SMT回流焊温度解析之锡膏焊接特性

SMT回流焊工艺简介

SMT回流焊工艺是通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏状软钎焊料，实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。

本篇文章通过焊接概述、焊接机理两方面对回流工艺中的锡膏焊接特性进行介绍。

焊接概述

一、焊接种类

焊接根据操作方式的不同分为熔焊、压焊以及钎焊。其中焊接温度低于450℃的焊接统称为软钎焊，回流焊接属于软钎焊的一种。

二、焊接过程

主要焊接流程为：表面清洁——焊件加热——熔锡润湿——扩散结合层——冷却后形成焊点。

在焊接过程中，焊接金属表面（母材，以Cu为例）、助焊剂、熔融焊料之间相互作用，会涉及到部分物理化学变化——

1、助焊剂与母材的反应

（1）松香去除氧化膜

（2）溶融盐去除氧化膜

（3）母材被溶蚀

（4）助焊剂中的金属盐与母材进行置换反应。

2、助焊剂与焊料的反应：还原反应、活化反应、氧化。

3、焊料与母材的反应：润湿、扩散、溶解、冶金结合，形成结合层。

焊接机理

熔融的焊料在经过助焊剂净化的金属表面上进行浸润、发生扩散、溶解、冶金结合，在焊料和被焊接金属表面之间生成焊缝，冷却后使焊料凝固，形成焊点。

焊点的抗拉强度与金属间结合层的结构和厚度有关。

1、润湿

润湿是焊接的首要条件，焊点的最佳润湿角θ为Cu——Pb/Sn 15~45 °；当θ=0°时，完全润湿；当θ=180°时，完全不润湿。

（润湿角θ = 焊料和母材之间的界面与焊料表面切线之间的夹角）

润湿条件：

（a）液态焊料与母材之间有良好的亲和力，能互相溶解。互溶程度取决于原子半径和晶体类型，因此润湿是物质固有的性质。

（b）液态焊料与母材表面清洁，无氧化层和其它污染物。

2、表面张力

表面张力使再流焊工艺对贴装精度要求比较宽松，比较容易实现高度自动化与高速度。当焊膏达到熔融温度时，在平衡的表面张力的作用下，会产生自定位效应（selfalignment）。

如果表面张力不平衡，焊接后会出现元件位置偏移、吊桥、桥接、等焊接缺陷。

（自定位效应：由于熔融焊料表面张力的作用，回流焊能在焊接时能将微小偏差自动纠正，使元器件固定在正确的位置上。）

3、毛细管作用

在软钎焊过程中，要获得优质的钎焊接头，需要液态钎料能够充分流入到两个焊件的缝隙中。

回流流焊时，毛细作用能够促进元件焊端底面与PCB焊盘表面之间液态焊料的流动。

液态焊料在粗糙的金属表面也存在毛细管现象，有利于液态焊料沿着粗糙凹凸不平的金属表面铺展、浸润，因此毛细管现象利于焊接 。

4、扩散

扩散条件：金属表面清洁，无氧化层和其它杂质，两块金属原子间才会发生引力，且在一定温度下金属分子才具有动能。

锡-铜合金层

锡-镍合金层

金属间结合层的厚度与抗拉强度的关系:

◆ 厚度为0.5μm时抗拉强度最佳；

◆ 0.5~4μm时的抗拉强度可接受；

◆ ＜0.5μm时，由于金属间合金层太薄，几乎没有强度；

◆ ＞4μm时，由于金属间合金层太厚，使连接处失去弹性，由于金属间结合层的结构疏松、发脆，也会使强度小。

金属间结合层厚度（μm）

金属间结合层厚度与抗拉强度的关系

金属间结合层的质量与厚度与以下因素有关：

◆ 焊料的合金成份和氧化程度；

◆ 助焊剂质量（净化表面，提高浸润性）；

◆ 被焊接金属表面的氧化程度；

◆ 焊接温度和焊接时间：焊点和元件受热的热量随温度和时间的增加而增加，金属间结合层的厚度与焊接温度和时间成正比。

总结

锡膏焊接是SMT回流工艺中的重要环节之一，操作不当可能会对产品的性能及可靠性产生负面影响，需要注意过程中对温度的控制和质量要求。

后续将以专栏的形式继续分享SMT回流焊温度解析相关内容，敬请关注。

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审核编辑 黄宇