回流焊无铅焊接的特点和对策

钎焊机理钎焊分为硬钎焊和软钎焊。

主要是根据钎料（以下称焊料）的熔化温度来区分的，一般把熔点在450℃以下的焊料叫作软焊料，使用软焊料进行的焊接就叫软钎焊；把熔点在450℃以上的焊料叫作硬焊料，使用硬焊料进行的焊接就叫硬钎焊。

在美国MIL SPEC军用标准中，是以800℉（429℃）的金属焊料的熔点作为区分硬钎焊和软钎焊的标准。

电子装联用锡焊是一种软钎焊，其焊料主要使用锡Sn、铅Pb、银Ag、铟In、铋Bi等金属，目前使用最广的是Sn-Pb和Sn-Pb-Ag 系列共晶焊料，熔点一般在185℃左右。

钎焊意味着固体金属表面被某种熔化合金浸润。

这种现象可用一定的物理定律来表示。

如果从热力学角度来考虑浸润过程，也有各种解释的观点。

有一种观点是用自由能来解释的。

⊿F＝⊿U－T⊿S 在这里，F是自由能，U是内能，S是熵。

⊿F 与两种因素有关，即与内能和熵的改变有关。

一般S常常趋向于最大值，因此促使－T⊿S也变得更小。

实际上，当固体与液体接触时，如果自由能F减少，即⊿F是负值，则整个系统将发生反应或趋向于稳定状态。

由此可知，熵是浸润的促进因素，因为熵使⊿F的值变得更小。

⊿F的符号最终决定于⊿U的大小和符号，它控制着浸润是否能够发生。

为了产生浸润，焊料的原子必须与固体的原子接触，这就引起位能的变化，如果固体原子吸引焊料，热量被释放出来，⊿U是负值。

如果不考虑⊿U的大小和量值，那么，熵值的改变与表面能的改变有同样的意义，浸润同样是有保证的。

在基体金属和焊料之间产生反应，这就表明有良好的浸润性和粘附性。

如果固体金属不吸引焊料，⊿U是正值，这种情况下，取决于⊿U在特殊温度下的大小值，才能决定能否发生浸润。

这时，增加T⊿S值的外部热能，能对浸润起诱发作用。

这种现象可以解释弱浸润。

在焊接加温时，表面可能被浸润，在冷却时，焊料趋于凝固。

在开始凝固的区域，⊿U是正值，其值比T⊿S大得多，当⊿F最终变为正值时，浸润现象就发生了。

有两种情况，一种是两种浸润材料互相发生浸润，导致结合，二者都呈现低表面能，这时的焊点具有良好强度。

单纯的粘附作用不能产生良好的浸润性。

假如把两种原子构成的固体表面弄得很光滑，在真空中叠合在一起，它们可能粘附在一起，这种现象是两个光滑断面之间的范德华力作用。

这种结合接度以范德华力为基础，超过了任何接点的应用强度。

生产中不会出现这种情况，因为范德华力是在很短距离时才起作用。

实际工程上，表面都且有粗糙性，阻止原子密切接触。

可是在一些局部，原子结合力也会起作用，这是很微小的。

实际上，从宏观来观察时，也包括范德华力在内。

一般情况下，低表面能的材料在高表面能的材料上扩展，在这种情况下，整个系统的表面自由能减小。

一个系统两个元件表面自由能相同时，就不发生扩展，或者说停止了扩展。

电子装联常用的锡-铅系列焊料焊接铜和黄铜等金属时，焊料在金属表面产生润湿，作为焊料成分之一的锡金属就会向母材金属中扩散，在界面上形成合金属，即金属间化合物，使两者结合在一起。

在结合处形成的合金层，因焊料成分、母材材质、加热温度及表面处理等因素的不同会有变化。

钎料的机理必须从以下几个方面来解释：1、扩散理论2、晶间渗透理论3、中间合金理论4、润湿合金理论5、机械啮合理论漫流：漫流也叫扩展或铺展，它是一种物理现象，服从一般的力学规律，没有金属化学的变化。

通常低表面能的材料在高表面能的材料上漫流。

正如前面所述，漫流过程就是整个系统的表面自由能减小的过程。

一个系统两个元件自由能相同时，不会产生漫流。

在电子锡焊装联中，我们所讨论的一般都是液相体在固体表面上的漫流，漫流与液体的表面能，固体的表面性质等有关。

这是一种液体没固体表面的流动即流体力学问题，同时也有毛细作用。

漫流是浸润的先决条件。

浸润（Wetting）：软钎焊的第一个条件，就是已熔化的焊料在要连接的固体金属的表面上充分漫流以后，使之熔合一体，这样的过程叫作“浸润”（或润湿）。

粗看起来，金属表面是很光滑的。

但是，若用显微镜放大看，就能看到无数凹凸不平，晶粒界面和划痕等，熔化的焊料没着这种凹凸与伤痕，就产生毛细作用，引起漫流浸润。

产生浸润的条件为了使已熔焊料浸润固体金属表面，必须具备一定的条件。

条件之一就是焊料与固体金属面必须是“清洁”的，由于清净，焊料与母材的原子间距离就能够很小，能够相互吸引，也就是使之接近到原子间力能发生作用的程度。

斥力大于引力，这个原子就会被推到远离这个原子的位置，不可能产生浸润。

当固体金属或熔化的金属表面附有氧化物或污垢时，这些东西就会变成障碍，这样就不会产生润湿作用，金属表面必须清洁，这是一个充分条件。

表面张力：表面张力是液体表面分子的凝聚力，它使表面分子被吸向液体内部，并呈收缩状（表面积最小的形状）。

液体内部的每个分子都处在其它分子的包围之中，被平均的引力所吸引，呈平衡状态。

但是，液体表面的分子则不然，其上面是一个异质层，该层的分子密度小，平均承受垂直于液面、方向指向液体内部的引力。

其结果，出现了在液体表面形成一层薄膜的现象，表面面积收缩到最小，呈球状。

这是因为体积相同、表面积最小的形状是球体。

这种自行收缩的力是表面自由能，这种现象叫做表面张力现象，这种能量叫做表面张力或表面能。

这个表面能是对焊料的润湿起重要作用的一个因素。

毛细管现象：将熔化的清洁的焊料放在清洁的固体金属表面上时，焊料就会在固体金属表面上扩散，直到把固体金属润湿。

这种现象是这样产生的：焊料借助于毛细管现象产生的毛细管力，沿着固体金属表面上微小的凸凹面和结晶的间隙向四方扩散。

液态金属不同于固体金属，其点阵排列不规则，以原子或分子的形态做布朗运动。

因此，处在这种状态下的金属具有粘性和流动性，而没有强度。

在这种情况下，金属在熔点附近的体积变化为3~4%左右。

关于毛细现象，有多种图表进行解释，初中物理课本的水银和水在细玻璃管壁的平衡形态，就是一个很好的解说。

毛细原理是液态金属和固体金属间润湿的基础，有一个著名的托马斯－杨公式表示，大致是液态金属原子之间的作用力，液态金属和固体金属原子之间的作用力，液态金属原子和环境（空气、助焊剂等）原子作用力之间，三者的合力与液体球面切线的夹角，指向液态金属扩展的方向，则具有润湿的倾向，夹角越大，则润湿能力越强。

具体可查阅相关资料。

扩散（Diff usion）：前面对软钎焊中的重要条件——浸润问题作了叙述，与这种浸润现象同时产生的，还有焊料对固体金属的扩散现象。

由于这种扩散，在固体金属和焊料的边界层，往往形成金属化合物层（合金层）。

通常，由于金属原子在晶格点阵中呈热振动状态，所以在温度升高时，它会从一个晶格点阵自由地移动到其它晶格点阵，这人现象称为扩散现象。

此时的移动速度和扩散量取决于温度和时间。

例如，把金放在清洁的铅面上，在常温加压状态下放几天，就会结合成一体，这类的结合也是依靠扩散而形成的。

一般的晶内扩散，扩散的金属原子即使很少，也会成为固溶体而进入基体金属中。

不能形成固溶体时，可认为只扩散到晶界处。

因在常温加工时，靠近晶界处晶格紊乱，从而极易扩散。

固体之间的扩散，一般可认为是在相邻的晶格点阵上交换位置的扩散。

除此之外，也可用复杂的空穴学说来解释。

当把固体金属投入到熔化金属中搅拌混合时，有时可形成两个液相。

一般说来，固体金属和熔化金属之间就要产生扩散。

下面，就介绍这些金属间发生的扩散。

扩散的分类:扩散的程度因焊料的成分和母材金属的种类及不同的加热温度而异，它可分成从简单扩散到复杂扩散几类。

大体上说，扩散可分为两类，即自扩散（Self-diffusion）和异种原子间的扩散——化学扩散（Chemical diffusion）。

所谓自扩散，是指同种金属原子间的原子移动；而化学扩散是指异种原子间的扩散。

如从扩散的现象上看，扩散可分为三类：晶内扩散（Bulk diffusion）、晶界扩散（Grain-boundary diffusion）和表面扩散（Surface diffusion）。

通过扩散而形成的中间层，会使结合部分的物理特性和化学特性发生变化，尤其是机械特性和耐腐蚀性等变化更大。

因此，有必要对结合金属同焊料成分的组合进行充分的研究。

1、表面扩散：结晶组织与空间交界处的原子，总是易于在结晶表面流动。

可认为这与金属表面正引力作用有关。

因此，熔化焊料的原子沿着被焊金属结晶表面的扩散叫做表面扩散。

表面扩散可以看成是金属晶粒形核长大时发生的一种表面现象，也可以认为是金属原子沿着结晶表面移动的现象，是宏观上晶核长大的主要动力。

当气态金属原子在固体表面上凝结时，撞到固体表面上的原子就会沿着表面自由扩散，最后附着在结晶晶格的稳定位置上。

这种情况下的原子移动，也称为表面扩散。

一般认为，这时的扩散活动能量是比较小的。

如前如述：表面扩散也分为自扩散和化学扩散两种。

用锡-铅系列焊料焊接铁、铜、银、镍等金属时，锡在其表面有选择地扩散，由于铅使表面张力下降，还会促进扩散。

这种扩散也属表面扩散。

2、晶界扩散：这是熔化的焊料原子向固体金属的晶界扩散，液态金属原子由于具有较高的动能，沿着固体金属内部的晶粒边界，快速向纵深扩展。

与异种金属原子间晶内扩散相比，晶界扩散是比较容易发生的。

另外，在温度比较低的情况下，同后面说到的体扩散相比，晶界扩散容易产生，而且其扩散速度也比较快。

一般来说，晶界扩散的活化能量可比体扩散的活化能量小，但是，在高温情况下，活化能量的作用不占主导地位，所以晶界扩散和体扩散都能够很容易地产生。

然而低温情况下的扩散，活化能量的大小成为主要因素，这时晶界扩散非常显著，而体扩散减少，所以看起来只有晶界扩散产生。

用锡-铅焊料焊铜时，锡在铜中既有晶界扩散，又有体扩散。

另外，越是晶界多的金属，即金属的晶粒越小，越易于结合，机械强度也就越高。

由于晶界原子排列紊乱，又有空穴（空穴移动），所以极易熔解熔化的金属，特别是经过机械加工的金属更易结合。

然而经过退火的金属，由于出现了再结晶、孪晶，晶粒长大，所以很难扩散。

经退火处理的不锈钢难以焊接就是这个道理。

为了易于焊接越见，加工后的母材的晶粒越小越好。

3、体扩散（晶内扩散）熔化焊料扩散到晶粒中去的过程叫做体扩散或晶内扩散。

回流焊发展阶段以及控制特点回流焊技术在电子制造领域并不陌生，我们电脑内使用的各种板卡上的元件都是通过这种工艺焊接到线路板上的，这种设备的内部有一个加热电路，将空气或氮气加热到足够高的温度后吹向已经贴好元件的线路板，让元件两侧的焊料融化后与主板粘结。

这种工艺的优势是温度易于控制，焊接过程中还能避免氧化，制造成本也更容易控制。

由于电子产品PCB板不断小型化的需要，出现了片状元件，传统的焊接方法已不能适应需要。

首先在混合集成电路板组装中采用了回流焊工艺，组装焊接的元件多数为片状电容、片状电感，贴装型晶体管及二极管等。