软钎焊过程与在固相、液相、气相进行的还原和分解、润湿和毛细流动、扩散和溶解、固化和吸附、蒸发和升华等物理化学现象的综合作用有关。而元素的电子结构、原子半径比、电负性状态、化合价和离子化趋势是决定形成接头时固液金属间相互作用性质的主因。与之相应的软钎焊可分为三个基本过程:一是助焊剂的填缝过程,预置的助焊剂进入基体金属间隙,并与基体金属表面的氧化物发生物理化学作用,从而去除氧化膜、清洁基材表面,为钎料填缝创造条件;二是钎料的填缝过程,随着加热温度的继续升高,钎料开始熔化并润湿、铺展,同时排除助焊剂残渣;三是钎料与基材相互作用的过程,在熔化的钎料作用下,小部分基材金属原子溶解于钎料,同时钎料原子扩散进入基材中,在固液界面还会发生一些复杂的化学反应。当钎料填满间隙、保温一定时间后,开始冷却凝固形成钎焊接头。
当两个基体金属用钎料连接在一起时,由于钎料分别和两个基体金属连接在一起形成两个连接界面,从而建立了金属的连续性,这种金属间的连接称为冶金连接。每个焊点至少有两个这样的连接界面。从基体金属A到基体金属B的金属连续性结构主要为:基体金属A→基体金属A与钎料的连接界面(a)→钎料→钎料与基体金属B的连接界面(b)→基体金属B,如图2.1所示。实际上,为了理解焊接的基本过程,只需要考察其中一个连接界面的形成过程就够了。
图2.1 连接界面
软钎焊工艺主要包括以下内容。
① 被焊材料的表面处理:包括清除油污、氧化膜等,有时还需要进行表面镀覆各种有利于焊接的金属。
② 装配和固定:保证被焊材料间的相互位置不变。
③ 钎料和助焊剂位置的最佳配置:使得液态钎料能够在纵横复杂的钎缝中获得最理想的走向。
④ 正确选择钎焊工艺参数:包括温度、升温速度、保温时间、冷却速度等。
⑤ 钎焊后的清洗:除去可能引起腐蚀的助焊剂残留物或影响焊点外形的堆积物。
⑥ 必要时,焊点连同整个被焊材料还要进行焊后涂覆防护等,以提高可靠性。
本书主要讲述波峰焊接、再流焊接、局部焊接及手工焊接的工艺步骤,因工艺方法不同,实际软钎焊工艺步骤可根据其特点而发生变动。
一切能够使被焊材料按照一定条件升温的热源均可用于软钎焊加热。电子工业中软钎焊加热的方式主要有金属浴加热、蒸气浴加热、气相加热、电阻加热、电烙铁加热、电炉加热、火焰加热、光束加热、红外线加热、激光束加热、电子束加热、电磁感应加热等,本书主要讲解金属浴加热(波峰焊接)、气相加热(热风再流焊接)、蒸气浴加热(汽相再流焊接)、激光束加热(激光再流焊接)和电烙铁加热(烙铁焊接)。
可焊性(Solderability)是指材料易于进行软钎焊连接的能力,即在一定焊接条件下,基体金属在组装中是否易于获得优良焊接接头的能力或焊接的难易程度。对于那些易于实现软钎焊连接的材料,常称之为可焊性优良的材料,易于采用一般的焊接方法和工艺,不易产生裂纹、气孔等缺陷,焊接接头有一定的力学性能。反之,则认为其可焊性不佳。
可焊性的优劣,在很大程度上取决于基材-钎料体系的湿润状态。一般来说,如果钎料对基材的湿润性能良好,则可焊性通常也比较好。因此,人们习惯于用润湿情况来评价和表明可焊性。润湿性是两种材料亲和性好坏的一种量度,如 PCB 焊盘铜箔本来是可焊的,然而由于固体金属表面存在原子不饱和的力场,故极易被污染,在铜箔表面形成锈膜或阻挡层,使表面能减小,从而导致润湿性不良,使基体金属变得不可焊。因此,润湿性是形成优良焊点的基本前提。润湿的程度可以用钎料在基体金属上的接触角来表征。当接触角≤90°时,认为焊点是合格的;当接触角>90°时,则认为焊点不合格(见图2.2)。
图2.2 合格与不合格焊点的接触角
润湿性(Wettability)是固体界面由固-气界面转变为固-液界面的现象。固体的润湿性用接触角表示,当液滴滴在固体表面时,润湿性不同可出现不同形状。进行电子产品的焊接时,基材表面的氧化物在加热过程中会被助焊剂去除,从而改变基材表面润湿性而利于焊接。加热不仅会使助焊剂活化,而且会使钎料的表面张力减小,使润湿作用增强。如果基材与钎料之间没有良好的润湿作用,将导致不润湿或反润湿。图2.3给出了元器件引线在PCB焊盘表面润湿良好时所形成的焊点形态,接触角<90°,并且在焊盘上会留下均匀光滑的钎料层。图2.4给出了所谓的反润湿(或称润湿回缩)焊点形态,已铺展开的液态钎料回缩,使其表面积趋于最小,接触角增大。
图2.3 引线良好润湿时的焊点形态示意图
图2.4 反润湿示意图
造成焊点润湿不良的原因主要有以下两方面:一是基材表面的氧化物未被助焊剂去除干净,使得钎料难以在这种表面上铺展;二是钎料本已良好润湿基体金属,但由于工艺不当(如加热时间过长或温度过高等),使得基材表面易于被钎料润湿的金属镀层完全溶解到液态钎料中,并裸露出来不易被钎料润湿的基体金属表面,或是由于钎料与基体金属相互作用,形成了连续的不易被钎料润湿的化合物相。
值得注意的是,湿润性与可焊性不是完全等同的,如某种钎料在某基体金属上的湿润性能极佳,湿润角接近于零度,但在钎焊时却可能由于其过分流散而不能保持在焊接间隙中,从而不能形成良好的焊点。
在液体的表面张力作用下,液滴与接触平面之间的切线与接触面之间的夹角为接触角;在表面活性剂的作用下,由于表面张力下降,接触角变小,变小后的接触角为润湿角。接触角是用来衡量润湿性好坏的量度。习惯上,在未经特别指明时,通常所说的接触角也指润湿角。
润湿角一般用来评估基材表面被润湿的性能,评判标准详见2.2.4,在此不再详述。