虚焊现象发生的条件
虚焊现象发生的条件
现象1:
表面不润湿,焊点表面呈粗糙的形状、光泽性差、润湿性不好(润湿角θ>90度) ,如图1所示。此时钎料和基体金属界面之间为一层不可焊的薄膜所阻档,界面层上未能发生所期望的冶金反应(形成适当厚度的合金层Cu6Sn5+ Cu3Sn )。 这是一种显形的虚焊现象,从外观上就能判断。
现象2:
表面润湿,但钎料和基体金属界面未发生冶金反应(未形成适当厚度的合金层Cu6Sn5+Cu3Sn ) ,如图2所示。它是一种稳形的虚焊现象,外观不易判断,因而危害极大。
1.2
1.2 虚焊的判据
上面所表述的两种不同的虚焊现象,其共同特点都是结合界面未发生冶金反应,未形成合适厚度(1.5~3.5) μm 的合金层。因此,接合界面上是否形成了合适厚度的铜锡合金层就构成了虚焊现象的唯一判据。此时若将焊点撕裂,就可发现钎料和基体金属之间相互成犬牙交错状的裂痕,即基体金属上有钎料残留物,钎料上也有基体金属的痕迹。相反,若将虚焊点撕裂时,在基体金属和钎料之间没有任何相互楔入的残留物,
而是很清楚的相互分开,好似用浆糊粘往的一样。
3.1 虚焊现象1 的发生条件虚焊现象1的特征是:既未发生润湿又未发生扩散,好似用浆糊粘住似的,这种接头不能叫钎接,只能叫粘可焊性差甚至不可焊。其形因不外乎是:
⑴ 外部原因
外购PCB 、元器件等可焊性不合格,进入公司库房前未进行严格的入库验收试验; ⑵ 库存环境不良,库存期大长
由于储存环境和储存期限与保持PCB 和元器件良好的可焊性有着密切的关系。因此,PCB 和元器件的存储环境必须具备恒温、恒湿、空气质量 好,无腐蚀性气体(如硫、氯等) 和无油污的环境中储存。否则会导致可焊性劣化。
多数助焊剂只能除掉锈和氧化膜,而不能去除油脂那样的有机薄膜。如果元器件和PCB 在储存过程中,PCB 和元器件上沾上了油脂等污染物后,会产生锡、铅的偏析和针孔,降低焊接强度。也容易在铅的偏析和钎料界面上产生裂纹,从外现看并无异常,但却是潜伏着影响可靠性的因素。
储存期的长短应视地区(例如南方、北方) 和当地的空气质量而定,一般希望库存期愈短愈好。 例如PCB 在大气中放置一个月后,可焊性明显变差且容易附着气泡(吸潮) ,如图9所示。特别是在拆除真空封装状态上线插件后,在湿热或空气污染厉害的地区在流水线上滞留时间最好不要超过24小时就完成焊接工序。
3.2 虚焊现象2的发生条件
3.2.1 虚焊现象 2形成 的物理过程
虚焊现象2 的特征是:发生了润湿但未发生扩散,它表明了PCB 及元器件的可焊性不存在问题,出现此现象的根本原因是焊接的工艺条件选择不合适。
我们知道软钎接过程中原子的扩散现象是双向的,即:
⑴ 被焊金属(基体金属) 向钎料中的扩散
被焊金属在钎料中的溶解条件是:钎料和被焊金属在液态下能够互溶,则在钎接过程中被焊金属就能溶于液态钎料。被焊金属在液态钎料中的溶解量可用下式表示:
G =ρy Cy ( 1 - e )
( 5 ) 式中: G ─ 被焊金属的溶解量;
ρy ─ 液态钎料密度;
Cy ─ 被焊金属在液态钎料中的极限溶解度;
Vy ─ 液态钎料的体积;
a ─ 被焊金属原子在液态钎料中的扩解系数;
t ─ 接触时间;接。形成虚焊现象1的根本原因就是基体金属表面不洁净,表面氧化或者被脏物、油脂、手汗渍等污染而导致表面可 s ─ 液相和固相的接触面积。
由公式( 5 ) 可以看出:随着钎接温度的提高和钎接保温时间的延长, 被焊金属在液态钎料中的溶解量都会增多。温度对溶解量的影响,主要反映在式( 5 )中溶解度系数 a 的增大上,如图10所示。
若钎料与被焊金属能形成金属间化合物时,由于金属间化合物的出现,阻碍了被焊金属向钎料中的溶解速度。在化合物形成的温度曲线上表现出溶解速度有所下降,如图11所示。
被焊金属向钎料中扩散过程,由于被焊金属元素溶于钎料中,与钎料成分起合金化作用。因而使得钎接接头性能提高了,例如Sn 的抗拉强度σb =1.5kg / mm2
,而形成铜、锡合金层后
的接头抗拉强度提高到σb = 5.7kg / mm2。
当然被焊金属溶于钎料的量不适当(偏多) 时,也是带来使钎料熔点提高、流动性变差、被焊金属出现溶蚀等不良后果的原因。
⑵ 钎料组分向被焊金属中扩散
由Fick 定理可知:在一定的温度下,钎料组分中的Sn 向被焊金属中的扩散量也是与加热的时间成正比的,它表明了适宜的合金层的形成是需要时间的。
因此焊接温度偏低,焊接时间偏短是造成虚焊现象2发生的主要原因。
3.2.2 波峰焊接中如何控制合金化过程
波峰焊接中PCB 通过波峰时其热作用过程大致可分为三个区域,如图12所示。
⑴ 助焊剂润湿区
被覆在PCB 板面上的助焊剂,经过预热区的预热,一接触钎料波峰后温度骤升,助焊剂迅速在基体金属表面上润湿、漫延。受温度的剧烈激活,释放出最大的化学活性迅速净化被焊金属表面。此过程大约只需0.1秒的时间即可完成。
⑵ 钎料润湿区
经过助焊剂净化的基体表面,在基体金属表面吸附力的作用下和助焊剂的拖动下,迅速在基体金属表面上漫流开来。一旦达到钎料的润湿温度后,润湿过程便立即发生。此过程通常只需10-3 sec即可完成。
⑶ 合金层形成区
钎料在基体金属上发生润湿后,扩散过程便紧随其后发生。由于生成最适宜厚度的合金层(3.5μm 左右) 需要经历一段时间过程。因此,润湿发生后还必须有足够的保温时间,以获得所需要厚度的的合金层。通常该时间为(2~5)sec 。保温时间之所以要取一个范围,主要是受被焊金属热容量的大小而不同。热容量大的,升温速率慢,获得合适厚度的合金层的时间自然就得长一些;而热容小的,升温速率快,合金层的生成速度也要快些,因而保温时间就可以取得短些。对一般元器件来说,该时间优选为(3~4)sec 。
4 虚焊的预防
4.1 强化对元器件可焊性的管理
4.1.1 严把外协、外购件入库验收关
必须将可焊性不良的PCB 和元器件拒之门外,因此,必须严格执行入库验收手续:
⑴ 每批外购元器件到货后,均必须抽样怍可焊性试验,合格后才可正式入库。对一般元器件的引脚采用弯月面润湿法测量可焊性时,当钎料槽温度取250℃时润湿时间应<0.6sec 。经过可焊性测试的元器件可以继续装机使用。
⑵ 每批外协的PCB 到货后应任意抽取三块采用波峰法作可焊性测试,合格后才能接收。由于经过可焊性试验后的PCB 不能再使用,因此,每批订购时必须多加三块作工艺试验件。
4.1.2 优化库存期的管理
⑴ 所有PCB 和元器件必须在恒温、恒湿、空气质量 好,无腐蚀性气体(如硫、氯等) 和无油污的环境中储存。
⑵ 考虑到可焊性的存储期限, 所有元器件必须实行先入先出的原则,以免造成一部 分元器件因库存期过长而导致可焊性恶化。
⑶ 储存期的长短应视地区(例如南方、北方) 和当地的空气质量而定,一般希望库存期愈短愈好。例如PCB 在深圳的湿热环境下最好不要超过一个月。在拆除真空封装状态上线插件后,在流水线上滞留时间最好不要超过24小时就完成焊接工序。
4.1.3 加强工序传递中的文明卫生管理
⑴ 工作人员应穿戴防静电衣、鞋和手套,并经常保持其洁净;
⑵ 由于指纹印是最难去除的污染,是传递过程中造成可焊性不良的原因。因此在操作过程中,任何与焊接表面接触的东西必须是洁净的。PCB 从保护袋中取出后,只能接触PCB 的板角或边缘,在需要对PCB 进行机械安装操作时,应戴上符合EOS/ESD防护要求的手套并经常保持其洁净。
4.2 选择正确的工艺规范
工艺规范选择不当,是造成虚焊现象2 的关键因素。因此,在钎料槽温度取定为250℃的前提下,必须确保合金化的时间在 (3~4)sec 之间。