第2章
焊接基础

2.1 软钎焊工艺

电子组装焊接采用的是软钎焊工艺，是用熔融的填充金属（焊料）使接合点表面润湿且在两个金属部件之间形成冶金的键合。在钎焊工艺中，把焊料熔点低于450℃的归为软钎焊，高于450℃的归为硬钎焊。软钎焊是电子制造最主要的连接技术，包括现代电子工业的l级（IC封装）和2级（电子元器件组装到印制电路板上）封装工艺。

钎焊工艺不同于熔焊工艺。熔焊工艺是通过加热、施加压力，或者两者都有，把被焊接材料融合在一起。熔焊时可以使用也可以不使用填充材料，将熔焊部位几种母体金属在塑性状态或液态时熔合在一起。与之相反，钎焊只有在填充材料，即焊锡的帮助下才能完成。液态的焊锡注入两个母体金属之间，这两个母体金属本身都没有熔融，形成连接是润湿/扩散的结果。钎焊与熔焊的区别如图2-1所示。

2.2 焊点与焊锡材料

焊点与焊锡材料是有区别的。焊点和焊锡材料的微观结构分别由各自的组成元素决定，但是在形成焊点的界面时，PCB焊盘和元器件引脚或焊端中的元素会自然地进入焊点中，影响焊点的微观结构——镍基焊盘界面上的Sn-37Pb焊点的微观结构与铜基焊盘界面焊点上的微观结构是不一样的。从应用和可靠性的角度看，必须考虑焊点的微观结构，而焊点包括焊锡部分（焊料部分）、焊锡与元器件引脚或焊端的界面、焊锡与PCB焊盘的界面三部分，如图2-2所示。

2.3 焊点形成过程及影响因素

电子产品的焊接是通过加热和助焊剂的应用，将助焊剂活化，去除被焊接表面的氧化膜，使焊料液化并完成润湿与扩散过程，形成焊点。具体讲，焊点的形成包括以下两个过程：

（1）焊料的熔化与再结晶。

（2）焊料在基底金属（如Cu）表面的润湿、基底金属的溶解与扩散、界面反应并形成金属间化合物（IMC），如图2-3所示。通常所讲的焊接工艺原理主要指这个过程。

焊点的形成涉及被焊接金属（及其可焊性）、焊料合金、助焊剂和加热等四方面，通常将其称为影响焊接的四大因素，它们之间的关系与相互作用如图2-4所示。

加热使助焊剂活化、焊料润湿被焊接金属表面，形成焊点。不管是再流焊接、波峰焊接，还是烙铁焊接，加热都是最重要的工艺条件，它必须满足以下两个相互矛盾的要求：

（1）焊接表面必须足够热，以便使焊料润湿。

（2）被焊接元件不能热到使它们损坏的温度。

助焊剂具有清除被焊接表面氧化物和防止被焊接金属表面再次氧化的两个重要功能。它是熔融焊料能够润湿被焊接表面的主要原因，也是影响焊点形状的重要因素。在实际焊接过程中，发生不润湿、弱润湿、不熔锡等现象，除了与被焊接表面本身的可焊性不良有关，还与助焊剂的去氧化和防止再氧化能力有关。

2.4 润湿

润湿，在IPC-T-50中的定义是“焊料在金属基底上形成相对均匀、光滑、连续的附着膜”，表示液态焊料和被焊接零部件（PCB焊盘和元器件电极）表面发生了特殊的相互作用，它是实现焊接的基本条件。当把一片固态金属浸入液态焊料槽时，金属片和液态焊料之间就产生了接触，但这并未自动润湿，因为有可能存在着阻挡层。图2-5所示为铜片润湿试验，铜片是否被焊料润湿，只有把铜片从焊料槽中抽出来才能观察到。

润湿只有发生在焊料能够和固态金属表面紧密接触时，才能保证足够的吸引力。如果被焊接金属表面上附着有任何污物，如氧化层，都会妨碍润湿，如图2-6所示。在被污染的表面上，一滴焊料的表现与沾了油脂的平板上一滴孤立水滴的表现是一样的。

如果焊接温度过低，就会得到在基底金属和焊料之间仍然有氧化层存在的焊点，这种焊点通常称为冷焊点，它也是虚焊点的一种。这种焊点的导电性相当差，因为电流需要通过绝缘的氧化膜；附着力也很差，使用中会因应力（如热应力、机械应力）而断开。在手机制造中，经常会利用氧化层导电性差的特性检测BGA封装的球窝不良。

如果表面是清洁的，焊料就会铺展表面，这种情况如图2-7所示。焊料的原子能够和基体原子非常接近，因而在彼此相吸的界面上形成合金，称为金属间化合物（IMC）。这种合金保证了良好的电接触和附着力。焊料和基底金属一旦在界面上形成了金属间化合物，以后就再也恢复不到润湿前的那种状态了。这一点非常重要，提示我们，诸如BGA那样的封装，在再流焊接过程中，首先必须确保熔融焊料润湿被焊接金属表面。一旦此过程完成，封装的变形就不会对焊点的形成造成影响。

焊料润湿是一个非常重要的概念，对焊点的形成、形状与可靠性至关重要，实际上润湿性也是软钎焊过程中屈指可数的可用数字表达的重要参数之一。在焊接中决定润湿的首要因素是Sn本身的表面张力，它是决定润湿现象的主要推动力。其他的影响因素还包括焊接的温度、金属溶解度、在焊料与金属基底之间的化学反应及基底金属与焊料的表面氧化状况。焊料与电极的润湿机理如图2-8所示。

下面简要介绍影响焊料润湿的主要因素。

2.4.1 焊料的表面张力

为了能够进行焊接，焊接材料首先必须加热到熔融状态，然后熔融的焊料会润湿基底金属表面，类似于任何其他的润湿现象。在基底金属上液态焊料的润湿必须符合界面张力的物理平衡规则，它们的关系可由下式表达（式中意义参见图2-26，注意焊点表面覆盖助焊剂，这点有所不同）：

γ _s = γ _ls + γ _l ×cos θ

式中， γ _s ——基底金属和助焊剂流体之间的界面张力；

γ _ls ——熔化焊料与基底金属之间的界面张力；

γ _l ——熔化焊料与助焊剂流体之间的界面张力；

θ ——液态焊料和基板之间的接触角。

这个公式称为杨氏方程，其意义见2.6节。由杨氏方程可知，当接触角伸展到某一 θ 值时， γ _s 和（ γ _ls + γ _l ×cos θ ）这两个矢量力达到平衡，在固体表面上的液体扩散达到了平衡稳定状态。

在电子工业焊接的应用中，我们所期望的焊点要有好的焊缝形状，这样可以减小应力集中。为了达到此目的，焊料扩散需要一个小的 θ 值。采用化学和物理方法，两者都可获得小的 θ 值。物理方法是在焊接过程中，处理所要焊接材料的表面张力。原则上采用低表面张力的助焊剂、高表面张力即高表面能的基板及低表面张力的焊料，这些都支持小的接触角 θ 的形成。图2-9为焊盘表面能对熔融焊料及助焊剂扩展的影响。

2.4.2 焊接温度

焊接温度对润湿性有很大影响。一般在不发生氧化的气氛下，温度越高润湿性越好，这与表面张力和界面反应有关。

对于纯金属，表面张力与温度关系如下式所示，大致呈现线性的下降关系：

γ _m = A-B · T

式中， A 、 B 为材料常数； T 为温度。

Sn-40Pb合金表面张力随温度的变化如图2-10所示。

2.4.3 焊料合金元素与添加量

焊料合金元素的种类和添加量对润湿性的影响也很大。图2-11所示是Sn-Pb、Sn-Bi、Sn-Sb二元合金的表面张力与组分的关系，这些焊料的表面张力都会随着合金元素含量的增加而减小。但Cu、Ag、P等元素的添加却没有取得一样的结果。另外，Zn元素会使润湿性明显下降，这可能是因为Zn的氧化带来的影响比较大。

Sn的氧化膜非常致密，即使在真空中也不能忽略其对润湿性的影响。工业生产中的焊接一般都是短时间内在大气中进行，为除去Sn的氧化膜，一般都使用助焊剂。助焊剂的活性越高，氧化控制得越好，润湿性就越好。在使用助焊剂后润湿性仍然达不到要求的情况下，可以采用氮气等惰性气体或氢气等还原性气体进行焊接。氢气只有在高温下才能具有还原作用，低温下可以使用甲酸气体。

PCB和元器件电极的表面处理工艺和状态对润湿性能也有很大的影响。图2-12（a）对比了Cu基Im-Sn（浸锡）和OSP（Organic Solderability Preservatives，有机保焊膜）两种表面处理工艺在100℃时效1h后的润湿性（2s）变化情况。OSP处理的样品其润湿性随着温度的上升而降低，推测是因为OSP在温度超过100℃时产生分解，氧化开始进行。与此相反，Im-Sn处理的样品没有氧化迹象。另外，PCB和元器件的保存环境对润湿性也有很大的影响，如图2-12（b）所示，湿度升高能够促进Sn氧化膜的生长，造成润湿性下降。这就是我们在做可焊性试验时采用蒸汽老化的原因。

2.4.4 金属在熔融Sn合金中的溶解率

在金属基板上熔化焊料的润湿还不足以形成冶金的键合。要获得良好的焊点，这种键合是必需的。为了形成冶金键合，焊料和固体金属必须在原子级别上混合。

电子元器件的焊接，不仅温度比较低，而且焊接的时间也短，经常不超过几秒（如烙铁焊接、波峰焊接），最多也就几十秒。这是由于材料的限制和生产效率方面的考虑，所以基底金属要能容易和快速地溶入焊料。在过去几十年里，普遍选用锡-铅系统焊料，可接受的基底金属或金属涂层包括（但不限于）：锡、铅、铋、金、银、铜、钯、铂和镍等。一些金属涂层在Sn-40Pb中的溶解率d C /d t 是温度的函数，如图2-13所示，Arrhenius做了以下相关的描述：

d C /d t ∝exp[ -E /（ kT ）]

式中， C 是基底金属的浓度， E 是活化能量， k 是玻尔兹曼常数， T 是温度（开氏温度）。基底金属在焊料中的溶解率也是时间的函数：

d C /d t = KA （ C _s -C ）/ V

式中， C 是基底金属的浓度； C _s 是给定的温度下，在熔融的焊料中的溶解金属的浓度阈值； t 是时间； K 是溶解率常量； A 是润湿表面面积； V 是熔化的焊料体积。由此公式推出， C 与 t 的关系如图2-14所示。 C 到达平衡浓度时与 t 成反指数关系。

基底金属进入焊料的溶解率并不仅仅是时间、温度、基底金属类别的函数，也是焊料合金类别的函数。

大体上说，金属涂层的可润湿性随着其在焊料中溶解率的增加而增加。由于这点我们可以用工艺参数来控制溶解率。

虽然基底金属的溶解率是形成冶金键合的要素，但太大的溶解率会导致严重的浸析问题，从而损伤冶金键合，同时，也会引起焊料成分的重大变化，从而造成焊点可靠性的下降。这种情况并不是我们想要的。

2.4.5 金属间化合物

金属间化合物（Intermetallic Compound，IMC）是指由两个或更多的金属组元或类金属组元按比例组成的具有金属基本特性和不同于其组元的长程有序晶体结构的化合物，如图2-15所示。

焊接不仅仅是基底金属在熔融焊料中的物理溶解，也包括在基底金属和焊料成分之间的化学反应。这个反应的结果是在焊料和基底金属之间形成了金属间化合物（IMC）。在由两个元素组成的金属间化合物中，如果一个在性质上是强金属，另一个是弱金属，则往往会形成很稳定的金属间化合物，如金属间化合物Cu ₆ Sn ₅ 和Ni ₃ Sn ₄ 。金属间化合物往往很硬很脆，这是因为它们有低对称性的结晶结构，且它限制塑性流动。

金属间化合物的形成对焊接的影响有：①由于金属间化合物层的扩散阻挡作用，减慢了基底金属融入焊料的溶解率；②因为金属间化合物的氧化，使涂锡表层的可润湿性退化。

1.提高润湿性能

表面能量不平衡会导致能量释放，这有利于焊料的扩散。在液体锑、镉、锡和基底金属铜之间，金属间化合物的形成，其表面自由能大约高出基底金属铜两个数量级。因此润湿性随着金属间化合物形成率的增加而增加，它由金属间化合物的形成率来确定。

与基底金属在焊料中的溶解相似，金属间化合物的形成率也是时间、温度、基板金属层的类别和焊料类别的函数。图2-16展示了锡铅共晶焊料在铜基板上润湿的铜-锡金属间化合物的生长。通过减少时间和降低温度，可减小金属间化合物的厚度。在低于焊料熔点的温度下，金属间化合物以很缓慢的速率继续增长，参见图2-17。几种焊膏再流焊接后立即产生的金属间化合物厚度见表2-1，Sn-37Pb、Sn-36Pb-2Ag和Pb-50In焊料在铜上产生较厚的金属间化合物，在Au/Ni/W金属涂层上产生较薄的金属间化合物。

2.溶解的阻挡层

一般来说，金属间化合物的熔点温度比电子工业所用的焊接温度更高，它在焊接过程中保持固体状态。对于很多系统，在熔融焊料和固体金属之间，金属间化合物形成一层连续层，可由图2-18所示的金属间化合物Cu ₃ Sn来说明，IMC形成后降低了基底金属原子通过金属间化合物层的扩散速率。这种现象是因为固态扩散过程大概比固体—液体反应要慢两个数量级。结果是基底金属融入焊料的溶解率降得非常低了。

然而，并不是所有的金属间化合物都形成层结构，例如，在共晶Sn-Pb焊料和铜之间形成的金属间化合物Cu ₆ Sn ₅ ，就在熔融的焊料里长成了扇形晶粒。在扇形晶粒之间，熔融焊料通道一直伸展到铜界面。进行时效处理时，这些通道可帮助铜在焊料里快速扩散和溶解。在铜和无铅焊料Sn-2.5Ag-0.8Cu-0.5Sb之间也形成类似Cu-Sn化合物的结构，如图2-19所示。

金属间化合物形成的结构不易预测，在熔融Sn-37Pb焊料与Pd基板间形成的金属间化合物Pd-Sn呈薄层结构，插入熔化焊料中而不形成扩散阻挡层，如图2-20所示。生长的方向是垂直于液体/固体间界面的，焊接时熔融焊料在薄层之间快速扩散。然而如果钯与熔融锡（无铅）相接触，金属间化合物Pd-Sn形成率要慢一个数量级，可观察到没有薄层结构，且在锡和钯之间生长为扩散阻挡层的金属间化合物。

3.对氧化的敏感程度

虽然金属间化合物的构成在焊接工艺中增强了润湿，但形成的金属间化合物的可焊性事实上要比基底金属本身差。有人对Cu、Cu ₆ Sn ₅ 和Cu ₃ Sn的几个固体试样在235℃时的可焊性进行了评估。他们使用Sn-40Pb焊料的熔槽润湿平衡法，对于新鲜制成的固体试样，如果采用R型助焊剂，则铜的润湿性要好于Cu ₃ Sn和Cu ₆ Sn ₅ 。如果用适度活化的RMA型助焊剂，则可减小其润湿性的差异。然而，如果固体试样于测试前在室温下储存了3天，并使用R助焊剂，所有三个试样的可润湿性将会退化，铜要比Cu ₆ Sn ₅ 稍好些。当使用RMA助焊剂时，对于铜储存的影响可以忽视，但两种金属间化合物由于储存，其润湿性遭受相当严重的退化。

上述的结果表明，金属间化合物对焊料是可润湿的。Cu ₆ Sn ₅ 的润湿性要比Cu ₃ Sn的稍微好一些，可是在储存后，这两种化合物的润湿性比起铜来迅速退化了许多。金属间化合物氧化的弱点，影响到储存寿命。储存寿命与涂锡层相关，可焊性问题与返工工艺有关。我们认为金属间化合物在其表面涂锡层没有被破坏的情况下，在其内部可以发生氧化反应。一旦表面涂锡层在焊接中熔化，就会出现润湿困难的问题。一般来说，润湿性随初始焊料涂层的厚度下降，并随金属间化合物厚度的递增而下降。对于浸锡涂层（Im-Sn）印制电路板，从工艺的角度，我们希望最小厚度为1.5 μ m，被定为组装操作中（包括多次热工序）的临界值。但是，国内很多PCB厂最多只能做到1.2 μ m，这是目前Im-Sn没有广泛应用的主要影响因素之一。

2.5 相位图和焊接

相位图是热力学平衡状态时相位的描述，它是成分和热力学参数（如温度）的函数。它不仅有利于提供大概的相位组成，还提供了组成成分的熔化温度。由于热力学的性质，相位图不能预测运动的性质，如在成分之间的反应率和润湿特性、在氧化基底金属上的润湿速度；另外，也不能预测焊点各种相位的形态。

焊接通常是包括化学反应的短暂过程，但在本质上是高度动力学性质。适当地使用相位图和补充的信息，会更深入地理解并能预测焊接的一些性能。相位图应用于焊接中可由下面的例子得到说明。

对于Sn-Pb焊料系统，二元共晶体相位图可参看图2-21，各种成分的焊接特性用成分A、B和C加以说明。

对于成分B（Sn-30Pb），在固相线的温度为183℃时焊料开始熔化，但在液相线的温度达257℃以前，并不完全转变成液体。固相线告知其使用温度上限必须低于183℃。257℃的液相线告知如焊接温度低于257℃，焊料将呈黏滞性糊状。这将不可避免地导致在形成焊点时焊料的不良扩散。然而如果要确保适当的流动，焊接温度需要比257℃更高。所需要的高的工艺温度将导致很多的电子部件热损坏，因此排除此种焊料成分将作为电子工业互连应用主流的选择。

较宽的黏滞性糊状范围是这种焊料的另外一个缺点，这会引起焊缝剥离。此现象可在波峰焊接时见到，焊缝是从焊盘边缘沿着焊料—基板的界面翘起的，如图2-22所示。产生原因是焊料和元件之间的热膨胀系数不匹配，但较宽的黏滞性范围更进一步加重了此现象。

对于成分C（Sn-37Pb），焊料是共晶合金，在183℃时即刻由固体转变成液体。与相邻的成分比较焊料的黏度是最小的，参看图2-23。其低黏性及熔融焊料与基底金属的相互作用，在焊接中推动焊料快速地扩散。由于在扩散特性上占优势，因而共晶合金焊料首先被选用，它比亚共晶和过共晶成分焊料应用得更广泛。

对于成分A（Pb-3Sn），焊料固相线为316℃、液相线为321℃有一黏滞性糊状范围。此狭窄的黏滞性范围，在超过340℃的高温下，焊料具有良好的润湿性，因此它可用于特殊焊接应用中，如倒装芯片C4（可控塌陷芯片载体）的连接。

2.6 表面张力

液体焊料在表面上铺展的范围或流进两种以上表面间缝隙的程度与作用在界面间的表面张力有关。

2.6.1 表面张力概述

液体的表面张力 γ ₁ 是一个热力学的量，其值等于为增大（等温地）液体表面积所需要做的功。根据这个定义，表面张力是具有单位面积能量的量纲（J/m ² ）。由热力学知识得知：一个系统总是力求使其自由能最小，因此也就是表面积最小。所以一滴悬浮的液滴呈球形，因为球形在给定体积下具有最小的表面积。减小表面积倾向的含义是：在曲面两边存在压力差 ΔP ，有

式中， R ₁ 和 R ₂ 是两个曲率半径， R ₁ 总是在纸平面内转动， R ₂ 在与纸平面垂直的平面内转动。当半径在焊料内部时为正，在焊料外部时为负，如图2-24所示。此式是著名的拉普拉斯方程。

对于球形可表示为

在毛细管内垂直液柱具有一个凹形的弯曲上表面，如图2-25所示。当液柱升高到静止表面的水平面以上，即毛细管被液体润湿时，液面是凹形的。考虑弯液面的曲率半径等于毛细管的内半径，则横截弯液面的压力差为

液体内部压力相当于“空气”是负的，因为半径 R 是在液体之外。这种负的液体压力是液体内向下静压力，即 ρgR ，其中 ρ 是液体密度， g 是重力加速度， y 为液柱的高度。因此

图2-26为熟知的液体焊料滴在固态表面上的情况。当属于小液滴的情形，重力可以忽略不计，此小液滴的形状完全由三种表面张力决定，即液体的表面张力（ γ ₁ ）、固体的表面张力（ γ _s ）和液体与固体界面的表面张力（ γ _ls ）。由于假定液体内部压力处处相等，从拉普拉斯方程可知液体表面的曲率是个常数，因此液滴形状为球冠。

由于每个系统都有使自由表面面积达到最小的倾向，因此界面面积和自由表面面积都趋向于尽可能地小。但是，这种情况下，它们之间是互相制约的，一个面积的减小将导致另一个面积的增大。液滴是按照总表面的自由能来确定其形状的。 F _表面 应有其最小值：

F _表面 = γ _s ×固体表面面积+ γ _ls ×界面面积+ γ _l ×液体球形面积

从这个条件可以得到

γ _s = γ _ls + γ _l cos θ

这个公式叫作杨氏方程。从这个公式可以看出，小的润湿角是由小的 γ _l 、 γ _ls 和比较大的 γ _s 值相结合而成的。

氧化物的表面张力明显小于相应的金属值。焊剂与固体表面上的氧化物通过有效反应清除了氧化物，从而引起表面张力 γ _s 增大，也因此促进了润湿。所以，固态金属表面一旦氧化，通常就无法使它润湿。

2.6.2 表面张力起因

某表面的表面张力取决于原子间的键合能。在液态金属里，每个原子大约具有12个近邻原子，可把其总内能看作这些原子间键合能之和。表面层原子比体内原子具有更高的位能，因为包围它的原子不完全。如果表面积增大，更多的原子占据表面上的位置，消耗的能量就增加。原子的键合能和汽化热有密切关系，因为要汽化一个原子，所有和它相邻的原子键都得打开。为了把一个原子从体内移到表面层，这个原子的一部分键必须被打开。所以汽化热和表面张力之间有着某种关系。原子间键的强度还反映在熔点上。事实上熔点高的金属总具有较强的表面张力。

2.6.3 表面张力对液态焊料表面外形的影响

有关液态焊料表面轮廓，可以通过拉普拉斯方程和静压力方程进行数值分析与计算，这里就不深入讨论此问题了，仅给出3张图，如图2-27所示。联系到焊点，我们要认识到焊点的外形遵从一定的规律，与焊点的结构和熔融焊料的表面张力有关，正如堆沙子一样，沙堆的斜度是一定的。

案例3 片式元件焊盘设计与焊点轮廓

片式元件的焊盘设计会影响焊点的形貌，也会影响元器件间距的设计。图2-28为片式元件不同焊盘尺寸所形成的焊缝形貌。可以看到，焊盘长度方向外伸长度越大，所形成的焊缝越倾向于弯月面形貌。如果不外伸，熔融焊锡会爬到元器件焊端两端，形成半圆形的焊缝。

2.6.4 表面张力对焊点形成过程的影响

焊点的形成并非一个完全的焊料滴与界面的反应，而是受元件封装体的热容量及遮蔽而逐渐液化的熔融焊料与界面的反应。焊点轮廓是伴随焊膏逐步熔化而动态形成的，虽然最终的外形与液态焊料一样，但是它有一个中间过程。这个中间过程与焊接良率有很大的关系。我们以一个片式元件焊点的形成过程为例予以说明。

案例4 片式元件再流焊接时焊点的形成过程

片式元件再流焊接时，首先是露出元件封装体的焊膏熔融并润湿焊端，形成向下的拉力，这时片式元件有一个下沉的过程出现。随着温度的升高及元件封装体下焊端的润湿，熔融焊料向底部流动，并且在表面张力作用下，元件又向上浮起。图2-29是根据高速摄像机拍摄的视频绘制的示意图。介绍这个案例，主要目的是帮助读者理解焊点的形成是一个动态过程。从这个过程中我们可以了解到，片式元件在焊料熔融初期有一个下沉过程，正是这样的下沉导致锡珠现象的出现，清楚锡珠产生的时间点，就能够找到解决问题的方法。比如，假如片式元件焊盘不外扩，那么就不会有下沉动作，也就不会产生锡珠。之所以采用外扩的焊盘设计，主要是从焊点可靠性考虑的，但这只有在模板开口内削条件下才能使用。如果模板开口设计时焊盘内侧没有削角，底部熔化的焊料就会被挤出，形成锡球。如果贴片时压力过大，焊膏再外扩，那么锡珠现象就会更严重。

案例5 BGA再流焊接时焊点的形成过程

BGA再流焊接时焊点的形成过程是独一无二的，具有鲜明的特点——焊膏与焊球融合、两次塌落、自动对中，如图2-30所示。BGA再流焊接预热阶段，溶剂挥发、焊剂润湿焊球并清除焊球表面的氧化物，如图2-30（b）所示。随着温度升高，焊料熔化，BGA下沉，称为一次塌落，如图2-30（c）所示。随着温度升高、时间增加，BGA焊球熔化并与熔融焊料融合，BGA下沉并自动对中，如图2-30（d）所示。BGA焊球熔化并与熔融焊料融合导致的BGA下沉，称为二次塌落，它是实现BGA自动对中功能的条件，只有焊球与熔融焊料融合并完成第二次塌落才能完成自动对中。因此，如果需要BGA自动对中，温度曲线的设置必须保证BGA焊球与熔融焊料融合，自动对中的动力来自熔融焊料的表面张力。

采用与焊球成分一样的焊膏焊接BGA，并用高速摄像机记录下BGA焊点的形成过程，可以看到BGA的两次塌落过程与自动对中过程及温度点。二次塌落温度要比一次塌落高11～12℃。为什么温度不同呢？理论上，焊料合金温度取决于成分，因此，焊膏熔化之时也是焊球熔化之时。之所以看到二次塌落比焊膏熔化晚一些，这主要是焊球表面的氧化膜阻挡了熔融焊球与焊料融合，实际上焊球也已经熔化，只是表面有一层氧化膜，需要提高温度清除焊球表面的氧化物。只要氧化物被熔融焊料捅破（只要捅破一个小口即可），熔融焊料就会立即与熔融的焊球融合，这一点我们在试验中很容易观察到。

以上的过程说明，BGA的贴装不需要太高的位置准确度，因此，对于返修而言变得简单了，贴片过程完全可以根据BGA角部的丝印框进行贴放。

2.7 助焊剂在焊接过程中的作用

助焊剂是焊接工程中最重要的工艺材料之一。在润湿过程开始时，助焊剂清洁被焊接表面，降低熔融焊料的表面张力，促进熔融焊料的铺展；在润湿的过程中或润湿过程的后期，助焊剂起到防止被焊接表面和熔融焊料表面再氧化的作用。这是助焊剂的两个主要功能，也是主导焊点形成的两种行为，理解这两种行为对优化工艺条件非常重要。

2.7.1 再流焊接工艺中助焊剂的作用

图2-31 为助焊剂在再流焊接过程中的作用。在再流焊接预热升温阶段，焊膏中的大部分溶剂挥发，随着预热温度的升高，助焊剂润湿被焊接表面并清除其氧化膜，加热温度升高到焊料合金熔点以后，焊锡粉熔化融合开始润湿被焊接表面，助焊剂松香膜覆盖在被焊接表面及熔融焊料表面，开启铺展过程，但这个过程取决于助焊剂的保护作用，如图2-31中的第②过程。

如果助焊剂的量不足以去除被焊接表面的氧化物或以一定厚度覆盖被焊接金属表面和熔融焊料，将会出现被焊接金属表面氧化、焊点表面焊锡粉氧化，导致焊盘覆盖不全和不熔锡现象（再流焊接工艺中典型的冷焊现象，也有人形象地称其为葡萄球现象），如图2-32所示。

使用氮气气氛焊接，就是为了防止清洁的表面再氧化。金属（包括固态和液态）在高温条件下极易氧化，助焊剂防止再氧化的能力与助焊剂的效力、温度与时间、覆盖膜的黏度及厚度有关。防止再氧化有两种机理，即不断清洁与覆盖较厚的保护膜。这两种机理都受到用户的挑战，一方面，免洗焊膏的配方要求残留物少，活性低；另一方面，无铅工艺下的预热温度变高、预热时间变长及焊接峰值温度提高，使得被焊接金属更易氧化。使用氮气气氛焊接就成为微焊盘焊接工艺的一种必然选择。

2.7.2 波峰焊接工艺中助焊剂的作用

波峰焊接时，助焊剂在预热阶段溶剂会部分挥发，清洁被焊接表面，留下松香膜，起到部分隔离空气防止氧化的作用，如图2-33所示。如果PCB表面采用OSP处理，采用水基助焊剂焊接时将可能出现比较多的漏焊现象。这种情况出现在预热温度比较高时，由于水基助焊剂不像松香焊接那样，会在PCB表面形成一层防氧化保护膜。如果预热温度过高，就会引起OSP膜严重氧化（实际上是OSP膜只要经过一次高温，如果再流焊接，就会出现网裂，失去对OSP膜下Cu的保护，导致漏焊发生）。

案例6 OSP板采用水基助焊剂波峰焊接时漏焊

本案例中PCB为OSP处理，如图2-34（a）所示。为了提升波峰焊接时插孔的透锡率，生产中将PCB的预热温度从100℃提高到130℃。焊接时出现了个别焊盘不润湿的现象，如图2-34（b）所示。在生产中，将预热温度再调回到100℃或采用氮气气氛焊接，不润湿现象又会消失。这个案例至少说明两点，第一点，OSP膜在再流焊接后会裂解而网孔化，对Cu的保护减弱；第二点，助焊剂中固含量（主要指成膜物质含量）对防止被焊表面再氧化影响很大，水基助焊剂不含松香，在焊接过程中难以对去除OSP膜后的Cu面形成有效的保护。

2.8 可焊性

焊接时，电子元器件电极（焊端和引线）和焊盘都必须用焊料覆盖和润湿，以便形成焊点。为了实现焊接在限定的温度和时间内一次完成，则要求被焊金属的可焊性满足要求。

2.8.1 可焊性概述

可焊性（Solderability）在IPC-T-50中的定义是“金属被熔融焊料浸润的能力”。可焊性是一种复杂的性质，一方面与材料本身的固有特性有关，另一方面与元器件制成后表面的清洁状况有关。

元器件电极的可焊性是确定用于工业焊接中总的适应能力的特性，也就是在限定的温度与时间内能够被焊接的能力。它与以下三方面有关：

（1）热力学方面的要求。被焊接元器件电极的热力特性，应能使焊接点区域在焊接操作的时间内加热到所需要的温度。再流焊接工艺下这点基本不是问题，但对波峰焊接工艺而言，有时就是问题，比如粗大线径的变压器引脚，由于较大的热容量，在3～5s的时间内要加热到焊接所需要的温度就可能是一个问题。

（2）可润湿性。被焊接金属表面应在焊接操作时间内被熔融的焊料所润湿，而且焊接后没有反润湿现象。限定的条件很重要，如果去掉这个条件，对波峰焊接而言，只要温度足够高、时间足够长，几乎没有不润湿的问题；但对于再流焊接，只要焊料熔化的最初几秒没有被润湿，更高的温度与更长的时间只会进一步促进未润湿区域的再氧化（详细见助焊剂的行为）。因此，对IPC-T-50的定义，必须理解为“在被限定的温度和时间内，焊接金属被液态焊料润湿的能力”。

（3）耐焊接能力。焊接过程中的加热和因此引起的热应力不应影响该元器件的功能，即不使元器件发生物理失效和参数变化。

良好的可焊性能够产生良好的润湿，而良好的润湿又意味着在不使用较强活性焊剂和不损坏被焊接零部件的功能条件下，焊料能够均匀、光滑、无裂纹地覆盖被焊接金属表面及良好地填充。差的可焊性会导致差的润湿性，即出现不润湿、局部润湿现象。

这里要强调一点，可焊性与润湿性是两个概念，可焊性描述的是被焊接金属的焊接能力，而润湿性描述的是焊料与被焊接金属的浸润性。我们用标准的焊料焊剂，在规定温度和时间条件下，通过对润湿性的测量来评价被焊接金属的可焊性，因此，有时也把可焊性测试说成润湿性测试。

2.8.2 影响可焊性的因素

影响元器件或PCB焊盘可焊性的因素很多，主要有以下几种。

1）氧化

多数可焊性不良的问题是由被焊接材料表面氧化引起的。一般焊接中所用焊剂破坏这些氧化层，但是如果氧化层非常厚（≥2nm），焊剂的活性一般就不能胜任这项工作。图2-35所示为30nm的Sn-40Pb镀层材料氧化层厚度与润湿力的关系图。可以看出，当氧化层厚度超过5nm后，润湿力变化不大，在厚度小于5nm时，润湿力随着氧化层厚度的增加急剧下降到0.2mN/mm，此时氧化层厚度对润湿力影响很大。

有铅工艺时代，表面安装元器件焊端主要使用锡铅镀层，由于它们不会生成坚实的氧化层，松香焊剂就能去除它。储存一段时间后，锡铅镀层仍然有可焊性。当被用于元器件焊端时，锡铅镀层则是通过电镀（或热涂锡）覆盖在基体金属上的。

简单地使用锡铅镀层，不能确保元器件的可焊性。尤其是电镀层，需要严格控制开始的加工工艺。如果电镀前元器件焊端的基础金属处理不合适，则表面仍有氧化层。虽然这一层不是可焊层，但是仍然可电镀上可焊层。在这种情况下，当元器件从制造厂家目测验收后，在随后的焊接中电镀层会从基体上脱落下来，结果形成非润湿焊接点。

这种情况也出现在ENIG（Electroless Nickel Immersion Gold，无电镀镍浸金）处理的表面，如果Au层下的Ni层氧化，就会形成没有连续金属间化合物的焊点。此焊点强度很弱，遇到应力即可断开，ENIG不良镀层形成的焊点如图2-36所示。

2）污染

实际上，元器件焊端被污染的范围非常广泛：在电镀过程中，不必要的金属和有机残留物沉积；包装结构材料上微小的纤维材料、有机硅及增塑剂等；工艺过程需要人工干预的场合，总是有指印残留，这些污染一旦大到一定的量就会降低可焊性。

3）镀层的针孔

镀层的针孔会引起基底层金属的表面氧化，形成界面非润湿条件。电镀层对此现象更为敏感。

锡铅镀层不像锡铅浸镀层，电镀锡铅不是真正的锡铅合金，而是不规则的锡和铅的球状颗粒生长在基底上，它们的比例取决于电镀参数。如果工艺控制不严格，在球粒的边界上就会形成针孔。虽然起初可焊性达标，但随着氧化的出现，可焊性会迅速下降。

4）不正常的焊点金属性能

金和银在锡合金中有很高的溶解度，导致焊端的金属会很快在焊料中浸出。如果融入了足够的量，则连接强度可能不合适，底层也会露出（如多层陶瓷电容），从而降低电气的可靠性。

5）镀层晶粒结构

有报道指出非热熔镀层可焊性与晶粒结构有关，小颗粒（约 0.5μm平均截距）致密的镀层的可焊性符合要求，而较大颗粒（3.0～4.5μm平均截距）的镀层的可焊性会降低。

但对化学镍金与电镀镍金表面进行实际测试，反而粗大晶粒的化学镀镍比致密的电镀镍有更好的可焊性。晶粒结构对可焊性的影响还存在不确定性。

6）薄的镀层

一方面，薄的镀层存在针孔，容易引起底层金属的氧化；另一方面，焊接时会很快被溶解掉，可焊性就取决于基体金属或底层金属性能了。

2.8.3 可焊性测试方法

目前存在以下两类基本上不相同的可焊性测试方法：

（1）非平衡的测量，它研究的是润湿率问题。

（2）对润湿过程最终结果的测量，它研究最终达到的润湿程度。

这两类测试方法都起源于波峰焊接时代。对于波峰焊接工艺而言，焊接时间往往很短，离达到润湿平衡的状态尚远，因此，第1类测试方法对润湿度的测量常常比第2类方法更接近实际情况。在焊接技术的发展过程中，有过很多种可焊性测试方法。

目前，在IPC/J-STD-003中有关PCB可焊性的测试方法有五种，在IPC/J-STD-002中有关元器件电极的可焊性的测试方法有七种，有些原理是相同的，只是因为测试对象与样品的差异而有所区别。如果按照测试的方法归类，IPC标准现行的可焊性测试方法大致有八种，如图2-37所示。在这些方法中，有些比较适合于PCB，有些比较适合于元器件，我们用文本框内的填充色加以标示，绿色框表示适合于PCB，蓝色框表示适合于元器件，无色框表示既可用于PCB也可用于元器件的可焊性测试。

制造工厂更多地采用模拟的方法，比如，插件用波峰焊接法测试，表贴元器件用再流焊接法评估。这样的评价是综合性的，除了可焊性，还可以评价PCB工艺与储存对可焊性的影响。

在可焊性测试试验中，从被焊接金属材料开始与熔融焊料接触，到被焊接表面被润湿，这段时间叫作润湿时间（或焊接时间）。润湿时间是被加热零件的热力要求与其表面可润湿两者结合的结果。

测试温度是焊料与被焊接金属接触瞬间之前的温度，因此，它通常与焊料槽中的温度相同。被润湿表面的实际温度，几乎在所有情况下都要低于焊料槽的温度，被润湿表面的实际温度不是常数，而且有明显的变化。

2.8.4 润湿称量法

润湿称量法（Wetting Balance Test）是一种用于鉴定的可焊性测试方法，能够定量地研究任意形状样品的可焊性。在通常情况下，被测试的都是元器件焊端或引脚，但也可以用于其他方面，如PCB、厚膜衬底、焊剂等。

润湿称量法测试原理如图2-38所示，把样品从一台灵敏度很高的天平上悬挂下来，而且使其边缘浸入熔融焊料之中某个预定深度，熔融焊料的温度是可控的。这样，作用在样品上垂直向上的浮力与表面张力的合力可以用一个传感器进行测定，并转换成电信号，这种信号在高速图形记录仪上被记录成时间函数。我们把这条曲线称为润湿曲线。

当样品浸入熔融焊料某特定深度后，使之在此位置停留一定时间，随后把焊料槽降低，使样品从中退出，当样品在浸入的位置上保持不动时，就可以得到对于时间的记录图形，这个图形就是润湿曲线，如图2-39所示。

样品在测试过程中经历了以下五个状态：

① 浸入之前。

② 刚浸入瞬间，此时弯液面仍然向下弯，形成一个向上的力。

③ 当润湿达到这样一个位置，其表面张力在垂直方向上的合力为零，此时作用在样品上唯一的力是浮力。

④ 弯液面向上弯，来自表面张力的合力是一个向下的力。

⑤ 样品从槽中退出。

图2-40所示为有代表性的润湿曲线。曲线部分代表作用在样品上的力，方向向上的是不润湿状态，用正值表示；方向向下的是润湿状态，用负值表示。水平线代表测试周期开始时的状态，它起着抵消样品重量的作用。虚线表示浮力补偿，润湿力从这里开始测量。在记录的曲线上某些电和机械的干扰总是存在的，如果设备性能很好，这种干扰就小于等于4×10 ^-5 N的力。

这种试验的优点之一就是它能够对整个的润湿过程进行检测，全部的力与时间的曲线都可以被利用。图2-39所示曲线上的某些点尤其重要：

（1） t ₀ 点是试样与焊料首次接触的时刻。

（2） A 点是作用在试样上的力与计算得到的浮力达到相等的瞬间，表示润湿正式开始。

（3） B 点是试样在浸入期间向下合力的最大值。

t ₀ 、 A 点之间的时间是润湿开始时间，也称零交时间。一般用它表示润湿性。

具体试验方法可参见IPC-TM-650 2.4.14.2及日本标准JIS Z 3198的第4部分。其中润湿时间和最大润湿力是两个重要的评价参数。J-STD-004规定，润湿时间应小于2s，而最大润湿力 F _max 应大于150mN/mm。

2.8.5 浸渍法

浸渍法（Dip Test）也称浸焊法，是一种廉价、快速、定性的可焊性测试方法，但测试结果往往比较主观。润湿称量法能够得到定量的结果，但速度比较慢，价格比较贵。

浸渍法很简单，就是将被测试试样（PCB或元器件引脚或焊端）浸入熔融的焊料锅中，拿出来目测其润湿程度——润湿面积的百分率、不润湿的程度。它可以用于PCB及元器件焊端可焊性的测试。试验装置没有特定的要求，图2-41所示为IPC-TM-650 2.4.12中的试验装置示意图，它解决了浸入、提出速度及浸入时间的控制问题，这种试验装置如果用于PCB测试，则称为边缘浸渍法。

浸渍法最终的结果依靠目测得出，图2-42所示为IPC J-STD-003平面镀层可焊性评定参考图。

2.8.6 铺展法

铺展法也称漫流参数法、面积扩展法、扩展面积法，可参考IPC-TM-650中的2.4.43～2.4.46测试方法。

铺展法用于测试液态助焊剂的活性，也用于测试焊膏助焊剂的活性。

当用于测试液态助焊剂活性时，铺展法测试原理如图2-43所示。定量的焊料放在受控氧化层厚度的铜表面。涂布一定量的助焊剂后，使焊料热熔。焊料漫流的程度是助焊剂活性的函数。如果氧化层没有除去，润湿将不会出现，焊料将成为一个直径为 D ₀ 的圆球（忽略重力作用）。助焊剂活性越强，除去的氧化物越多，则焊料堆高度 H 越低。

扩展参数或漫流参数用于度量液态助焊剂活性。

漫流参数=[（ D ₁ -H ）/ D ₀ ]×100

直径可通过焊料的质量 W 及其密度 ρ 计算，即

当用于测试焊膏助焊剂活性时，直接采用直径扩展率或扩展直径即可。按照IPC-TM-650测试方法2.4.46、采用锡铅合金测试时，每种助焊剂活性类型的典型最小铺展要求如表2-2所示（源自IPC J-STD-004B附录B）。

2.8.7 老化

在进行可焊性测试前，需要对测试样品进行老化处理。因为，刚刚生产出来的元器件或PCB，其焊接面的可焊性一般是不存在问题的，但是存放一段时间后，就会因为氧化而出现劣化。测试必须考虑正常储存条件对可焊性的影响。

在电子制造行业，元器件和PCB往往要求有一定的储存保质期，通常为6～12个月。因此，要等待这段周期后再进行测量显然不切实际，因而必须采用加速存放老化的方法。IPC研究小组对加速老化进行了专题研究，包括从1h蒸汽老化到一个月或数个月的湿热条件测试技术。发现一项技术是否合适取决于焊端镀层的金属性能和预期引起产品质量下降的原因。对锡合金而言氧化是主要原因，而对贵金属镀层而言扩散则是主要原因。

电子制造业界通行的做法是，对锡合金采用8～24h的蒸汽老化；对主要由扩散而引起品质下降的镀层，采用115℃、16h干热老化；对品质下降机理不明的镀层，则采用蒸汽老化。 fKsBHjYtPqXCyWSzVPJ+tNuu2MWNM8lgY1+K2EJBCkeJun6K4yQ7n8cyliiiYkxF