焊接原理與焊錫性

焊接原理與焊錫性術(shù)語(yǔ)手冊(cè)

1、Abietic Acid松脂酸
是天然松香（Rosin）的主要成份，占其重量比的34％。在焊接的高溫下，此酸能將銅面的輕微氧化物或鈍化物予以清除，使得清潔銅面可與熔錫產(chǎn)生"接口合金共化"（IMC）而完成焊接。此松脂酸在常溫中很安定，不會(huì)腐蝕金屬。

2、Angle of Contack 接觸角
廣義是指液體落在固體表面時(shí)，其邊緣與固體外表在截面上所形益的夾角。在PCB 的狹義上是指焊錫與銅面所形成的Θ角，又稱之為雙反斜角（Dihedrel Angle）或直接稱為 Contact Angle。

3、Blow Hole 吹孔
指完工的 PTH 銅壁上，可能有破洞(Void 俗稱窟窿)存在。當(dāng)板子在下游進(jìn)行焊錫時(shí)，可能會(huì)造成破洞中的殘液在高溫中迅速氣化而產(chǎn)生壓力，往外向孔中灌入的熔錫吹出。冷卻后孔中之錫柱會(huì)出現(xiàn)空洞。這種會(huì)吹氣的劣質(zhì) PTH，特稱為"吹孔"。吹孔為 PCB 制程不良的表征，必須徹底避免才能在業(yè)界立足。

4、Brazing 硬焊
是指采用含銀的銅鋅合金焊條，其焊溫在425~870℃ 下進(jìn)行熔接(Welding)方式，比一般電子工業(yè)常見(jiàn)軟焊或焊(Soldering)，在溫度及強(qiáng)度方面都比較高。

5、Cold Solder Joint 冷焊點(diǎn)
焊錫與銅面間在高溫焊接過(guò)程中，必須先出現(xiàn) Cn Sn 的"接口合金共化物"(IMC)層，才會(huì)出現(xiàn)良好的沾錫或焊錫性(Solderability)。當(dāng)銅面不潔、熱量不足，或焊錫中雜質(zhì)太多時(shí)，都無(wú)法形成必須的 IMC(Eta Phase)，將出現(xiàn)灰暗多凹坑不平。且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也不足的焊點(diǎn)，系由焊錫冷凝而形成，但未真正焊牢的焊點(diǎn)，特稱為"冷焊點(diǎn)"，或俗稱冷焊。

6、Contact Angle 接觸角
一般泛指液體與固接觸時(shí)，其交界邊緣，在液體與固體外表截面上，所呈現(xiàn)的交接角度，謂之 Contact Angle。

7、Dewetting 縮錫
指高溫熔融的焊錫與被焊物表面接觸及沾錫后，當(dāng)其冷卻固化即完成焊接作用得到焊點(diǎn)(Solder Joint)。正常的焊點(diǎn)或焊面，其已固化的錫面都應(yīng)呈現(xiàn)光澤平滑的外觀，是為焊錫性(Solderability)良好的表征。所謂 Dewetting 是指焊點(diǎn)或焊面呈高低不平、多處下陷，或焊錫面支離破碎甚至曝露底金屬，或焊點(diǎn)外緣無(wú)法順利延伸展開(kāi)，截面之接觸角大于 90 度者，皆稱為"縮錫"。其基本原因是底金屬表面不潔(有氧化物或其它污染)，造成與焊錫之間不易形成"接口合金共化物"(如Cu６Sn５ 之 Eta phase IMC 即是),難以親錫，無(wú)法維持焊錫的均勻覆蓋所致。

8、Dihedral Angle 雙反斜角
是指焊點(diǎn)或焊面外緣在截面上左右兩側(cè)的接觸角，有如噴射機(jī)之雙反斜翅膀，稱為"雙反斜角"。此角度愈小時(shí)，表示其"沾錫性"愈好。

9、Eutetic Composition 共融組成
合金中的組成份在某一定比例時(shí)，其熔點(diǎn)(M.P.; Melting Point)最低，稱之為"共融組成"。如錫鉛合金在63／37比例時(shí)，其熔點(diǎn)僅183℃，且直接由固態(tài)熔化成液態(tài)，中間并未出現(xiàn)漿態(tài)；反之亦然。故此63／37比例特稱之為"共融組成"，而183℃即其共融點(diǎn)(Eutetic Point)。

10、Finite Element Method有限要素分析法
是一種對(duì)焊點(diǎn)(Joint)可靠度與故障的分析法，為利用計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)模式的分析工具?？蓪⒑讣Y(jié)構(gòu)以微分方式劃分成許多受力面與受力點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)協(xié)助下逐一仔細(xì)找出故障的可能原因。下左圖即為一鷗翼腳焊點(diǎn)的FEM分析圖。左圖為一外圍有球腳的P-BGA，在板面上焊接后的FEM細(xì)分圖，此件共有2492個(gè)平面應(yīng)變要素，與7978個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)變要素 (Node Strain Element)。

11、Meniscograph Test 弧面狀沾錫試驗(yàn)
是針對(duì)待焊物表面沾錫性好壞所做的一種試驗(yàn)，如右圖所示；取一金屬線使其沉入表面清潔的熔錫池中。若金屬線的沾錫性不錯(cuò)時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生良好的沾錫力(Wetting Force)，而在交界處會(huì)將錫拉起，呈現(xiàn)弧狀上升的"彎月形"(Meniscus)，即表示其焊錫性良好?？稍僖?弧面沾錫儀"(Meniscometer)的激光束去觀察所帶起的彎弧的高度，再按已存在計(jì)算機(jī)中的記憶資料，求出接觸角(Contact Angle θ,或稱沾錫角Wetting Angle)，即可判斷出零件腳沾錫品質(zhì)的好壞。不過(guò)此法現(xiàn)已不如"沾錫天平"法(Wetting Balance)來(lái)的更精確。按荷蘭籍焊接專家 R.J.Klein Wassink(曾任職菲利浦公司 30 年以上,為全世界 SMT 的啟蒙者)之名著 Soldering In Electronics(2nd Ed.，1989)P.332所載，在沾錫動(dòng)作接觸 3～4 秒后可測(cè)得 θ 角，其代表之意義如表內(nèi)所示。

12、Meniscus 彎月面，上凹面
原指毛細(xì)管中之水面，從截面所觀察到的上凹情形。引伸到"焊錫性"的品質(zhì)時(shí)，則是指焊錫與被焊物表面之接觸角。當(dāng)其所呈現(xiàn)角度很小，使被焊物表面之焊錫前緣，具有擴(kuò)張與前進(jìn)的趨勢(shì)，則其"焊錫性"將會(huì)很好。利用此"彎月面"的原理，進(jìn)一步地去測(cè)試被焊物在"焊錫性"品質(zhì)上的好壞，其方法稱Meniscograph。

13、Non-Wetting 不沾錫
在高溫中以焊錫(Solder)進(jìn)行焊接(Soldering)時(shí)，由于被焊之板子銅面或零件腳表面等之不潔，或存有氧化物、硫化物等雜質(zhì)，使焊錫無(wú)法與底金屬銅之間形成必須的"接口合金化合物"(Intermatallic Compound，IMC，系指Cu6Sn5 )，此等不良外表在無(wú)法"親錫"下，致使熔錫本身的內(nèi)聚力大于對(duì)"待焊面 "的附著力，形成熔錫聚成球狀無(wú)法擴(kuò)散的情形。就整體外表而言，不但呈現(xiàn)各地局部聚集不散而高低不平的情形，甚至?xí)芈兜足~，這比"Dewtting 縮錫" 更為嚴(yán)重，稱之為"不沾錫"。

14、Solder焊錫
是指各種比例的錫鉛合金，可當(dāng)成電子零件焊接(Soldering)所用的焊料。其中以 63/37 錫鉛比的 Solder 最為電路板焊接所常用。因?yàn)樵诖朔N比例時(shí)，其熔點(diǎn)最低(183℃)，且系由"固態(tài)"直接熔化成"液態(tài)"，反之固化亦然，其間并未經(jīng)過(guò)漿態(tài)，故對(duì)電子零件的連接有最多的好處。除此之外尚有80/20、90/10等熔點(diǎn)較高的焊錫，以配合不同的用途。 注意當(dāng) "焊" 字從金旁時(shí)，專指焊錫合金之本體金屬而言，若從火部的 "焊"時(shí)，則系針對(duì)焊接的操作之謂，不宜混一談。

15、Solderability焊錫性，可焊性
各種零件引腳或電路板焊墊等金屬體，其等接受焊錫所發(fā)揮的焊接能力如何？謂之焊錫性。無(wú)論電路板或零件，其焊錫性的好壞都是組裝過(guò)程所須最先面對(duì)的問(wèn)題，焊錫性不良的PCB，其它一切的品質(zhì)及特點(diǎn)都將付諸空談。

16、Surface Energy表面能
任何物質(zhì)在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)前，其表面將應(yīng)具有某種活性程度，或參與化學(xué)反應(yīng)能力強(qiáng)弱的一種表示數(shù)值，謂之"表面能"。例如清潔新鮮的銅面，其在真空中的表面能可高達(dá)1265 dyne/cm，但若將該新鮮的銅放置在空氣中 2小時(shí)，因表面產(chǎn)生各種銅的污化物或鈍化物后，其"表面能"將下降至25 dyne/cm，必須仰賴助焊劑的清潔作用，才能完成焊接所需的良好沾錫 (Wetting)品質(zhì)。

17、Vacuoles 焊洞
通孔中可插焊或直接涌錫填錫而成錫柱體，當(dāng)焊板遠(yuǎn)離錫波逐漸冷卻之際，其填錫體之冷卻固化是從頂部開(kāi)始的。因板材是不良導(dǎo)熱體，故下板面擦過(guò)錫波時(shí)其溫度要高于離錫波稍遠(yuǎn)的上板面。故孔內(nèi)錫柱是先自頂部固化后，其次才輪到底部固化，錫柱中段最后才會(huì)固化。因而在四周上下已經(jīng)硬化，其中心繼續(xù)冷固收縮時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)真空式無(wú)害的空洞，稱為"Vacuoles"。

18、Wetting Balance沾錫天平
是一種測(cè)量零件腳或電路板"焊錫性"好壞的精密儀器。試驗(yàn)中須將試樣夾在觸動(dòng)敏感的夾具上，再舉起小錫池以迎合固定的測(cè)試點(diǎn)，并使測(cè)區(qū)得以沉沒(méi)于錫池中。在扣除浮力后即可測(cè)得試樣"沾錫力量"的大小，及"沾錫時(shí)間"的長(zhǎng)短。即使少許"力量"的差異，亦可從此種儀器上忠實(shí)測(cè)出，故稱為"沾錫天平"。(詳見(jiàn)電路板信息雜志第二十六期之專文)

19、Wetting沾濕，沾錫
清潔的固體表面遇有水份沾到時(shí)，由于其間附著力較大故將向四面均勻擴(kuò)散，稱為Wetting。但若表面不潔時(shí)，則附著力將變小且親和性不足，反使得水的內(nèi)聚力大于附著力，致令水份聚集不散。凡在物體表面出現(xiàn)局部聚攏而不連續(xù)的水珠者，稱"不沾濕"Dewetting。此種對(duì)水份"沾濕"的表達(dá)，若引伸到電路板的焊錫性上，即成為"沾錫"與"沾錫不良"(或縮錫)之另一番意義。IMC Intermatallic Compound ; (金屬) 接口合金共化物如 Cu6Sn5 Cu3Sn即為銅錫之間的兩種合金共化物，此外尚有多種其它金屬間的IMC存在。