基礎冶金學與波峰焊接趨勢1
基礎冶金學與波峰焊接趨勢 　　本文介紹，為了使波峰焊接在電子工業(yè)中完全被接受，冶金學者、工業(yè)與主管機構 必須一起工作，進行廣泛的研究。 　　自從開始，波峰焊接一直在不斷地進化。在焊接中涉及的基本冶金學原理已經被許 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)境友好的適當材料。為了決 定與理解對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，作一些研究 是必要的。因此在這里有必要回顧一下基礎的冶金學原理，開發(fā)和理解為將來建議使用 的替代材料。 波峰焊接的進化 　　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 要一個更加經濟和穩(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的浸焊 (dip soldering)。在八十年代，開發(fā)出被稱為波峰焊接的概念。這個方法今天還廣泛使用， 但是機器和操作員控制已經變得更好了。焊接的基礎仍然是相同的。焊接形成只是變化 來滿足設備的要求；可是，化學成分和理論動力學還是基本的和簡單的。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成電路裝配的非類 似的材料。在一個裝配上發(fā)現的材料包括：塑料、陶瓷、金屬、涂料、化學品及其廣泛 不同的化學成分。大規(guī)模的波峰焊接的使用為元件的可焊性提出一個關注的問題，因為 需要第一次就產生適當的連接，并在裝配上不進行返修，今天的產品不如過去那些較不 復雜裝配那么寬容。需要第一次就正確形成的可靠焊接點來經受PCB所暴露的環(huán)境。在保 證適當信號傳輸、消除串音和不可接受的垂直波比的同時，必須分析每一種情況中引發(fā) 的溫度與機械應力。1 　　最早的浸焊方法有一些問題：很難重新產生所希望的合格率；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2。這一整套問題導致波峰焊 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匯合PCB，然后PCB從波上 傳送過去。波峰焊接縮短一半以上的接觸時間。傳送帶系統通常在一個角度上，因此當 板通過波峰時，不會夾住任何東西在PCB下面。這樣傾斜也允許熔化的焊錫脫落進入錫鍋 ，減少相鄰焊接點之間的橋接。因為熔化的金屬是從熔化池表面之下泵出的，只有清潔 、無氧化的金屬引入裝配。 焊接動力學 　　當產生一個焊接點時所發(fā)生的反應在原理上是基本的。焊錫合金加熱到其液相線區(qū) 域，以提高焊接點的熔濕(wetting)。氧化物從金屬表面去掉，以保證焊接點與帶有助焊 劑的熔化焊錫之間的清潔接觸。然后助焊劑預熱從PCB去掉助焊劑溶劑(一般為水或酒精 )。需要增加的熱量來克服PCB與熔化焊錫池之間的溫度差。加熱PCB來補償溫差差，不對 元件引起傷害。PCB有必要的暴露金屬區(qū)域，從波峰上通過。焊錫以適當的接合與熔濕角 度熔濕到金屬。表面能量與接觸角度決定熔化的焊錫對暴露金屬的附著。如果固體的表 面能量相當高于液態(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。毛細管作 用使焊錫達到PCB的圓形電鍍孔的頂面。 　　在一些系統中，氮氣惰性化的焊接環(huán)境用來提高熔濕/毛細管作用。這些孔通常連接 裝配中等電路層，表明： 　　1、液體在毛細管空間的上升高度隨著表面分開減少而增加。 　 2、進入焊點的流動速度隨著表面分開的減少而減少。 　　冶金學的因素對焊錫連接有重要的和經常是主要的影響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。 金屬間化合的形成與增長 　　直到連接冷卻到可以處理，金屬間化合層還在增長。增長速度是與在特定溫度的時 間的平方根和溫度的指數成線性。這說明增長是通過交互原子向界面擴散來控制的。這 個金屬間化合層通常是 1 um的Cu6Sn5。Cu來自于PCB的連接面，而Sn來自于焊錫合金。 　　金屬間化合物具有從金屬與共價鍵的混合物升起的特性。這些鍵由于有高分子而強 度高。因此，自擴散系數和更大的擴散控制特性的穩(wěn)定性是強鍵結合和有序結構的結果 4。這個接合對連接是好的，直到其增長完全支配焊接點的特性；這時，這樣的焊點對裝 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，因為其價格與可獲得的量。Sn提供連接的特性，而Pb是作為填充材料使用的 。產量的增強要求使用快速固化的和可以在幾秒鐘內形成數百焊接點的材料。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 差異來自于早期對共晶成分的錯誤計算。更高Sn含量的合成物不能調節(jié)成本增加與電子 裝配性能改善之間的關系。只有當裝配使用在腐蝕性環(huán)境時，成本才調節(jié)過來。在冶金 學上，焊錫可看作是構成二元合金的純金屬的簡單混合。其合金圖是二元合金系統的典 型圖，適用于基本的冶金學原理。正如所料，當偏離共晶時，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(CTE)增 加、溫度與電氣傳導性減少。 非共晶成分 　　當考慮非共晶合金時，假設由α+共晶組成，從圖二的扛桿定律支配比值。有實例證 明，沒有樹枝狀晶體出現的固化是可能的，整體的微結構符合共晶。合成物是一個平均 的成分。怎樣在非共晶合成物中獲得共晶結構？固化的冷卻速率快于轉化動能。當超過 固體可溶性極限的成分在室溫下冷卻時，α相的平均成分結核。轉換固相的轉化動能被固 體轉變遠遠超過。當室內空氣冷卻固溶體時，剩下的液體可能經歷共晶反應，在室溫下 在非共晶成分中給出共晶微結構。當共晶成分的純二元液體冷凍時，形成的固體平均成 分與液體是一致的。據報道，在α片之前沒有溶質集結和結構的集結，在β片之前溶質的 耗損。這些溶質輪廓可產生結構過冷，盡管這個現象不是平面不穩(wěn)性的充分條件5。在微 結構中，有時使用名詞微組元(microconstituent)是方便的，即，具有可確認和有特征 結構的微結構元素。在圖二中，主要微組元的顆粒結核，形成的共晶微組元的百分率大 于焊錫合金當量條件。 　　隨著波峰焊接機器中的焊錫鍋長時機運行，暴露給所有金屬的焊錫可能具有與原來 的不同的作用。氧化和金屬間化合的形成隨著時間改變著焊錫鍋中的成分，也改變了特 性。溫度設定點必須改變和監(jiān)測，以控制可能由于錫鍋合金成分的冶金變化而出現的缺 陷。 無鉛波峰焊接 　　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減少鉛使用的關注，由于其毒性和再生利用的處理不當6。轉換 到無鉛不是被工業(yè)所廣泛接受。在電子裝配中消除鉛的主要理由 是機器操作員的環(huán)境暴露。錫渣副產品的處理可能對環(huán)境有嚴重影響，如果處理、運輸 、再生不當的話。如果不遵循適當的衛(wèi)生要求，對鉛的煙霧的呼吸和手工焊接時的直接 接觸也有重要影響。 　　 對要接受的無鉛替代品，必須提供下列： 有足夠數量的來源 與現有的工藝可兼容 足夠的熔化溫度 良好的焊點強度 熱和電的傳導性類似Sn/Pb 容易修理 非毒性 低成本 　　許多公司正在開發(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。 　 在北美的國家電子制造協會(NEMI, National Electronics Manufacturing Initiative)的目標是到2001年用生產無鉛替代品的能力裝備北美。該組織正打算與其它 機構聯合為其可制造性開發(fā)標準，其它機構的方向集中在選擇替代品，編寫世界范圍的 數據庫和收集材料特性數據。 工藝上關注的問題 　 國際錫研究協會(ITRI, International Tin Research Institute)開辦了SOLDERTEC，一個無鉛焊接技術中心，來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 ...
基礎冶金學與波峰焊接趨勢1