1虛焊現象及其判據

1.1虛焊現象

虛焊現象1：


表面不潤濕，焊點(diǎn)表面呈粗糙的形狀、光澤性差、潤濕性不好(潤濕角θ＞90度)，如圖1所示。此時(shí)釬料和基體金屬界面之間為一層不可焊的薄膜所阻檔，界面層上未能發(fā)生所期望的冶金反應(形成適當厚度的合金層Cu6Sn5+Cu3Sn)。這是一種顯形的虛焊現象，從外觀(guān)上就能判斷。

虛焊現象2：

表面潤濕，但釬料和基體金屬界面未發(fā)生冶金反應(未形成適當厚度的合金層Cu6Sn5+Cu3Sn)，如圖2所示。它是一種穩形的虛焊現象，外觀(guān)不易判斷，因而危害極大。

1.2虛焊的判據

上面所表述的兩種不同的虛焊現象，其共同特點(diǎn)都是結合界面未發(fā)生冶金反應，未形成合適厚度(1.5～3.5)μm的合金層。因此，接合界面上是否形成了合適厚度的銅錫合金層就構成了虛焊現象的唯一判據。此時(shí)若將焊點(diǎn)撕裂，就可發(fā)現釬料和基體金屬之間相互成犬牙交錯狀的裂痕，即基體金屬上有釬料殘留物，釬料上也有基體金屬的痕跡。相反，若將虛焊點(diǎn)撕裂時(shí)，在基體金屬和釬料之間沒(méi)有任何相互楔入的殘留物，而是很清楚的相互分開(kāi)，好似用漿糊粘往的一樣。

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2．虛焊的形成機理

2.1軟釬接過(guò)程中所發(fā)生的物理現象

2.2.1軟釬接接合的物理過(guò)程

通過(guò)軟釬接，金屬為什么會(huì )接合到一起并形成連接強度呢？以常用的錫-鉛合金軟釬料來(lái)說(shuō)，它是通過(guò)軟釬料潤濕接合金屬表面，利用擴散作用在界面產(chǎn)生合金層(金屬間化合物)，從而結成一體。以波峰焊接為例，在合適的溫度作用下，焊點(diǎn)在軟釬接過(guò)程中所發(fā)生的物理化學(xué)過(guò)程，按照發(fā)生的先后可描述如下：

2.2.2潤濕作用及Young定理

2.2.2.1潤濕作用

軟釬接過(guò)程中接合作用的第一步，是軟釬料借助毛細管現象在接合金屬表面上充分鋪展開(kāi)，這現象就叫做潤濕。
為使熔融的軟釬料潤濕固體金屬表面，必須具備一定的條件。其條件之一就是被焊金屬表面必須是潔凈的。這樣軟釬料與被接合的基體金屬的原子間距離才能接近到原子間力作用的程度。

2.2.2.2潤濕過(guò)程中的作用力

⑴作用于原子間的力

在高溫下具有粘性的二相同金屬間，只要在高溫下加上不大的壓力，就可以使它們之間相互緊密貼合。軟釬接時(shí)，因為軟釬料處于熔融狀態(tài)，在金屬表面產(chǎn)生潤濕，不需加外力，只要基體金屬表面是潔凈的，就能很容易地達到原子間力作用所需要的距離。

⑵熔融金屬的聚合力及附著(zhù)力

潤濕是物質(zhì)所具有的聚合力的作用結果，而緊密貼合與表面張力有關(guān)。產(chǎn)生表面張力的原因是聚合力。為了分析此問(wèn)題，我們以在玻璃管中的液體和管壁接觸部位的狀態(tài)來(lái)說(shuō)明，如圖3所示。
在圖3中，液體分子受到對玻璃壁的附著(zhù)力Ff及液體本身的聚合力Fc的作用(忽略重力作用)，按液面形狀作用于液面分子的外力是垂直于液面的。圖3(左)由于水與玻璃壁之間的附著(zhù)力大，所以合力Fd的方向是指向玻璃壁內的。因此，合力Fd與成直角的液面成為凹面。當出現這種凹面時(shí)，因表面張力作用產(chǎn)生收縮力，而使管內液面上的壓力減少。然而在同一液面上各點(diǎn)的壓力必然是相等的，所以液面上升。

在軟釬接中，潤濕和熔融釬料的聚合力及基體金屬的附著(zhù)力有關(guān)，聚合力越弱，即固體面與液體原子的附著(zhù)力比液面原子聚合力越大，越易產(chǎn)生毛細管現象。

由此可知，為實(shí)現軟釬接，首先要產(chǎn)生潤濕，由于潤濕，當軟釬料與基體金屬的原子間距離非常接近時(shí)，原子的聚合力即發(fā)生作用，使軟釬料與基體金屬合并為一體，完成了接合。
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⑶表面張力

表面張力是在液體的表面分子因受聚合力的作用而被拉向液體內部，成為表面面積最小時(shí)所發(fā)生的。在液體內部的每個(gè)分子，被其它分子所包圍，受力狀態(tài)是平衡的。而液面的分子，因其上部存在著(zhù)不同的相，而這個(gè)相的分子密度小，因而受到垂直于液面并指向液體內部的力。因此，在液體表面產(chǎn)生結膜現象，使表面面積收縮為最小(球形)。這種力就是表面自由能，該力稱(chēng)為表面強力。

⑷毛細管現象
在潔凈的固體金屬表面上，放置熔融狀態(tài)的潔凈釬料，釬料液體就會(huì )在固體金屬表面擴展并潤濕固體金屬。這一現象是液態(tài)釬料在固體金屬表面的細小凹凸間隙中，借助于毛細管現象，向四方擴展而引起的。

2.2.2.3Young定理

液態(tài)釬料在固體金屬表面的潤濕過(guò)程，則產(chǎn)生下述自由能，如圖5所示。
圖5中：
FSF：固體金屬與助焊劑之間的界面張力(自由能)；
FLS：液態(tài)釬料與固體金屬之間的界面張力(自由能)；
FLF：液態(tài)釬料與助焊劑之間的界面張力(自由能)；
θ：接觸角；
cosθ：潤濕系數。

這些自由能之間的關(guān)系可以用Young定理來(lái)描述，即：PSF=PLS+PLFcosθ  (1)
設附著(zhù)功為Wa，其近似值可用下式表示：Wa=PSF+PLF－PLS  (2)
由式(1)和式(2)可得到：Wa=PLS＋PLFcosθ+PLF－PLS＝PLF(cosθ＋1) (3)

圖5中的“A”點(diǎn)上三個(gè)矢量的平衡狀態(tài)，表示了表面能的平衡，PLF是作用于與液體曲面相切方向的液體的表面張力，也就是使液態(tài)釬料表面積為最小的力。θ為1800時(shí)，為完全不潤濕狀態(tài)，而θ為00時(shí)，為完全潤濕。在工業(yè)批生產(chǎn)中可作如下分級：
00≤θ≤300  潤濕優(yōu)良
300≤θ≤400  潤濕良好
400≤θ≤550  潤濕可接受
550≤θ≤700  潤濕不良
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2.2.3擴散作用及Fick定理

2.2.3.1擴散作用

在接合過(guò)程中，在發(fā)生潤濕現象后立即伴有擴散作用，因而形成了界面層或合金層。因晶格中金屬原子不斷地進(jìn)行著(zhù)熱振動(dòng)，當溫度達到足夠高時(shí)，就從一個(gè)晶格向其它晶格自由移動(dòng)，這現象稱(chēng)為擴散。移動(dòng)的速度及數量與溫度和時(shí)間有關(guān)。

擴散隨釬料、固體金屬的種類(lèi)及溫度等的不同而各異，由擴散而形成的中間層，對接合部的物理、化學(xué)性能，特別是機械性能、抗蝕性能有很大的影響。

軟釬接中，釬料在基體金屬的晶粒中的擴散稱(chēng)體擴散，擴散到基體金屬內部晶粒中的Sn可產(chǎn)生不同組分的界面合金層，如圖6所示。2.2.3.2金屬間化合物
軟釬接是依靠在接合界面上生成合金層而形成連接強度的。這種合金層通常是一種金屬間化合物。這種以合金的金屬成分按原子量的比例結合的化合物，叫做金屬間化合物。
當用Sn/Pb系釬料焊接銅時(shí)，釬料中的Sn向銅中擴散而產(chǎn)生Cu-Sn-Cu的結合，這種結合與接合有關(guān)。在普通溫度下生成Cu3Sn(ε相)(基體金屬側)、Cu6Sn5(η相)(釬料側)，而在300℃以上時(shí)則將出現Cu31Sn8(γ相)以及其它結構不明的合金。

金屬間化合物是一種硬度高而脆性大的合金相。銅與錫的化學(xué)親合力很強，因此，在釬接界面上銅與錫形成的金屬間化合物生長(cháng)很快，據有關(guān)資料介紹，純錫在265℃液態(tài)下與銅生成的金屬間化合物層，一分鐘就能達到1.25μm的厚度。

2.2.3.3Fick定律

Fick定律描述了在軟釬料過(guò)程中擴散現象發(fā)生的規律：
dm＝－DSdt  (4)
式中：dm─釬料組分的擴散量；
D─擴散系數；
S─擴散面積；
─沿擴散方向擴散組分的濃度梯度；
dt─擴散時(shí)間。

由公式(4)可知，擴散數量與濃度梯度、擴散系數、擴散面積、和擴散時(shí)間有關(guān)。公式中的負號表示擴散是由高濃度向低濃度方向進(jìn)行，當釬料中某些組分的含量比被焊金屬高時(shí)，由于存在濃度梯度，就會(huì )發(fā)生該組分向被焊金屬中擴散。一般固態(tài)金屬在液相中的擴散系數約在10-5g/cm2sec數量級。所以被焊金屬在液態(tài)釬料中的擴散速度比液態(tài)釬料在固體的被焊金屬中的擴散速度要大的多。

液態(tài)釬料向被焊的固態(tài)金屬中擴散常見(jiàn)的形式為：液態(tài)釬料沿被焊金屬表面、結晶內部以及晶界等方式進(jìn)行。對于用錫-鉛釬料釬接銅時(shí)多發(fā)生沿表面和晶內的擴散方式，如圖7所示。 [page]
用Sn/Pb系釬料焊接銅時(shí)，錫和銅能形成合金，而鉛不與銅形成合金。因此，只有Sn以一定速度擴散到基體金屬銅中去，而鉛不進(jìn)行擴散(原地不動(dòng))。這種只有Sn擴散的現象叫選擇擴散，如圖8所示。
出現選擇擴散時(shí)，當靠近銅的Sn擴散到銅內后，距銅較遠的Sn原子則由于Pb原子的阻擋減慢了擴散速度。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后在靠銅的附近會(huì )形成富鉛層。出現鉛偏析現象時(shí)，往往使接合界面的性質(zhì)發(fā)生種種變化，導致接合強度急劇下降。

3虛焊現象發(fā)生的條件

3.1虛焊現象1的發(fā)生條件

虛焊現象1的特征是：既未發(fā)生潤濕又未發(fā)生擴散，好似用漿糊粘住似的，這種接頭不能叫釬接，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

外購PCB、元器件等可焊性不合格，進(jìn)入公司庫房前未進(jìn)行嚴格的入庫驗收試驗；

⑵ 庫存環(huán)境不良，庫存期大長(cháng)。

由于儲存環(huán)境和儲存期限與保持PCB和元器件良好的可焊性有著(zhù)密切的關(guān)系。因此，PCB和元器件的存儲環(huán)境必須具備恒溫、恒濕、空氣質(zhì)量好，無(wú)腐蝕性氣體(如硫、氯等)和無(wú)油污的環(huán)境中儲存。否則會(huì )導致可焊性劣化。

多數助焊劑只能除掉銹和氧化膜，而不能去除油脂那樣的有機薄膜。如果元器件和PCB在儲存過(guò)程中，PCB和元器件上沾上了油脂等污染物后，會(huì )產(chǎn)生錫、鉛的偏析和針孔，降低焊接強度。也容易在鉛的偏析和釬料界面上產(chǎn)生裂紋，從外現看并無(wú)異常，但卻是潛伏著(zhù)影響可靠性的因素。

儲存期的長(cháng)短應視地區(例如南方、北方)和當地的空氣質(zhì)量而定，一般希望庫存期愈短愈好。

例如PCB在大氣中放置一個(gè)月后，可焊性明顯變差且容易附著(zhù)氣泡(吸潮)，如圖9所示。特別是在拆除真空封裝狀態(tài)上線(xiàn)插件后，在濕熱或空氣污染厲害的地區在流水線(xiàn)上滯留時(shí)間最好不要超過(guò)24小時(shí)就完成焊接工序。 [page]
3.2虛焊現象2的發(fā)生條件

3.2.1虛焊現象2形成的物理過(guò)程
 
虛焊現象2的特征是：發(fā)生了潤濕但未發(fā)生擴散，它表明了PCB及元器件的可焊性不存在問(wèn)題，出現此現象的根本原因是焊接的工藝條件選擇不合適。
我們知道軟釬接過(guò)程中原子的擴散現象是雙向的，即：

⑴被焊金屬(基體金屬)向釬料中的擴散
被焊金屬在釬料中的溶解條件是：釬料和被焊金屬在液態(tài)下能夠互溶，則在釬接過(guò)程中被焊金屬就能溶于液態(tài)釬料。被焊金屬在液態(tài)釬料中的溶解量可用下式表示：
G＝ρyCy(1-e)  (5)
式中：G─被焊金屬的溶解量；
ρy─ 液態(tài)釬料密度；
Cy ─ 被焊金屬在液態(tài)釬料中的極限溶解度；
Vy ─ 液態(tài)釬料的體積；
a ─ 被焊金屬原子在液態(tài)釬料中的擴解系數；
t ─ 接觸時(shí)間；
s ─ 液相和固相的接觸面積。

由公式(5)可以看出：隨著(zhù)釬接溫度的提高和釬接保溫時(shí)間的延長(cháng)，被焊金屬在液態(tài)釬料中的溶解量都會(huì )增多。溫度對溶解量的影響，主要反映在式(5)中溶解度系數a的增大上，如圖10所示。
若釬料與被焊金屬能形成金屬間化合物時(shí)，由于金屬間化合物的出現，阻礙了被焊金屬向釬料中的溶解速度。在化合物形成的溫度曲線(xiàn)上表現出溶解速度有所下降，如圖11所示。

被焊金屬向釬料中擴散過(guò)程，由于被焊金屬元素溶于釬料中，與釬料成分起合金化作用。因而使得釬接接頭性能提高了，例如Sn的抗拉強度σb=1.5kg/mm2，而形成銅、錫合金層后的接頭抗拉強度提高到σb=5.7kg/mm2。

當然被焊金屬溶于釬料的量不適當(偏多)時(shí)，也是帶來(lái)使釬料熔點(diǎn)提高、流動(dòng)性變差、被焊金屬出現溶蝕等不良后果的原因。

⑵釬料組分向被焊金屬中擴散

由Fick定理可知：在一定的溫度下，釬料組分中的Sn向被焊金屬中的擴散量也是與加熱的時(shí)間成正比的，它表明了適宜的合金層的形成是需要時(shí)間的。

因此焊接溫度偏低，焊接時(shí)間偏短是造成虛焊現象2發(fā)生的主要原因。
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3.2.2波峰焊接中如何控制合金化過(guò)程

波峰焊接中PCB通過(guò)波峰時(shí)其熱作用過(guò)程大致可分為三個(gè)區域，如圖12所示。
⑴助焊劑潤濕區

被覆在PCB板面上的助焊劑，經(jīng)過(guò)預熱區的預熱，一接觸釬料波峰后溫度驟升，助焊劑迅速在基體金屬表面上潤濕、漫延。受溫度的劇烈激活，釋放出最大的化學(xué)活性迅速凈化被焊金屬表面。此過(guò)程大約只需0.1秒的時(shí)間即可完成。

⑵釬料潤濕區

經(jīng)過(guò)助焊劑凈化的基體表面，在基體金屬表面吸附力的作用下和助焊劑的拖動(dòng)下，迅速在基體金屬表面上漫流開(kāi)來(lái)。一旦達到釬料的潤濕溫度后，潤濕過(guò)程便立即發(fā)生。此過(guò)程通常只需10-3sec即可完成。

⑶合金層形成區

釬料在基體金屬上發(fā)生潤濕后，擴散過(guò)程便緊隨其后發(fā)生。由于生成最適宜厚度的合金層(3.5μm左右)需要經(jīng)歷一段時(shí)間過(guò)程。因此，潤濕發(fā)生后還必須有足夠的保溫時(shí)間，以獲得所需要厚度的的合金層。通常該時(shí)間為(2～5)sec。保溫時(shí)間之所以要取一個(gè)范圍，主要是受被焊金屬熱容量的大小而不同。熱容量大的，升溫速率慢，獲得合適厚度的合金層的時(shí)間自然就得長(cháng)一些；而熱容小的，升溫速率快，合金層的生成速度也要快些，因而保溫時(shí)間就可以取得短些。對一般元器件來(lái)說(shuō)，該時(shí)間優(yōu)選為(3～4)sec。
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4虛焊的預防

4.1強化對元器件可焊性的管理

4.1.1嚴把外協(xié)、外購件入庫驗收關(guān)

必須將可焊性不良的PCB和元器件拒之門(mén)外，因此，必須嚴格執行入庫驗收手續：

⑴每批外購元器件到貨后，均必須抽樣怍可焊性試驗，合格后才可正式入庫。對一般元器件的引腳采用彎月面潤濕法測量可焊性時(shí)，當釬料槽溫度取250℃時(shí)潤濕時(shí)間應＜0.6sec。經(jīng)過(guò)可焊性測試的元器件可以繼續裝機使用。

⑵每批外協(xié)的PCB到貨后應任意抽取三塊采用波峰法作可焊性測試，合格后才能接收。由于經(jīng)過(guò)可焊性試驗后的PCB不能再使用，因此，每批訂購時(shí)必須多加三塊作工藝試驗件。

4.1.2優(yōu)化庫存期的管理

⑴所有PCB和元器件必須在恒溫、恒濕、空氣質(zhì)量好，無(wú)腐蝕性氣體(如硫、氯等)和無(wú)油污的環(huán)境中儲存。

⑵考慮到可焊性的存儲期限，所有元器件必須實(shí)行先入先出的原則，以免造成一部分元器件因庫存期過(guò)長(cháng)而導致可焊性惡化。

⑶儲存期的長(cháng)短應視地區(例如南方、北方)和當地的空氣質(zhì)量而定，一般希望庫存期愈短愈好。例如PCB在深圳的濕熱環(huán)境下最好不要超過(guò)一個(gè)月。在拆除真空封裝狀態(tài)上線(xiàn)插件后，在流水線(xiàn)上滯留時(shí)間最好不要超過(guò)24小時(shí)就完成焊接工序。

4.1.3加強工序傳遞中的文明衛生管理

⑴工作人員應穿戴防靜電衣、鞋和手套，并經(jīng)常保持其潔凈；

⑵由于指紋印是最難去除的污染，是傳遞過(guò)程中造成可焊性不良的原因。因此在操作過(guò)程中，任何與焊接表面接觸的東西必須是潔凈的。PCB從保護袋中取出后，只能接觸PCB的板角或邊緣，在需要對PCB進(jìn)行機械安裝操作時(shí)，應戴上符合EOS/ESD防護要求的手套并經(jīng)常保持其潔凈。

4.2選擇正確的工藝規范

工藝規范選擇不當，是造成虛焊現象2的關(guān)鍵因素。因此，在釬料槽溫度取定為250℃的前提下，必須確保合金化的時(shí)間在(3～4)sec之間。

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