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(shí)現(xiàn)表面組裝元器件焊端或引腳與印制板焊盤之間機(jī)械與電氣連接的軟釬焊。

本篇文章通過焊接概述、焊接機(jī)理兩方面對回流工藝中的錫膏焊接特性進(jìn)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(kuò)散結(jié)合層——冷卻后形成焊點(diǎn)。

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(jìn)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(kuò)散、溶解、冶金結(jié)合，形成結(jié)合層。

焊接機(jī)理

熔融的焊料在經(jīng)過助焊劑凈化的金屬表面上進(jìn)行浸潤、發(fā)生擴(kuò)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(diǎn)。

焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)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(diǎn)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。互溶程度取決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(shí)現(xiàn)高度自動化與高速度。當(dāng)焊膏達(dá)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(xì)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(xì)作用能夠促進(jìn)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(xì)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(xì)管現(xiàn)象利于焊接 。

4、擴(kuò)散

擴(kuò)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(qiáng)度的關(guān)系:

◆ 厚度為0.5μm時抗拉強(qiáng)度最佳；

◆ 0.5~4μm時的抗拉強(qiáng)度可接受；

◆ ＜0.5μm時，由于金屬間合金層太薄，幾乎沒有強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)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(fù)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。