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重庆 焊锡制品手册,焊锡原理,认识锡合金,认识焊剂

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                                            焊锡制品手册 


万山锡业为用到焊锡的客户提供的-焊锡制品手册


        章 焊锡原理

        第二章 认识锡铅合金

        第三章 认识助焊剂

        第四章 助焊剂的选择



章 焊锡原理

    在研究焊锡工程所用的材枓之前,我们必须先清楚地了解焊锡的基本原理。否则我们便无法用目视来检验焊锡后锡铅合金与各种零件所形成的焊点是否标准。

節 润湿 WETTING

    焊锡的定义中可以发现「润湿」是焊接过程中的主角。所谓焊接即是利用液态的「焊锡」润湿在基材上而达到接合的效果,这种现象正如水倒在固体表面一样,不同的是「焊锡」会随着温度的降低而凝固成接点。当焊锡润湿在基材上时,理论上两者之间会以金属化学键结合,而形成一种连续性的接合,但实际状况下,基材会受到空气及周遭环境的侵蚀,而形成一层氧化膜来阻挡「焊锡」,使其无法达到较好的润湿效果。其现象正如水倒在涂满油脂的盘上,水只能聚集在部份的地方,而无法全面均匀的分布在盘子上。如果我们未能将基材表面的氧化膜去除,即使勉强沾上「焊锡」,其结合力量还是非常的弱。

1.焊接与胶合的不同

    当两种材料用胶黏合在一起,其表面的相互黏着是因为胶给它们之间的机械键所致。因为胶不容易在两者之间固定,所以光亮的表面无法像粗糙或蚀刻的表面黏着性那么好。胶合是一种表面现象,当胶是潮湿状态时,它可以从原来的表面被擦掉。焊接是焊锡和金属之间形成一金属化学键,焊锡的分子穿入基材表层金属的分子结构,而形成一坚固、完全金属的结构。当焊锡熔解时,也不可能完全从金属表面上把它擦掉,因为它己变成基层金属的一部份。

2.润湿和无润湿 Wetting & Non-wetting

    一块涂有油脂的金属薄板浸到水中,没有润湿现象,此时水会成球状的水滴,一摇即掉,因此,水并未润湿或黏在金属薄板上。

    如将此金属薄板放入热清洁溶剂中加以清洗,并小心地干燥,再把它浸入水中,此时水将完全地扩散到金属薄板的表面而形成一薄且均匀的膜层,怎么摇也不会掉,即它己经润湿了此金属薄板。

3.清洁

    当金属薄板非常干净时,水便会润湿金属表面,因此,当「焊锡表面」和「金属表面」也很干净时,焊锡一样会润湿金属表面,其对清洁程度的要求远比水于金属薄板上还要高很多,因为焊锡和金属之间必须是紧密的连接,否则在它们之间会立刻形成一很薄的氧化层。不幸的是,几乎所有的金属在曝露于空气中时,都会立刻氧化,此极薄的氧化层将妨碍金属表面上焊锡的润湿作用。

在第三章我将讨论助焊剂有克服此问题的功能。


注一:「焊锡」:是指60/40/或63/37的锡铅合金。

注二:WETTING :其中文意思是「润湿」或「润焊」。

注三:「基材」:泛指被焊金属,如PCB或零件脚。


4.毛细管作用

如将两片干净的金属表面合在一起后,浸入熔化的焊锡中,焊锡将润湿此两片金属表面并向上爬升,以填满相近表面之间的间隙,此为毛细管作用。

假如金属表面不干净的话,便没有润湿及毛细管作用的力量将锡贯满此孔,并在印刷线路板上面形成所谓的「焊锡带」并不完全是锡波的压力将焊锡推进此孔。

5.表面张力

我们都看过昆虫在池塘的表面行走而不润湿它的脚,那是因为有一看不到的薄层或力量支持着它,这便是水的表面张力。同样的力量使水在涂有油脂的金属薄板上维持水滴状,用溶剂加以清洗会减少表面张力,水便会润湿和形成一薄层。

在第三章,我们将会知道助焊剂在金属表面上的作用就像溶剂对涂有油脂的金属薄板一样。溶剂去除油脂,让水润湿金属表面和减少表面张力。助焊剂将去除金属和焊锡间的氧化物,好让焊锡润湿金属表面。

在焊锡中的污染物会增加表面张力,因此必须小心地管制。焊锡温度也会影响表面张力,即温度愈高,表面张力愈小。

我们用图来表示焊锡润湿和无润湿的情形,将更容易了解。


           图1-1  a.熔锡中无助焊剂,形成一大润湿角度的球状。

                  b.熔锡中有助焊剂,焊锡润湿铜表面而形成一小润湿角度。

图1-1-a.表示小球状的熔锡在加热的铜板上,它一直维持小球状,那是因为氧化层己经

         增加了其表面张力。

图1-1-b.表示在锡球和铜板之间加入助焊剂,助焊剂己经去除焊锡和铜板之间的氧化物,

         焊锡己经润湿基层金属而形成一薄层。

焊锡表面和铜板之间的角度,称为润湿角度(wetting angle),它是所有焊点检验的基础。

               图1-2 单面基板和电镀贯穿孔基板上的焊点



图1-2 表示一些典型的完美焊点的断面图,焊锡己经润湿零件脚和印刷线路板上的焊垫。两种基板的润湿角度都很小,焊锡都己外流而形成羽毛状边缘。


6.润湿的热动力平衡

焊接工程不可或缺的材料是「焊锡」、「助焊剂」和「基层金属」。我们假设基层金属的表面是完全清洁、无氧化物。

当一滴焊锡滴在基层金属上,助焊剂在焊锡的四周时,简称

a.焊锡为L :LIQUID

b.助锡剂为F :FLUX(或V:VAPOR)

c.基层金属为S :SOLID BASE METAL

当焊锡润湿在基层金属上,静止下来时,亦即是力平衡的状态。

                       图1-3  热平衡的润湿图

          依上图,得知PSF = PLS + PLF COSθ

                       PSF 是液体在固体上扩散的力量。

当焊锡滴在固体表面呈圆球状时,PSF > PLS + PLF COSθ,此时开始扩散,θ角

度逐渐变小,PLF COSθ值变大,直到力量平衡为止。

1.θ>90∘,如果整个系统力量达到平衡时θ>90∘,则表示PSF的值小,亦即其液体的扩散力差。

以θ角度来说:θ>90∘       时称为退润湿(dewet)。

              θ=180∘      时称为未润湿(nonwet)。

              90∘<θ<180∘时为润湿不良(poorly wetted surface)。

2.90∘>θ>M,我们称为边际润湿(marginal wetting)。

   通常的M>75∘,这种润湿也是不能接受的程度。

3.θ<M,此称为良好润湿(good wetting),在品质要求高的产品,M值的要求可低于    

   75度。


         


         由上述说明θ角度越小表示润湿越好。


图1-4-a 是完全未润湿,θ=180∘



图1-4-b 是完全润湿,θ= 0∘




图1-4-c 是部份润湿,0∘<θ<180∘



     图1-4 润湿程度和二面角度的关系。


第二節    焊  点   

我们己经理论地讨论在干净的金属表面上加焊锡时会产生润湿现象。现在,我们必须了解实际上所发生的情形,它比水在金属薄板上的润湿例子还要复杂很多,我们将解释形成焊点所包含的东西。


1.金属间的形成

如果两个铜板如图1-5-a用焊锡焊接在一起,将他们之间的一小部份取出并放大200倍(如图1-5-b)在中间的是焊锡,两边是基层铜板。但是,在铜和焊锡之间

的材料在焊接之前并不存在,那是焊锡中锡和铜的表面层形成新的化合物,它是铜/锡化合物(Cu3Sn, Cu6Sn5),也称为「金属间化合物」(intermetallic compound)。当焊锡润湿铜板时才会形成金属间化合物,同时它也是润湿己发生的表示。

                                  铜       焊锡      铜

                                             金属间化合物

                               图1-5 金属化合物的形成

               


                    图1-6 金属间化合物的侧视图


            

        金属间化合物形成的过程如图1-7到图1-15所示



               图1-7  金属格子在真空中的略图 

            图1-8  金属格子在空气中的略图,吸收空气层



           图1-9  在空气中失去光泽的金属略图


        图1-10  液体助焊剂准备去除金属表面氧化层的略图,尚无化学作用


     图1-11  去除氧化层后,助焊剂覆盖在干净的金属表面,准备过锡的略图


          图1-12 焊锡润湿在干净的金属表面的略图

         


           图1-13  焊锡和基层金属相互熔解形成金属化合物的阶段


          图1-14  在空气中焊锡格子的略图(如同图1-8,尚未失去光泽)




              图1-15 失去光泽的焊锡表面略图(同图1-9)



2.焊点龟裂

「金属间化合物」比「焊锡」或「铜」还要硬,而且也比较脆。如果此金属间化合物太厚的话,当焊点受到热或机械性的应力下,便会产生焊点龟裂如图1-16所示。



          图1-16 因厚金属间化合物的形成而突然发生龟裂


3.单面和电镀贯穿印刷线路板

图1-2所示是完美焊点的横断面图,焊锡己因毛细管作用吸食而上,填满电镀贯穿孔,并流到零件面的焊垫上。其润湿角度很小,且有羽毛状的边缘。如果没有上面所说的情形,则此焊点便是不良的。


4.热

在被焊金属表面的温度未上升到比焊锡的熔点高之前,是无法得到满意的焊点,此热便由预热器和焊锡炉的锡波而来。锡波仅和基板底部接触的时间内加热焊点,所以预热、锡温、过锡时间都会影响焊锡的品质。

图1-17-a/b/c/表示焊锡的流动是随热的流动而通过贯穿孔。


   (a) 锡钖润湿孔的下表面    (b) 当孔加热时,焊锡上吸        (c)整个孔达到焊接温度时

                                                                 焊锡流出并润湿上部       

                                                                 「焊锡带」


            图1-17 焊锡随热的流动而通过贯穿孔


图1-18是因贯穿孔的电镀有裂缝导致热流动的停止,零件面的焊垫便没有润湿,也就没有「焊锡带」的形成。




图1-18 贯穿孔的铜裂致使热流动无法达到顶部,故无焊锡带






5. 焊点表面清洁度和腐蚀

焊锡表面同样也有未饱和键,与空气接触后,形成氧化层,通常焊锡中的铅会很快的生成氧化铅,氧化铅会形成一层薄膜保护焊锡不再受氧化,但如果助焊剂有大量的氯离子残余在表面,其结果则完全不同。


      PbO + 2HCI →PbCI2 + H2O


     PbCO3 + 2HCI ← PbCI2 + CO2

     ↓

  白色粉状腐蚀物


由上项反应可看出HC1不断PbO反应,生成PbCI2  再与腐蚀行为会一直持续不停止。又释放出HC1。如HC1不断循环使用,毫无消耗,因此腐蚀行为会一直持续不停止。腐蚀会减少导体导电、损坏接点强度、漏电,而空气中的水气更会加速再次腐蚀及漏电。

一般来说,助焊剂残余物是腐蚀的更大原因,而事实上还有许多其它原因会造成污染腐蚀。


1.基板制作中使用的溶液:如电镀及蚀刻溶液残余在基板上。

2.人的汗水:人体的汗水中所含氯离子,其所具有的腐蚀性,可能较其它因素为高。

3.环境污染:在工业区空气中常含有硫会腐蚀银表面。

4.输送系统的污染:输送系统常会有润滑油等污染物。

5.包装材料的污染:此类污染较易避免。







第二章 认识锡铅合金

節   焊铅合金相变图 Tin-Lead Alloy Phase Diagram

                            ( 焊锡相变图 )



上图是锡铅合金的成份、温度改变及相的变化,C 点称为共晶点亦为Sn 63/Pb 37 锡铅合金之共融点。两种以上金属在液体状况下混合时会有(1)固熔体的产生(2)金属化合物的产生(3)维持原来的成份,锡铅合金自Sn19.5%起到97.5%,有一条不变的固相线即BCE线(183.3℃)。ABC 及CDE皆为半熔融状态区,而ACD曲线则表示液相线。固相线与液相线会合在共晶点C。换言之,当锡铅含量为锡63%、铅37%时,可自液体状直接变为固体状或自固体状直接转变液体状,而不经半熔融状。其它成份之锡铅合金,则均在183.3℃至ACD液相线中间形成半熔融状。液相线熔点(183.3℃),并非适当的焊锡温度,通常适用的温度约高于液相线温度55℃ ~ 80℃。


共晶点焊锡:

电子工业希望于更低温度下完成焊锡工作,那就得利用熔点更低之锡铅合金。63/37或60/40之共晶点焊锡可符合此项要求,其理由有以下三点:

(1)因其不经过半熔融状态而迅速的固化或液化,因此可以最快速度完成焊锡工作。

(2)能在较低温度下开始焊接作用,乃锡铅合金中焊接性能更佳之一种。

(3)熔液之潜钻力强,可扎根般地渗透进金属表面之极微细隙。






第三章 认识助焊剂

節助焊剂的四大功能

    助焊剂 ( FLUX ) 这个字来自拉丁文是〞流动〞( Flow in Soldering)的意思,但在此它的作用不只是帮助流动,还有其它功能,助焊剂的主要功能为:

(一)清除焊接金属表面的氧化膜。

(二)在焊接物表面形成一液态的保护膜隔绝高温时四周的空气,防止金属表面的    再

        氧化。

(三)降低焊锡的表面张力,增加其扩散能力。

(四)焊接的瞬间,可以让熔融状的焊锡取代,顺利完成焊接。

第二節助焊剂的化学特性

1化学活性 Chemical Activity

    要达到一个好的焊点,被焊物必须要有一个完全无氧化层的表面,但金属一旦曝露于空气中会生成氧化层,这种氧化层无法用传统溶剂清洗,此时必须依赖助焊剂与氧化层起化学作用,当助焊剂清除氧化层之后,干净的被焊物表面,才可与焊锡接合。

助焊剂与氧化物的化学反应有几种:

(一)是相互起化学作用形成第三种物质。

(二)氧化物直接被助焊剂剥离。

(三)上述二种反应并存。

    松香助焊剂去除氧化层,即种反应,松香主要成份为松香酸(Abietic  acid)和异构双帖酸(Isomeric diterpene acids),当助焊剂加热后与氧化铜反应,形成铜松香(Copper abiet),呈绿色透明状物质,易溶入未反应的松香内与松香一起被清除,即使有残留,也不会腐蚀金属表面。

    氧化物曝露在氢气中的反应,即是典型的第二种反应,在高温下氢与氧反应成水,减少氧化物,这种方法常用在半导体零件的焊接上。

几乎所有的有机酸或无机酸都有能力去除氧化物,但大部份都不能用来焊锡,助焊剂之被使用除了去除氧化物的功能外,还有其它功能,这些功能是焊锡作业时,必须考虑的。


                                                 

                           

     氧化铜                    松香                      铜松香


2 热稳定性 Thermal Stability

当助焊剂在去除氧化物反应的同时,必须还要形成一个保护膜,防止被焊物表面再度氧化,直到接触焊锡为止。所以助焊剂必须能承受高温,在焊锡作业的温度下不会分解或蒸发,如果分解(Decomposion)则会形成溶剂不溶物,难以用溶剂清洗,W/W级的纯松香在280℃左右会分解,此应特别注意。


3 助焊剂在不同温度下的活性

Activation & Deactivation Temperatures

好的助焊剂不只是要求热稳定性,在不同温度下的活性亦应考虑。

助焊剂的功能即是去除氧化物,通常在某一温度下效果较佳,例如RA的助焊剂,除非温度达到某一程度,氯离子不会解析出来清理氧化物,当然此温度必须在焊锡作业的温度范围内。另一个例子,如使用氢气做为助焊剂,如温度是一定的,反应时间则依氧化物的厚度而定。

当温度过高时,亦可能降低其活性,如松香在超过600℉(315℃)时,几乎无任何反应,如果无法避免高温时,可将预热时间延长,使其充分发挥活性后再进入锡炉。也可以利用此一特性,将助焊剂活性钝化以防止腐蚀现象,但在应用上要特别注意受热时间与温度,以确保活性钝化。


4 润湿能力 Wetting power

为了能清理基材表面的氧化层,助焊剂要能对基层金属有很好的润湿能力,同时亦应对焊锡有很好的润湿能力以取代空气,降低焊锡表面张力,增加其扩散性。


5 扩散率

助焊剂在焊接过程中应有帮助焊锡扩散的能力,扩散与润湿都是帮助焊点的角度改善,通常「扩散率」( Spread factor) 可用来作助焊剂强弱的指针。


第三節助焊剂的运作

在图3-1- a 一个锡球放置在一铜板上的松香助焊剂表层上,此铜板是放在一热板上,且电源是开的。当热板的热上升,焊锡会熔解和流动,如图3-1-b/c/d,让我们来看,它是如何发生。

当助焊剂加热后,它变为活性化,然后开始去除铜板上的氧化物,和预防任何氧化物的再形成。焊锡马上润湿铜板和开始流动,如图3-1-b。它在此重力之下继续向外流动,如图3-1-c。直到表面张力和润湿力平衡时为止,如图3-1-d,具有小的润湿角度和薄羽毛状边缘。

  图3-1 焊锡熔解于有助焊剂的铜板


图3-2 详细地表示焊锡的边缘和助焊剂如何地去除氧化物。当焊锡润湿铜板时,它推动助焊剂在前,最后助焊剂盖住整个区域并防止再形成氧化物。


                图3-2  助焊剂动作的特写镜头


假如再做实验,此次不加任何助焊剂,则焊锡溶解后,仍然维持小球状,它不会润湿铜板,也无润湿力,焊锡的表面张力使它无法流遍铜板。

在个实验里,助焊剂从表面去除氧化物并让焊锡润湿铜板。助焊剂能去除氧化物的功能就是它的「活性」。弱活性助焊剂仅能去除很少的氧化物,强活性助焊剂则能去除很多的氧化物。

我们己看过当铜板上的助焊剂加热后锡球会流遍铜板。有时候,同量的焊锡流过的区域面积大小也当做助焊剂活性的测量方式。


















第四节  助焊剂的分类

传统助焊剂分类

    表3-3

助焊剂类型助焊剂基底助焊剂催化助焊剂型式

1.树脂1.松香1.没加催化剂

2.卤素活化

3.无卤素活化

2.无松香1.没加催化剂

2.卤素活化

3.无卤素活化

2.有机的1.水溶解1.没加催化剂

2.卤素活化

3.无卤素活化A.液状

B.固状

C.膏状

2.无水溶解1.没加催化剂

2.卤素活化

3.无卤素活化

3.无机的1.盐1.有氨盐基氯化物

2.没有氨盐基氯化物

2.酸1.磷酸

2.其它的酸


助焊剂特征分类的新趋向

对电子电路而言,根据R,RMA,RA和RSA分类的焊锡助焊剂的旧略图已经不足够了。已知这个事实,IPC 会议和参与委员会委任它的焊接小组更新对 Soldering Electronic Interconnections (IPC-S-815) 一般要求的文件。经过漫长的讨论之后,委员会产生有关助焊剂和助焊剂残余的化学活性的助焊剂基底的改革分类。未来,助焊剂将根据表3-4 的分类列出。

L – 低或没有助焊剂或助焊剂残余活性

M – 中等助焊剂或助焊剂残余活性

H – 高助焊剂或助焊剂残余活性

测试习惯根据以下的分类表去做助焊剂分类。

IPC-S815A文件也细分电子装配为以下三类:

分类一:消费者产品包括电视,玩具,娱乐用的电子产品和非严格审查的消费者产品和工业用的控制零件。

分类二:一般工业产品包括计算机,电视传讯设备,复杂的业务机器,仪器和必然的非严格审查的军事应用产品。

分类三:高可靠性产品包括仪器的持续执行能力被严格审查,仪器不允许有停机时间或是维持生命的仪器。


表3-4

                        助焊剂和助焊剂残余的描述

类型(助焊剂和助焊剂残余的级别)                测  试  要  求

       测试                要求

     L 铜镜没有铜移除或铜镜部份移除的迹象显示在白色背景上的固定面积

银铬酸盐或卤化物通过银铬酸盐测试或<=0.5 percent 卤化物

腐蚀不会有腐蚀。如果有绿/蓝色线条出现在助焊剂金属接口,腐蚀面积会被测试--依照4.5.5.2(银铬酸盐测试)并且一定要通过这些测试要求

     M铜镜在有助焊剂的整个面积上铜镜的部分或全部移除

卤化物<=0.2 percent 卤化物

腐蚀少量腐蚀是可接受的,这提供了助焊剂或助焊剂残余可通过此分类的铜镜或卤化物的要求。较多的腐蚀会把样本或助焊剂归于  H类型。

     H铜镜在有助焊剂的整个面积铜镜完全移除

卤化物>2.0 percent 卤化物

腐蚀大部份腐蚀的迹象

  *铜的污点或减少铜薄膜的厚度是不会影响到助焊剂的归类。

 **未能通过银铬酸盐测试中的卤化物测试的要求。这是为了考虑到L 类型的

   要求。


L0 类型助焊剂:全部R, 部份RMA, 和部份低固态免水洗助焊剂。

L1 类型助焊剂:大部份RMA, 和部份RA 助焊剂。

M0 类型助焊剂:部份RA, 部份低固体免水洗助焊剂。










表3-5 依据 IPC-SF-848 标准  定义助焊剂的分类

符号基本材料活化指示

0 或 0没有助焊剂

A松香L0

B松香L1

C松香M0

D松香M1

E松香H0

F松香H1

G树脂L0

H树脂L1

I树脂M0

J树脂M1

K树脂H0

L树脂H1

M有机物L0

N有机物L1

P有机物M0

Q有机物M1

R有机物H0

S有机物H1

T无机物L0

U无机物L1

V无机物M0

W无机物M1

X无机物H0

Y无机物H1


M1 类型助焊剂---大部份为 RA 助焊剂。

H0 类型助焊剂---部份为水溶性助焊剂。

H1 类型助焊剂---全为RSA, 和大部份为水溶性人造活化助焊剂。


低固体助焊剂的定义为液态助焊剂由5 % 或更少的其焊接之后有极少的残余的发挥性物质制成。这是考虑到其钝性性质高于产品的运作温度和不需再被清除,除非测试探头侦测需要,高频率或高温的应用或美观的理由。免水洗型助焊剂是被分类到低固态助焊剂。然而,有些高等一些的固态助焊剂的残余是钝性的而且不会降低产品的可靠度或清洁和清除的需要。




第四章   助焊剂的选择


随着电子装配的日趋复杂与精密,助焊剂的种类也随之增多,所以选择适用的助焊剂是一个科学化的过程。工程人员所挑选的助焊剂不但要配合工程的需要,同时也要注意到避免不良后果及副作用的产生,以下是选择助焊剂时所应注意的要点:

政府规定或厂内自订的规格

对操作人员健康或环境污染之影响

被焊金属表面的清洁程度(PCB或零件脚的焊锡性)

焊接后免清洗或要清洗(水洗或有机溶剂清洗)

助焊剂本身的稳定性

腐蚀的程度

绝缘阻抗

焊点光亮型或消光型

是否有预先涂抹

次手浸焊的作业

起泡,涂抹或喷雾方式涂布PCB

助焊剂残留物多寡之考虑(含零件面及焊接面)

是否方便ATE或ICT的测试

预热温度的配合

钖炉速度的配合

清洗后是否有白斑产生

焊后表面平整干净之考虑

比重使用范围(助焊剂的包容性)

储存安定性之考虑

厂商供货及服务能力之考虑