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釬焊的機理

查看：1641 　發稿日期：2016-01-13 19:51:09

釬焊分為硬釬焊和軟釬焊。主要是根據釬料（以下稱焊料）的熔化溫度來區分的，一般把熔點在450℃以下的焊料叫作軟焊料，使用軟焊料進行的焊接就叫軟釬焊；把熔點在450℃以上的焊料叫作硬焊料，使用硬焊料進行的焊接就叫硬釬焊。在美國MIL SPEC軍用標準中，是以800℉（429℃）的金屬焊料的熔點作為區分硬釬焊和軟釬焊的標準。
電子裝聯用錫焊是一種軟釬焊，其焊料主要使用錫Sn、鉛Pb、銀Ag、銦In、鉍Bi等金屬，目前使用最廣的是Sn-Pb和Sn-Pb-Ag系列共晶焊料，熔點一般在185℃左右。

釬焊意味著固體金屬表面被某種熔化合金浸潤。這種現象可用一定的物理定律來表示。如果從熱力學角度來考慮浸潤過程，也有各種解釋的觀點。有一種觀點是用自由能來解釋的。
⊿F＝⊿U－T⊿S 在這里，F是自由能，U是內能，S是熵。 ⊿F與兩種因素有關，即與內能和熵的改變有關。一般S常常趨向于最大值，因此促使－T⊿S也變得更小。實際上，當固體與液體接觸時，如果自由能F減少，即⊿F是負值，則整個系統將發生反應或趨向于穩定狀態。由此可知，熵是浸潤的促進因素，因為熵使⊿F的值變得更小。 ⊿F的符號最終決定于⊿U的大小和符號，它控制著浸潤是否能夠發生。為了產生浸潤，焊料的原子必須與固體的原子接觸，這就引起位能的變化，如果固體原子吸引焊料，熱量被釋放出來，⊿U是負值。如果不考慮⊿U的大小和量值，那么，熵值的改變與表面能的改變有同樣的意義，浸潤同樣是有保證的。在基體金屬和焊料之間產生反應，這就表明有良好的浸潤性和粘附性。如果固體金屬不吸引焊料，⊿U是正值，這種情況下，取決于⊿U在特殊溫度下的大小值，才能決定能否發生浸潤。這時，增加T⊿S值的外部熱能，能對浸潤起誘發作用。這種現象可以解釋弱浸潤。在焊接加溫時，表面可能被浸潤，在冷卻時，焊料趨于凝固。在開始凝固的區域，⊿U是正值，其值比T⊿S大得多，當⊿F最終變為正值時，浸潤現象就發生了。

有兩種情況，一種是兩種浸潤材料互相發生浸潤，導致結合，二者都呈現低表面能，這時的焊點具有良好強度。單純的粘附作用不能產生良好的浸潤性。假如把兩種原子構成的固體表面弄得很光滑，在真空中疊合在一起，它們可能粘附在一起，這種現象是兩個光滑斷面之間的范德華力作用。這種結合接度以范德華力為基礎，超過了任何接點的應用強度。生產中不會出現這種情況，因為范德華力是在很短距離時才起作用。實際工程上，表面都且有粗糙性，阻止原子密切接觸。可是在一些局部，原子結合力也會起作用，這是很微小的。實際上，從宏觀來觀察時，也包括范德華力在內。
一般情況下，低表面能的材料在高表面能的材料上擴展，在這種情況下，整個系統的表面自由能減小。一個系統兩個元件表面自由能相同時，就不發生擴展，或者說停止了擴展。
電子裝聯常用的錫-鉛系列焊料焊接銅和黃銅等金屬時，焊料在金屬表面產生潤濕，作為焊料成分之一的錫金屬就會向母材金屬中擴散，在界面上形成合金屬，即金屬間化合物，使兩者結合在一起。在結合處形成的合金層，因焊料成分、母材材質、加熱溫度及表面處理等因素的不同會有變化。釬料的機理必須從以下幾個方面來解釋：

1、擴散理論
2、晶間滲透理論
3、中間合金理論
4、潤濕合金理論
5、機械嚙合理論

漫流

漫流也叫擴展或鋪展，它是一種物理現象，服從一般的力學規律，沒有金屬化學的變化。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，漫流過程就是整個系統的表面自由能減小的過程。一個系統兩個元件自由能相同時，不會產生漫流。在電子錫焊裝聯中，我們所討論的一般都是液相體在固體表面上的漫流，漫流與液體的表面能，固體的表面性質等有關。這是一種液體沒固體表面的流動即流體力學問題，同時也有毛細作用。漫流是浸潤的先決條件。

浸潤（Wetting）

軟釬焊的第一個條件，就是已熔化的焊料在要連接的固體金屬的表面上充分漫流以后，使之熔合一體，這樣的過程叫作“浸潤”（或潤濕）。粗看起來，金屬表面是很光滑的。但是，若用顯微鏡放大看，就能看到無數凹凸不平，晶粒界面和劃痕等，熔化的焊料沒著這種凹凸與傷痕，就產生毛細作用，引起漫流浸潤。

產生浸潤的條件

為了使已熔焊料浸潤固體金屬表面，必須具備一定的條件。條件之一就是焊料與固體金屬面必須是“清潔”的，由于清凈，焊料與母材的原子間距離就能夠很小，能夠相互吸引，也就是使之接近到原子間力能發生作用的程度。斥力大于引力，這個原子就會被推到遠離這個原子的位置，不可能產生浸潤。當固體金屬或熔化的金屬表面附有氧化物或污垢時，這些東西就會變成障礙，這樣就不會產生潤濕作用，金屬表面必須清潔，這是一個充分條件。
由于本論壇不支持文檔中夾圖表，因此在這里省略金屬結構和原子相互作用力的示意圖解釋，請大家海涵。

表面張力

表面張力是液體表面分子的凝聚力，它使表面分子被吸向液體內部，并呈收縮狀（表面積最小的形狀）。液體內部的每個分子都處在其它分子的包圍之中，被平均的引力所吸引，呈平衡狀態。但是，液體表面的分子則不然，其上面是一個異質層，該層的分子密度小，平均承受垂直于液面、方向指向液體內部的引力。其結果，出現了在液體表面形成一層薄膜的現象，表面面積收縮到最小，呈球狀。這是因為體積相同、表面積最小的形狀是球體。這種自行收縮的力是表面自由能，這種現象叫做表面張力現象，這種能量叫做表面張力或表面能。這個表面能是對焊料的潤濕起重要作用的一個因素。

毛細管現象

將熔化的清潔的焊料放在清潔的固體金屬表面上時，焊料就會在固體金屬表面上擴散，直到把固體金屬潤濕。這種現象是這樣產生的：焊料借助于毛細管現象產生的毛細管力，沿著固體金屬表面上微小的凸凹面和結晶的間隙向四方擴散。
液態金屬不同于固體金屬，其點陣排列不規則，以原子或分子的形態做布朗運動。因此，處在這種狀態下的金屬具有粘性和流動性，而沒有強度。在這種情況下，金屬在熔點附近的體積變化為3~4%左右。
關于毛細現象，有多種圖表進行解釋，初中物理課本的水銀和水在細玻璃管壁的平衡形態，就是一個很好的解說。毛細原理是液態金屬和固體金屬間潤濕的基礎，有一個著名的托馬斯－楊公式表示，大致是液態金屬原子之間的作用力，液態金屬和固體金屬原子之間的作用力，液態金屬原子和環境（空氣、助焊劑等）原子作用力之間，三者的合力與液體球面切線的夾角，指向液態金屬擴展的方向，則具有潤濕的傾向，夾角越大，則潤濕能力越強。具體可查閱相關資料。

擴散（Diff usion）

前面對軟釬焊中的重要條件——浸潤問題作了敘述，與這種浸潤現象同時產生的，還有焊料對固體金屬的擴散現象。由于這種擴散，在固體金屬和焊料的邊界層，往往形成金屬化合物層（合金層）。
通常，由于金屬原子在晶格點陣中呈熱振動狀態，所以在溫度升高時，它會從一個晶格點陣自由地移動到其它晶格點陣，這人現象稱為擴散現象。此時的移動速度和擴散量取決于溫度和時間。例如，把金放在清潔的鉛面上，在常溫加壓狀態下放幾天，就會結合成一體，這類的結合也是依靠擴散而形成的。
一般的晶內擴散，擴散的金屬原子即使很少，也會成為固溶體而進入基體金屬中。不能形成固溶體時，可認為只擴散到晶界處。因在常溫加工時，靠近晶界處晶格紊亂，從而極易擴散。
固體之間的擴散，一般可認為是在相鄰的晶格點陣上交換位置的擴散。除此之外，也可用復雜的空穴學說來解釋。當把固體金屬投入到熔化金屬中攪拌混合時，有時可形成兩個液相。一般說來，固體金屬和熔化金屬之間就要產生擴散。下面，就介紹這些金屬間發生的擴散。

擴散的分類

擴散的程度因焊料的成分和母材金屬的種類及不同的加熱溫度而異，它可分成從簡單擴散到復雜擴散幾類。
大體上說，擴散可分為兩類，即自擴散（Self-diffusion）和異種原子間的擴散——化學擴散（Chemical diffusion）。所謂自擴散，是指同種金屬原子間的原子移動；而化學擴散是指異種原子間的擴散。如從擴散的現象上看，擴散可分為三類：晶內擴散（Bulk diffusion）、晶界擴散（Grain-boundary diffusion）和表面擴散（Surface diffusion）。
通過擴散而形成的中間層，會使結合部分的物理特性和化學特性發生變化，尤其是機械特性和耐腐蝕性等變化更大。因此，有必要對結合金屬同焊料成分的組合進行充分的研究。

1、表面擴散：

結晶組織與空間交界處的原子，總是易于在結晶表面流動。可認為這與金屬表面正引力作用有關。因此，熔化焊料的原子沿著被焊金屬結晶表面的擴散叫做表面擴散。表面擴散可以看成是金屬晶粒形核長大時發生的一種表面現象，也可以認為是金屬原子沿著結晶表面移動的現象，是宏觀上晶核長大的主要動力。當氣態金屬原子在固體表面上凝結時，撞到固體表面上的原子就會沿著表面自由擴散，最后附著在結晶晶格的穩定位置上。這種情況下的原子移動，也稱為表面擴散。一般認為，這時的擴散活動能量是比較小的。如前如述：表面擴散也分為自擴散和化學擴散兩種。
用錫-鉛系列焊料焊接鐵、銅、銀、鎳等金屬時，錫在其表面有選擇地擴散，由于鉛使表面張力下降，還會促進擴散。這種擴散也屬表面擴散。

2、晶界擴散：

這是熔化的焊料原子向固體金屬的晶界擴散，液態金屬原子由于具有較高的動能，沿著固體金屬內部的晶粒邊界，快速向縱深擴展。與異種金屬原子間晶內擴散相比，晶界擴散是比較容易發生的。另外，在溫度比較低的情況下，同后面說到的體擴散相比，晶界擴散容易產生，而且其擴散速度也比較快。
一般來說，晶界擴散的活化能量可比體擴散的活化能量小，但是，在高溫情況下，活化能量的作用不占主導地位，所以晶界擴散和體擴散都能夠很容易地產生。然而低溫情況下的擴散，活化能量的大小成為主要因素，這時晶界擴散非常顯著，而體擴散減少，所以看起來只有晶界擴散產生。
用錫-鉛焊料焊銅時，錫在銅中既有晶界擴散，又有體擴散。另外，越是晶界多的金屬，即金屬的晶粒越小，越易于結合，機械強度也就越高。由于晶界原子排列紊亂，又有空穴（空穴移動），所以極易熔解熔化的金屬，特別是經過機械加工的金屬更易結合。然而經過退火的金屬，由于出現了再結晶、孿晶，晶粒長大，所以很難擴散。經退火處理的不銹鋼難以焊接就是這個道理。為了易于焊接越見，加工后的母材的晶粒越小越好。

3、體擴散（晶內擴散）

熔化焊料擴散到晶粒中去的過程叫做體擴散或晶內擴散。焊料向母材內部的晶粒間擴散。由于晶界之間的能量起伏，因此這個擴散階段，可形成不同成分的合金。沿不同的結晶方向，擴散程度不同。由于擴散，母材內部生成各種組成的合金。在某些情況下，晶格變化會引起晶粒自身分開。對于體擴散，如焊料的擴散超過母材允許固溶度，就會產生象銅和錫共存的那種晶格變化，使晶粒分開，形成新晶粒。這種擴散是在銅及黃銅等金屬被加熱到較高溫度時發生的。

4、晶格內擴散

將焊料沿著晶體內特定的晶面，以特定的方向擴散的過程叫做晶格內面擴散或網孔狀擴散。這是由于固體金屬的不規則，熔化的金屬原子向某一個面析出及晶格缺陷而引起的。這種擴散也可沿結晶軸方向發生，焊料金屬可分割晶粒，引起和晶界擴散相類擬的現象。
在電子產品用的錫鉛焊料中，幾乎不發生這種擴散，這里僅做為參考。

5、選擇擴散

用二種以上的金屬元素組成的焊料焊接時，其中某一金屬元素先擴散，或者只有某一金屬元素擴散，其它金屬元素根本不擴散，這種擴散叫做選擇擴散。前面所說的擴散，都是以熔化金屬向母材中的擴散現象作為分類依據的。這里所講的擴散，是指熔化金屬自身的擴散方式。
當用錫-鉛焊料焊接某一金屬時，焊料成分中的錫向固體金屬中擴散，而鉛不擴散，這就是前面說的選擇擴散。因此在合金層靠焊料一側，在顯微鏡下觀察金相，可看到一層薄薄的黑色帶狀，這就是富鉛層。釬焊紫銅和黃銅時也同樣有這種擴散。

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