基礎(chǔ)冶金學與波峰焊接趨勢1
基礎(chǔ)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(gòu) 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(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(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(jīng)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(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 來滿足設(shè)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(gòu)成電路裝配的非類 似的材料。在一個裝配上發(fā)現(xiàn)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(guān)注的問題，因為 需要第一次就產(chǎn)生適當?shù)倪B接，并在裝配上不進行返修，今天的產(chǎn)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(jīng)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(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(tǒng)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(chǎn)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?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(tǒng)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(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。 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(shù)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(shù)和更大的擴散控制特性的穩(wěn)定性是強鍵結(jié)合和有序結(jié)構(gòu)的結(jié)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(chǎn)量的增強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(diào)節(jié)成本增加與電子 裝配性能改善之間的關(guān)系。只有當裝配使用在腐蝕性環(huán)境時，成本才調(diào)節(jié)過來。在冶金 學上，焊錫可看作是構(gòu)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(tǒng)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(shù)(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(shè)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(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(jié)核。轉(zhuǎn)換固相的轉(zhuǎn)化動能被固 體轉(zhuǎn)變遠遠超過。當室內(nèi)空氣冷卻固溶體時，剩下的液體可能經(jīng)歷共晶反應，在室溫下 在非共晶成分中給出共晶微結(jié)構(gòu)。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(jù)報道，在α片之前沒有溶質(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)過冷，盡管這個現(xiàn)象不是平面不穩(wěn)性的充分條件5。在微 結(jié)構(gòu)中，有時使用名詞微組元(microconstituent)是方便的，即，具有可確認和有特征 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(shè)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(xiàn)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(guān)注，由于其毒性和再生利用的處理不當6。轉(zhuǎn)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(chǎn)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?shù)脑?。如果不遵循適當?shù)男l(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(shù)量的來源 與現(xiàn)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(xié)會(NEMI, National Electronics Manufacturing Initiative)的目標是到2001年用生產(chǎn)無鉛替代品的能力裝備北美。該組織正打算與其它 機構(gòu)聯(lián)合為其可制造性開發(fā)標準，其它機構(gòu)的方向集中在選擇替代品，編寫世界范圍的 數(shù)據(jù)庫和收集材料特性數(shù)據(jù)。 工藝上關(guān)注的問題 　 國際錫研究協(xié)會(ITRI, International Tin Research Institute)開辦了SOLDERTEC，一個無鉛焊接技術(shù)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 ...
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