎn)的熔濕(wetting)。氧化物從金屬表面去掉，以保證焊接點(diǎn)與帶有助焊 劑的熔化焊錫之間的清潔接觸。然后助焊劑預(yù)熱從PCB去掉助焊劑溶劑(一般為水或酒精 )。需要增加的熱量來(lái)克服PCB與熔化焊錫池之間的溫度差。加熱PCB來(lái)補(bǔ)償溫差差，不對(duì) 元件引起傷害。PCB有必要的暴露金屬區(qū)域，從波峰上通過(guò)。焊錫以適當(dāng)?shù)慕雍吓c熔濕角 度熔濕到金屬。表面能量與接觸角度決定熔化的焊錫對(duì)暴露金屬的附著。如果固體的表 面能量相當(dāng)高于液態(tài)和固體/液態(tài)界面表面能量的總和，那么液態(tài)熔濕并流走。毛細(xì)管作 用使焊錫達(dá)到PCB的圓形電鍍孔的頂面。 　　在一些系統(tǒng)中，氮?dú)舛栊曰暮附迎h(huán)境用來(lái)提高熔濕/毛細(xì)管作用。這些孔通常連接 裝配中等電路層，表明： 　　1、液體在毛細(xì)管空間的上升高度隨著表面分開(kāi)減少而增加。 　 2、進(jìn)入焊點(diǎn)的流動(dòng)速度隨著表面分開(kāi)的減少而減少。 　　冶金學(xué)的因素對(duì)焊錫連接有重要的和經(jīng)常是主要的影響3。熔化的焊錫在焊錫鉛與加 入形成連接的熔化焊錫之間形成金屬間化合層。在冷卻之后，保持焊接點(diǎn)。 金屬間化合的形成與增長(zhǎng) 　　直到連接冷卻到可以處理，金屬間化合層還在增長(zhǎng)。增長(zhǎng)速度是與在特定溫度的時(shí) 間的平方根和溫度的指數(shù)成線性。這說(shuō)明增長(zhǎng)是通過(guò)交互原子向界面擴(kuò)散來(lái)控制的。這 個(gè)金屬間化合層通常是 1 um的Cu6Sn5。Cu來(lái)自于PCB的連接面，而Sn來(lái)自于焊錫合金。 　　金屬間化合物具有從金屬與共價(jià)鍵的混合物升起的特性。這些鍵由于有高分子而強(qiáng) 度高。因此，自擴(kuò)散系數(shù)和更大的擴(kuò)散控制特性的穩(wěn)定性是強(qiáng)鍵結(jié)合和有序結(jié)構(gòu)的結(jié)果 4。這個(gè)接合對(duì)連接是好的，直到其增長(zhǎng)完全支配焊接點(diǎn)的特性；這時(shí)，這樣的焊點(diǎn)對(duì)裝 配就是有害的。 焊接材料 　　今天，波峰焊接工藝首選的合金是共晶(eutectic)合金： Sn63/Pb37，因?yàn)槠鋬r(jià)格與可獲得的量。Sn提供連接的特性，而Pb是作為填充材料使用的 。產(chǎn)量的增強(qiáng)要求使用快速固化的和可以在幾秒鐘內(nèi)形成數(shù)百焊接點(diǎn)的材料。給共晶焊 錫的普通名稱是令人誤解的。指定的組成成分不是真正的共晶成分。共晶成分按重量百 分比是61.9%Sn，如圖一所示。這個(gè) 差異來(lái)自于早期對(duì)共晶成分的錯(cuò)誤計(jì)算。更高Sn含量的合成物不能調(diào)節(jié)成本增加與電子 裝配性能改善之間的關(guān)系。只有當(dāng)裝配使用在腐蝕性環(huán)境時(shí)，成本才調(diào)節(jié)過(guò)來(lái)。在冶金 學(xué)上，焊錫可看作是構(gòu)成二元合金的純金屬的簡(jiǎn)單混合。其合金圖是二元合金系統(tǒng)的典 型圖，適用于基本的冶金學(xué)原理。正如所料，當(dāng)偏離共晶時(shí)，各種合金的特性是不同的 。隨著合金中Sn含量減少，液化溫度增加、密度增加、硬度減少、溫度膨脹系數(shù)(CTE)增 加、溫度與電氣傳導(dǎo)性減少。 非共晶成分 　　當(dāng)考慮非共晶合金時(shí)，假設(shè)由α+共晶組成，從圖二的扛桿定律支配比值。有實(shí)例證 明，沒(méi)有樹(shù)枝狀晶體出現(xiàn)的固化是可能的，整體的微結(jié)構(gòu)符合共晶。合成物是一個(gè)平均 的成分。怎樣在非共晶合成物中獲得共晶結(jié)構(gòu)？固化的冷卻速率快于轉(zhuǎn)化動(dòng)能。當(dāng)超過(guò) 固體可溶性極限的成分在室溫下冷卻時(shí)，α相的平均成分結(jié)核。轉(zhuǎn)換固相的轉(zhuǎn)化動(dòng)能被固 體轉(zhuǎn)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)。當(dāng)室內(nèi)空氣冷卻固溶體時(shí)，剩下的液體可能經(jīng)歷共晶反應(yīng)，在室溫下 在非共晶成分中給出共晶微結(jié)構(gòu)。當(dāng)共晶成分的純二元液體冷凍時(shí)，形成的固體平均成 分與液體是一致的。據(jù)報(bào)道，在α片之前沒(méi)有溶質(zhì)集結(jié)和結(jié)構(gòu)的集結(jié)，在β片之前溶質(zhì)的 耗損。這些溶質(zhì)輪廓可產(chǎn)生結(jié)構(gòu)過(guò)冷，盡管這個(gè)現(xiàn)象不是平面不穩(wěn)性的充分條件5。在微 結(jié)構(gòu)中，有時(shí)使用名詞微組元(microconstituent)是方便的，即，具有可確認(rèn)和有特征 結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)元素。在圖二中，主要微組元的顆粒結(jié)核，形成的共晶微組元的百分率大 于焊錫合金當(dāng)量條件。 　　隨著波峰焊接機(jī)器中的焊錫鍋長(zhǎng)時(shí)機(jī)運(yùn)行，暴露給所有金屬的焊錫可能具有與原來(lái) 的不同的作用。氧化和金屬間化合的形成隨著時(shí)間改變著焊錫鍋中的成分，也改變了特 性。溫度設(shè)定點(diǎn)必須改變和監(jiān)測(cè)，以控制可能由于錫鍋合金成分的冶金變化而出現(xiàn)的缺 陷。 無(wú)鉛波峰焊接 　　世界上，大約每年使用60,000噸的焊錫。雖然電子裝配不是主要使用者，但還是有 世界范圍的日益增加的對(duì)減少鉛使用的關(guān)注，由于其毒性和再生利用的處理不當(dāng)6。轉(zhuǎn)換 到無(wú)鉛不是被工業(yè)所廣泛接受。在電子裝配中消除鉛的主要理由 是機(jī)器操作員的環(huán)境暴露。錫渣副產(chǎn)品的處理可能對(duì)環(huán)境有嚴(yán)重影響，如果處理、運(yùn)輸 、再生不當(dāng)?shù)脑?。如果不遵循適當(dāng)?shù)男l(wèi)生要求，對(duì)鉛的煙霧的呼吸和手工焊接時(shí)的直接 接觸也有重要影響。 　　 對(duì)要接受的無(wú)鉛替代品，必須提供下列： 有足夠數(shù)量的來(lái)源 與現(xiàn)有的工藝可兼容 足夠的熔化溫度 良好的焊點(diǎn)強(qiáng)度 熱和電的傳導(dǎo)性類(lèi)似Sn/Pb 容易修理 非毒性 低成本 　　許多公司正在開(kāi)發(fā)合適的替代合金，作為“插入式”的替代品，以遵守歐洲和日本的 法令。這些法令建議到2002年在裝配中減少鉛，到2004年消除鉛。 　 在北美的國(guó)家電子制造協(xié)會(huì)(NEMI, National Electronics Manufacturing Initiative)的目標(biāo)是到2001年用生產(chǎn)無(wú)鉛替代品的能力裝備北美。該組織正打算與其它 機(jī)構(gòu)聯(lián)合為其可制造性開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，其它機(jī)構(gòu)的方向集中在選擇替代品，編寫(xiě)世界范圍的 數(shù)據(jù)庫(kù)和收集材料特性數(shù)據(jù)。 工藝上關(guān)注的問(wèn)題 　 國(guó)際錫研究協(xié)會(huì)(ITRI, International Tin Research Institute)開(kāi)辦了SOLDERTEC，一個(gè)無(wú)鉛焊接技術(shù)中心，來(lái)傳播前緣信息和收縮可利用的 選擇。 表一列出合金和幾種選擇，分別以一到十來(lái)表示好壞。 |表一、焊錫合金比較* | | | | | |Sn/3.5Ag | |Sn/Ag/Cu | |Sn/Ag/Cu/Sb | |Sn/0.7Cu | |Sn/Bi/Ag | |Sn/Zn/Bi | | | |過(guò)程溫度 | |5 | |3.5 | |3.5 | |6 | |2 | |1 | | | |焊角聳立阻力 | |2.5 | |2.5 | |2.5 | |2.5 | |5.5 | |5.5 | | | |可焊性 | |4 | |2 | |3 | |5 | |1 | |10 | | | |可處理性 | |3 | |1.5 | |1.5 | |5 | |4 | |10 | | | |可靠性 | |3 | |1.5 | |1.5 | |4 | |5 | |6 | | | |可再生性 | |2.5 | |2.5 | |2.5 | |2.5 | |5 ...
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