SMT回流焊溫度解析之錫膏焊接特性

SMT回流焊工藝簡介

SMT回流焊工藝是通過重新熔化預(yù)先分配到印制板焊盤上的膏狀軟釬焊料，實現(xiàn)表面組裝元器件焊端或引腳與印制板焊盤之間機械與電氣連接的軟釬焊。

本篇文章通過焊接概述、焊接機理兩方面對回流工藝中的錫膏焊接特性進行介紹。

焊接概述

一、焊接種類

焊接根據(jù)操作方式的不同分為熔焊、壓焊以及釬焊。其中焊接溫度低于450℃的焊接統(tǒng)稱為軟釬焊，回流焊接屬于軟釬焊的一種。

二、焊接過程

主要焊接流程為：表面清潔——焊件加熱——熔錫潤濕——擴散結(jié)合層——冷卻后形成焊點。

在焊接過程中，焊接金屬表面（母材，以Cu為例）、助焊劑、熔融焊料之間相互作用，會涉及到部分物理化學(xué)變化——

1、助焊劑與母材的反應(yīng)

（1）松香去除氧化膜

（2）溶融鹽去除氧化膜

（3）母材被溶蝕

（4）助焊劑中的金屬鹽與母材進行置換反應(yīng)。

2、助焊劑與焊料的反應(yīng)：還原反應(yīng)、活化反應(yīng)、氧化。

3、焊料與母材的反應(yīng)：潤濕、擴散、溶解、冶金結(jié)合，形成結(jié)合層。

焊接機理

熔融的焊料在經(jīng)過助焊劑凈化的金屬表面上進行浸潤、發(fā)生擴散、溶解、冶金結(jié)合，在焊料和被焊接金屬表面之間生成焊縫，冷卻后使焊料凝固，形成焊點。

焊點的抗拉強度與金屬間結(jié)合層的結(jié)構(gòu)和厚度有關(guān)。

1、潤濕

潤濕是焊接的首要條件，焊點的最佳潤濕角θ為Cu——Pb/Sn 15~45 °；當(dāng)θ=0°時，完全潤濕；當(dāng)θ=180°時，完全不潤濕。

（潤濕角θ = 焊料和母材之間的界面與焊料表面切線之間的夾角）

潤濕條件：

（a）液態(tài)焊料與母材之間有良好的親和力，能互相溶解?；ト艹潭热Q于原子半徑和晶體類型，因此潤濕是物質(zhì)固有的性質(zhì)。

（b）液態(tài)焊料與母材表面清潔，無氧化層和其它污染物。

2、表面張力

表面張力使再流焊工藝對貼裝精度要求比較寬松，比較容易實現(xiàn)高度自動化與高速度。當(dāng)焊膏達到熔融溫度時，在平衡的表面張力的作用下，會產(chǎn)生自定位效應(yīng)（selfalignment）。

如果表面張力不平衡，焊接后會出現(xiàn)元件位置偏移、吊橋、橋接、等焊接缺陷。

（自定位效應(yīng)：由于熔融焊料表面張力的作用，回流焊能在焊接時能將微小偏差自動糾正，使元器件固定在正確的位置上。）

3、毛細管作用

在軟釬焊過程中，要獲得優(yōu)質(zhì)的釬焊接頭，需要液態(tài)釬料能夠充分流入到兩個焊件的縫隙中。

回流流焊時，毛細作用能夠促進元件焊端底面與PCB焊盤表面之間液態(tài)焊料的流動。

液態(tài)焊料在粗糙的金屬表面也存在毛細管現(xiàn)象，有利于液態(tài)焊料沿著粗糙凹凸不平的金屬表面鋪展、浸潤，因此毛細管現(xiàn)象利于焊接 。

4、擴散

擴散條件：金屬表面清潔，無氧化層和其它雜質(zhì)，兩塊金屬原子間才會發(fā)生引力，且在一定溫度下金屬分子才具有動能。

錫-銅合金層

錫-鎳合金層

金屬間結(jié)合層的厚度與抗拉強度的關(guān)系:

◆ 厚度為0.5μm時抗拉強度最佳；

◆ 0.5~4μm時的抗拉強度可接受；

◆ ＜0.5μm時，由于金屬間合金層太薄，幾乎沒有強度；

◆ ＞4μm時，由于金屬間合金層太厚，使連接處失去彈性，由于金屬間結(jié)合層的結(jié)構(gòu)疏松、發(fā)脆，也會使強度小。

金屬間結(jié)合層厚度（μm）

金屬間結(jié)合層厚度與抗拉強度的關(guān)系

金屬間結(jié)合層的質(zhì)量與厚度與以下因素有關(guān)：

◆ 焊料的合金成份和氧化程度；

◆ 助焊劑質(zhì)量（凈化表面，提高浸潤性）；

◆ 被焊接金屬表面的氧化程度；

◆ 焊接溫度和焊接時間：焊點和元件受熱的熱量隨溫度和時間的增加而增加，金屬間結(jié)合層的厚度與焊接溫度和時間成正比。

總結(jié)

錫膏焊接是SMT回流工藝中的重要環(huán)節(jié)之一，操作不當(dāng)可能會對產(chǎn)品的性能及可靠性產(chǎn)生負面影響，需要注意過程中對溫度的控制和質(zhì)量要求。

后續(xù)將以專欄的形式繼續(xù)分享SMT回流焊溫度解析相關(guān)內(nèi)容，敬請關(guān)注。