虛焊現(xiàn)象的發(fā)生及其預(yù)防對(duì)策

1.虛焊現(xiàn)象及其判據(jù)

1.1.虛焊現(xiàn)象

現(xiàn)象1:表面不潤(rùn)濕，焊點(diǎn)表面呈粗糙的形狀、光澤性差、潤(rùn)濕性不好(潤(rùn)濕角θ>90度),如圖1所示。此時(shí)釬料和基體金屬界面之間為一層不可焊的薄膜所阻檔，界面層上未能發(fā)生所期望的冶金反應(yīng)(形成適當(dāng)厚度的合金層Cu6Sn5+Cu3Sn)。這是一種顯形的虛焊現(xiàn)象，從外觀上就能判斷。

圖1虛焊現(xiàn)象1(界面為阻擋層所隔，未發(fā)生冶金反應(yīng))

現(xiàn)象2:表面潤(rùn)濕，但釬料和基體金屬界面未發(fā)生冶金反應(yīng)(未形成適當(dāng)厚度的合金層Cu6Sn5+Cu3Sn ),如圖2所示。它是一種穩(wěn)形的虛焊現(xiàn)象，外觀不易判斷，因而危害極大。

圖2虛焊現(xiàn)象2(界面未發(fā)生冶金反應(yīng))

1.2.虛焊的判據(jù):上面所表述的兩種不同的虛焊現(xiàn)象，其共同特點(diǎn)都是結(jié)合界面未發(fā)生冶金反 應(yīng)，未形成合適厚度(1.5～3.5)μm的合金層。因此， 接合界面上是否形成了合適厚度的銅錫合金層就構(gòu)成了虛焊現(xiàn)象的唯一判據(jù)。此時(shí)若將焊點(diǎn)撕裂，就可發(fā)現(xiàn)釬料和基體金屬之間相互成犬牙交錯(cuò)狀的裂痕，即基體金屬上有釬料殘留物，釬料上也有基體金屬的痕跡。相反，若將虛焊點(diǎn)撕裂時(shí)，在基體金屬和釬料之間沒(méi)有任何相互楔入的殘留物，而是很清楚的相互分開(kāi)，好似用漿糊粘往的一樣。

2.虛焊的形成機(jī)理

2.1.軟釬接過(guò)程中所發(fā)生的物理現(xiàn)象

2.2.1.軟釬接接合的物理過(guò)程

通過(guò)軟釬接，金屬為什么會(huì)接合到一起并形成連接強(qiáng)度呢?以常用的錫-鉛合金軟釬料來(lái)說(shuō)，它是通過(guò)軟釬料潤(rùn)濕接合金屬表面，利用擴(kuò)散作用在界面產(chǎn)生合金層(金屬間化合物),從而結(jié)成一體。以波峰焊接為例，在合適的溫度作用下，焊點(diǎn)在軟釬接過(guò)程中所發(fā)生的物理化學(xué)過(guò)程，按照發(fā)生的先后可描述如下：

2.2.2潤(rùn)濕作用及Young定理

2.2.2.1潤(rùn)濕作用

軟釬接過(guò)程中接合作用的第一步，是軟釬料借助毛細(xì)管現(xiàn)象在接合金屬表面上充分鋪展開(kāi)，這現(xiàn)象就叫做潤(rùn)濕。

為使熔融的軟釬料潤(rùn)濕固體金屬表面，必須具備一定的條件。其條件之一就是被焊金屬表面必須是潔凈的。這樣軟釬料與被接合的基體金屬的原子間距離才能接近到原子間力作用的程度。

2.2.2.2潤(rùn)濕過(guò)程中的作用力

(1).作用于原子間的力

在高溫下具有粘性的二相同金屬間，只要在高溫下加上不大的壓力，就可以使它們之間相互緊密貼合。軟釬接時(shí)，因?yàn)檐涒F料處于熔融狀態(tài)，在金屬表面產(chǎn)生潤(rùn)濕，不需加外力，只要基體金屬表面是潔凈的，就能很容易地達(dá)到原子間力作用所需要的距離。

(2).熔融金屬的聚合力及附著力

潤(rùn)濕是物質(zhì)所具有的聚合力的作用結(jié)果，而緊密貼合與表面張力有關(guān)。產(chǎn)生表面張力的原因是聚合力。為了分析此問(wèn)題，我們以在玻璃管中的液體和管壁接觸部位的狀態(tài)來(lái)說(shuō)明，如圖3所示。

圖3.附著力及聚合力

在圖3中，液體分子受到對(duì)玻璃壁的附著力Ff及液體本身的聚合力Fc的作用(忽略重力作用),按液面形狀作用于液面分子的外力是垂直于液面的。圖3(左)由于水與玻璃壁之間的附著力大，所以合力F d 的方向是指向玻璃壁內(nèi)的。因此，合力Fd 與成直角的液面成為凹面。當(dāng)出現(xiàn)這種凹面時(shí)，因表面張力作用產(chǎn)生收縮力，而使管內(nèi)液面上的壓力減少。然而在同一液面上各點(diǎn)的壓力必然是相等的，所以液面上升。

在軟釬接中，潤(rùn)濕和熔融釬料的聚合力及基體金屬的附著力有關(guān)，聚合力越弱,即固體面與液體原子的附著力比液面原子聚合力越大，越易產(chǎn)生毛細(xì)管現(xiàn)象。

由此可知,為實(shí)現(xiàn)軟釬接，首先要產(chǎn)生潤(rùn)濕，由于潤(rùn)濕，當(dāng)軟釬料與基體金屬的原子間距離非常接近時(shí)，原子的聚合力即發(fā)生作用，使軟釬料與基體金屬合并為一體，完成了接合。

(3).表面張力

表面張力是在液體的表面分子因受聚合力的作用而被拉向液體內(nèi)部，成為表面面積最小時(shí)所發(fā)生的。在液體內(nèi)部的每個(gè)分子，被其它分子所包圍，受力狀態(tài)是平衡的。而液面的分子，因其上部存在著不同的相，而這個(gè)相的分子密度小，因而受到垂直于液面并指向液體內(nèi)部的力。因此，在液體表面產(chǎn)生結(jié)膜現(xiàn)象，使表面面積收縮為最小(球形)。這種力就是表面自由能，該力稱為表面強(qiáng)力。

圖4金屬表面能量的示意圖

(4).毛細(xì)管現(xiàn)象在潔凈的固體金屬表面上，放置熔融狀態(tài)的潔凈釬料，釬料液體就會(huì)在固體金屬表面擴(kuò)展并潤(rùn)濕固體金屬。這一現(xiàn)象是液態(tài)釬料在固體金屬表面的細(xì)小凹凸間隙中，借助于毛細(xì)管現(xiàn)象，向四方擴(kuò)展而引起的。

2.2.2.3.Young 定理

液態(tài)釬料在固體金屬表面的潤(rùn)濕過(guò)程，則產(chǎn)生下述自由能，如圖5所示。圖5中：FSF :固體金屬與助焊劑之間的界面張力(自由能);

FLS:液態(tài)釬料與固體金屬之間的界面張力(自由能);

FLF : 液態(tài)釬料與助焊劑之間的界面張力(自由能);

0 :接觸角；

cosθ: 潤(rùn)濕系數(shù)。

這些自由能之間的關(guān)系可以用Young 定理來(lái)描述，即：PSF=PLS+PLFcos0

(1)設(shè)附著功為Wa,其近似值可用下式表示:Wa=PSF+PLF-PLS

(2)由式(1)和式(2)可得到：Wa =PLS+PLF cosθ+PLF—PLS

=PLF(cosθ+1)(3)

圖5中的“A” 點(diǎn)上三個(gè)矢量的平衡狀態(tài)，表示了表面能的平衡，PLF是作用于與液體曲面相切方向的液體的表面張力，也就是使液態(tài)釬料表面積為最小的力。0為1800時(shí)，為完全不潤(rùn)濕狀態(tài)，而θ為00 時(shí)，為完全潤(rùn)濕。在工業(yè)批生產(chǎn)中可作如下分級(jí)：00≤0≤300潤(rùn)濕優(yōu)良 300≤0≤400潤(rùn)濕良好 400≤0≤550潤(rùn)濕可接受 550≤0≤700潤(rùn)濕不良 2.2.3.擴(kuò)散作用及Fick 定理

2.2.3.1.擴(kuò)散作用

在接合過(guò)程中，在發(fā)生潤(rùn)濕現(xiàn)象后立即伴有擴(kuò)散作用，因而形成了界面層或合金層。因晶格中金屬原子不斷地進(jìn)行著熱振動(dòng)， 當(dāng)溫度達(dá)到足夠高時(shí)，就從一個(gè)晶格向其它晶格自由移動(dòng)，這現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。移動(dòng)的速度及數(shù)量與溫度和時(shí)間有關(guān)。

擴(kuò)散隨釬料、固體金屬的種類及溫度等的不同而各異，由擴(kuò)散而形成的中間層，對(duì)接合部的物理、化學(xué)性能，特別是機(jī)械性能、抗蝕性能有很大的影響。

軟釬接中，釬料在基體金屬的晶粒中的擴(kuò)散稱體擴(kuò)散，擴(kuò)散到基體金屬內(nèi)部晶粒中的Sn可產(chǎn)生不同組分的界面合金層，如圖6所示。

2.2.3.2 金屬間化合物

軟釬接是依靠在接合界面上生成合金層而形成連接強(qiáng)度的。這種合金層通常是一種金屬間化合物。這種以合金的金屬成分按原子量的比例結(jié)合的化合物，叫做金屬間化合物。

當(dāng)用Sn/Pb 系釬料焊接銅時(shí)，釬料中的Sn向銅中擴(kuò)散而產(chǎn)生Cu-Sn-Cu的結(jié)合，這種結(jié)合與接合有關(guān)。在普通溫度下生成 Cu3Sn(e 相)(基體金屬側(cè))、Cu6Sn5(n 相)(釬料側(cè)),而在300℃以上時(shí)則將出現(xiàn)Cu31Sn8(y 相)以及其它結(jié)構(gòu)不明的合金。

金屬間化合物是一種硬度高而脆性大的合金相。銅與錫的化學(xué)親合力很強(qiáng)，因此，在釬接界面上銅與錫形成的金屬間化合物生長(zhǎng)很快，據(jù)有關(guān)資料介紹，純錫在265℃液態(tài)下與銅生成的金屬間化合物層，一分鐘就能達(dá)到1.25μm的厚度。

2.2.3.3.Fick 定律Fick定律描述了在軟釬料過(guò)程中擴(kuò)散現(xiàn)象發(fā)生的規(guī)律：dm=-DSdt

(4)

式中：dm — 釬料組分的擴(kuò)散量；

D 一擴(kuò)散系數(shù)；

S一擴(kuò)散面積；

一沿?cái)U(kuò)散方向擴(kuò)散組分的濃度梯度；

dt — 擴(kuò)散時(shí)間。

由公式(4)可知，擴(kuò)散數(shù)量與濃度梯度、擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散面積、和擴(kuò)散時(shí)間有關(guān)。公式中的負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散是由高濃度向低濃度方向進(jìn)行，當(dāng)釬料中某些組分的含量比被焊金屬高時(shí)，由于存在濃度梯度，就會(huì)發(fā)生該組分向被焊金屬中擴(kuò)散。一般固態(tài)金屬在液相中的擴(kuò)散系數(shù)約在10-5g /cm2 sec數(shù)量級(jí)。 所以被焊金屬在液態(tài)釬料中的擴(kuò)散速度比液態(tài)釬料在固體的被焊金屬中的擴(kuò)散速度要大的多。

液態(tài)釬料向被焊的固態(tài)金屬中擴(kuò)散常見(jiàn)的形式為：液態(tài)釬料沿被焊金屬表面、結(jié)晶內(nèi)部以及晶界等方式進(jìn)行。對(duì)于用錫-鉛釬料釬接銅時(shí)多發(fā)生沿表面和晶內(nèi)的擴(kuò)散方式，如圖7所示。

用Sn/Pb系釬料焊接銅時(shí)，錫和銅能形成合金，而鉛不與銅形成合金。因此，只有Sn以一定速度擴(kuò)散到基體金屬銅中去，而鉛不進(jìn)行擴(kuò)散(原地不動(dòng))。這種只有 Sn 擴(kuò)散的現(xiàn)象叫選擇擴(kuò)散，如圖8所示。出現(xiàn)選擇擴(kuò)散時(shí)，當(dāng)靠近銅的 Sn擴(kuò)散到銅內(nèi)后，距銅較遠(yuǎn)的 Sn原子則由于Pb原子的阻擋減慢了擴(kuò)散速度。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后在靠銅的附近會(huì)形成富鉛層。出現(xiàn)鉛偏析現(xiàn)象時(shí)，往往使接合界面的性質(zhì)發(fā)生種種變化，導(dǎo)致接合強(qiáng)度急劇下降。3.虛焊現(xiàn)象發(fā)生的條件3.1 虛焊現(xiàn)象1的發(fā)生條件虛焊現(xiàn)象1的特征是：既未發(fā)生潤(rùn)濕又未發(fā)生擴(kuò)散，好似用漿糊粘住似的，這種接頭不能叫釬接，只能叫粘可焊性差甚至不可焊。其形因不外乎是： (1).外部原因 外購(gòu)PCB、元器件等可焊性不合格，進(jìn)入公司庫(kù)房前未進(jìn)行嚴(yán)格的入庫(kù)驗(yàn)收試驗(yàn)； (2) 庫(kù)存環(huán)境不良，庫(kù)存期大長(zhǎng) 由于儲(chǔ)存環(huán)境和儲(chǔ)存期限與保持PCB 和元器件良好的可焊性有著密切的關(guān)系。因此，PCB和元器件的存儲(chǔ)環(huán)境必須具備恒溫、恒濕、空氣質(zhì)量好，無(wú)腐蝕性氣體(如硫、氯等) 和無(wú)油污的環(huán)境中儲(chǔ)存。否則會(huì)導(dǎo)致可焊性劣化。 多數(shù)助焊劑只能除掉銹和氧化膜，而不能去除油脂那樣的有機(jī)薄膜。如果元器件和PCB在儲(chǔ)存過(guò)程中， PCB和元器件上沾上了油脂等污染物后，會(huì)產(chǎn)生錫、鉛的偏析和針孔，降低焊接強(qiáng)度。也容易在鉛的偏析和釬料界面上產(chǎn)生裂紋，從外現(xiàn)看并無(wú)異常，但卻是潛伏著影響可靠性的因素。 儲(chǔ)存期的長(zhǎng)短應(yīng)視地區(qū)(例如南方、北方)和當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量而定，一般希望庫(kù)存期愈短愈好。 例如PCB在大氣中放置一個(gè)月后，可焊性明顯變差且容易附著氣泡(吸潮),如圖 9所示。特別是在拆除真空封裝狀態(tài)上線插件后，在濕熱或空氣污染厲害的地區(qū)在流水 線上滯留時(shí)間最好不要超過(guò)24小時(shí)就完成焊接工序。

3.2虛焊現(xiàn)象2的發(fā)生條件

3.2.1 虛焊現(xiàn)象2形成的物理過(guò)程

虛焊現(xiàn)象2 的特征是：發(fā)生了潤(rùn)濕但未發(fā)生擴(kuò)散，它表明了 PCB 及元器件的可焊性不存在問(wèn)題，出現(xiàn)此現(xiàn)象的根本原因是焊接的工藝條件選擇不合適。我們知道軟釬接過(guò)程中原子的擴(kuò)散現(xiàn)象是雙向的，即：

(1)被焊金屬(基體金屬)向釬料中的擴(kuò)散,被焊金屬在釬料中的溶解條件是：釬料和被焊金屬在液態(tài)下能夠互溶，則在釬接過(guò)程中被焊金屬就能溶于液態(tài)釬料。被焊金屬在液態(tài)釬料中的溶解量可用下式表示：G=pyCy(1-e)

(5)式中：G — 被焊金屬的溶解量

p y— 液態(tài)釬料密度；

Cy — 被焊金屬在液態(tài)釬料中的極限溶解度；

Vy— 液態(tài)釬料的體積；

a 一被焊金屬原子在液態(tài)釬料中的擴(kuò)解系數(shù)；

t — 接觸時(shí)間；接。形成虛焊現(xiàn)象1的根本原因就是基體金屬表面不潔凈，表面氧化或者被臟物、油脂、手汗?jié)n等污染而導(dǎo)致表面可s一液相和固相的接觸面積。

由公式(5)可以看出：隨著釬接溫度的提高和釬接保溫時(shí)間的延長(zhǎng)， 被焊金屬在液態(tài)釬料中的溶解量都會(huì)增多。溫度對(duì)溶解量的影響，主要反映在式(5)中溶解度系數(shù) a的增大上，如圖10所示。

若釬料與被焊金屬能形成金屬間化合物時(shí)，由于金屬間化合物的出現(xiàn)，阻礙了被焊金屬向釬料中的溶解速度。在化合物形成的溫度曲線上表現(xiàn)出溶解速度有所下降，如圖11所示。

被焊金屬向釬料中擴(kuò)散過(guò)程，由于被焊金屬元素溶于釬料中，與釬料成分起合金化作用。因而使得釬接接頭性能提高了，例如Sn 的抗拉強(qiáng)度σb=1.5kg/mm2,而形成銅、錫合金層后的接頭抗拉強(qiáng)度提高到ob=5.7kg/mm2。

當(dāng)然被焊金屬溶于釬料的量不適當(dāng)(偏多)時(shí)，也是帶來(lái)使釬料熔點(diǎn)提高、流動(dòng)性變差、被焊金屬出現(xiàn)溶蝕等不良后果的原因。

(2)釬料組分向被焊金屬中擴(kuò)散

由Fick 定理可知：在一定的溫度下，釬料組分中的Sn 向被焊金屬中的擴(kuò)散量也是與加熱的時(shí)間成正比的，它表明了適宜的合金層的形成是需要時(shí)間的。因此焊接溫度偏低，焊接時(shí)間偏短是造成虛焊現(xiàn)象2發(fā)生的主要原因。

3.2.2 波峰焊接中如何控制合金化過(guò)程

波峰焊接中PCB 通過(guò)波峰時(shí)其熱作用過(guò)程大致可分為三個(gè)區(qū)域，如圖12所示。

(1).助焊劑潤(rùn)濕區(qū)

被覆在PCB板面上的助焊劑，經(jīng)過(guò)預(yù)熱區(qū)的預(yù)熱，一接觸釬料波峰后溫度驟升，助焊劑迅速在基體金屬表面上潤(rùn)濕、漫延。受溫度的劇烈激活，釋放出最大的化學(xué)活性迅速凈化被焊金屬表面。此過(guò)程大約只需0.1秒的時(shí)間即可完成。

(2).釬料潤(rùn)濕區(qū)

經(jīng)過(guò)助焊劑凈化的基體表面，在基體金屬表面吸附力的作用下和助焊劑的拖動(dòng)下，迅速在基體金屬表面上漫流開(kāi)來(lái)。一旦達(dá)到釬料的潤(rùn)濕溫度后，潤(rùn)濕過(guò)程便立即發(fā)生。此過(guò)程通常只需10-3 sec即可完成。

(3).合金層形成區(qū)

釬料在基體金屬上發(fā)生潤(rùn)濕后，擴(kuò)散過(guò)程便緊隨其后發(fā)生。由于生成最適宜厚度的合金層(3.5μm左右)需要經(jīng)歷一段時(shí)間過(guò)程。因此，潤(rùn)濕發(fā)生后還必須有足夠的保溫時(shí)間，以獲得所需要厚度的的合金層。通常該時(shí)間為(2～5)sec。保溫時(shí)間之所以要取一個(gè)范圍，主要是受被焊金屬熱容量的大小而不同。熱容量大的，升溫速率慢，獲得合適厚度的合金層的時(shí)間自然就得長(zhǎng)一些；而熱容小的，升溫速率快，合金層的生成速度也要快些，因而保溫時(shí)間就可以取得短些。對(duì)一般元器件來(lái)說(shuō)，該時(shí)間優(yōu)選為(3～4)sec。

4.虛焊的預(yù)防

4.1.強(qiáng)化對(duì)元器件可焊性的管理

4.1.1 嚴(yán)把外協(xié)、外購(gòu)件入庫(kù)驗(yàn)收關(guān)

必須將可焊性不良的 PCB 和元器件拒之門外，因此，必須嚴(yán)格執(zhí)行入庫(kù)驗(yàn)收手續(xù)：

(1) 每批外購(gòu)元器件到貨后，均必須抽樣怍可焊性試驗(yàn)，合格后才可正式入庫(kù)。對(duì)一般元器件的引腳采用彎月面潤(rùn)濕法測(cè)量可焊性時(shí)，當(dāng)釬料槽溫度取250℃時(shí)潤(rùn)濕時(shí)間應(yīng) <0.6sec?。?經(jīng)過(guò)可焊性測(cè)試的元器件可以繼續(xù)裝機(jī)使用。

(2) 每批外協(xié)的PCB到貨后應(yīng)任意抽取三塊采用波峰法作可焊性測(cè)試，合格后才能接收。由于經(jīng)過(guò)可焊性試驗(yàn)后的 PCB 不能再使用，因此，每批訂購(gòu)時(shí)必須多加三塊作工藝試驗(yàn)件。

4.1.2.優(yōu)化庫(kù)存期的管理

(1) 所有PCB和元器件必須在恒溫、恒濕、空氣質(zhì)量好，無(wú)腐蝕性氣體(如硫、氯等) 和無(wú)油污的環(huán)境中儲(chǔ)存。

(2)考慮到可焊性的存儲(chǔ)期限,所有元器件必須實(shí)行先入先出的原則，以免造成一部分元器件因庫(kù)存期過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致可焊性惡化。

(3)儲(chǔ)存期的長(zhǎng)短應(yīng)視地區(qū)(例如南方、北方)和當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量而定，一般希望庫(kù)存期愈短愈好。例如 PCB 在深圳的濕熱環(huán)境下最好不要超過(guò)一個(gè)月。在拆除真空封裝狀態(tài)上線插件后，在流水線上滯留時(shí)間最好不要超過(guò)24 小時(shí)就完成焊接工序。

4.1.3 加強(qiáng)工序傳遞中的文明衛(wèi)生管理

(1)工作人員應(yīng)穿戴防靜電衣、鞋和手套，并經(jīng)常保持其潔凈；

(2)由于指紋印是最難去除的污染，是傳遞過(guò)程中造成可焊性不良的原因。因此在操作過(guò)程中，任何與焊接表面接觸的東西必須是潔凈的。PCB從保護(hù)袋中取出后，只能接觸PCB的板角或邊緣，在需要對(duì)PCB 進(jìn)行機(jī)械安裝操作時(shí)，應(yīng)戴上符合EOS/ESD防護(hù)要求的手套并經(jīng)常保持其潔凈。

4.2.選擇正確的工藝規(guī)范

工藝規(guī)范選擇不當(dāng)，是造成虛焊現(xiàn)象2 的關(guān)鍵因素。因此，在釬料槽溫度取定為250℃的前提下，必須確保合金化的時(shí)間在(3～4)sec之間。