影响钎料润湿作用的因素优化

当带有镀层的PCB和元器件引线在较高温度下长时间放置或在氧化气氛中放置时，会造成镀层金属氧化，同时还会使镀层与基体金属之间所形成的化合物层不断长大。这两类情况都将影响钎料的润湿性。镀层过分氧化会增加助焊剂去除氧化膜的难度，因而可能造成润湿不良，从而影响元器件管脚的可焊性。这类问题可以通过增强助焊剂活性的方法来解决。但随着助焊剂活性的增加，腐蚀的危险性也增大，因此不得不进行严格的焊后清洗，这将使生产成本显著增加。而且，对于某些体系和结构，清洗也不能完全避免腐蚀问题。所以保证PCB和元器件引线在焊前不过分氧化是非常重要的。锡铅钎料在暴露于大气中的铜锡化合物表面上的润湿性是很差的，因此要保证镀层具有一定的厚度，使其在长期存放过程中化合物不至于生长到表面，镀层的厚度一般不得低于7.5μm。这种厚度可以保证锡铅共晶合金镀层在某些人为造成的严酷环境中经过24h时效后仍具有优良的焊接性。而当镀层厚度小于2.5μm时，经过4h的时效后，就可能出现反润湿现象。镀层质量对软钎焊同样具有重要意义。热浸镀层的厚度常常不均匀，因而会出现局部区域涂层太薄并影响到润湿性的情况。电镀层的厚度比较均匀，但镀层如果呈现多孔性，并且在镀层表面下常有一些有害的有机物质，这也可能影响到润湿性。

互连钎料的焊接性是指材料易于采用钎料进行软钎焊连接的能力。在电子行业中，焊接性常指软钎焊接性。对于那些易于实现软钎焊连接的材料，我们称之为焊接性优良的材料；反之，则认为其焊接性不佳。焊接性的优劣，在很大程度上取决于基板与钎料体系的润湿状态，所以可用润湿情况来评价它。一般来说，如果钎料对基板的润湿性能良好，则焊接性通常也比较好。

钎料对基板润湿是形成优良焊点的基本前提。润湿的程度可以用钎料在基板上的接触角来表示。润湿程度大致分为润湿良好、部分润湿和不润湿等几种情况。润湿良好是指在焊接面上留下一层均匀、连续、光滑、无裂痕、附着好的钎料，此时接触角明显小于30°；部分润湿是指金属表面一些地方被钎料润湿，另一些地方表现为不润湿，此时接触角在30°～90°；不润湿是指钎料在焊接面上不能有效铺展，甚至在外力作用下钎料可以去除。一般地，接触角小于90°时，认为焊点是合格的，大于90°时，则认为焊点是不合格的。

在实际的微电子焊接过程中，影响钎料润湿性能的因素有很多，主要有以下几个：

（1）钎料和基板的成分 钎料与基板在液态和固态下均不发生相互作用，则润湿性很差；若钎料能与基板互溶或者生成化合物，则钎料能较好地润湿基板。合金元素的种类和添加量对润湿性有很大的影响。对于那些与基板无相互作用因而润湿性差的钎料，借助在钎料中加入能与基板形成共同相的合金元素，就可以改善它对基板的润湿性。图3-9所示为锡铅钎料的表面张力在钢上的润湿角与银钎料成分的关系。纯铅与钢基本上不形成共同相，故铅对钢润湿性很差，但铅中加入能与钢形成共同相的锡后，钎料在钢上的润湿角减小。含锡量越多，润湿性越好。钎料本身的表面张力在加锡后是提高的，应该不利于润湿性的改善，然而仍取得了润湿角显著减小的效果。这主要是依靠加锡使液态钎料与基板之间的界面张力得以减小所致。图3-10所示为银钯料在镍铬合金上润湿角与银钎料含钯量的关系曲线。随着含钯量的提高，润湿角大大减小，这是因为Pd与Ni（Fe、Co、Cu、Ag、Au）等金属不但在液相中，就是在固相也有完全的互溶度，故增加润湿性最为有效，由此发展了许多含Pd的钎料。

研究表明，钎料加入合金元素而改善润湿性的作用，主要取决于它们对液态钎料与基板界面张力的影响。合金元素与基板存在相互作用时均能使此张力减小。图3-11中给出了Sn-Zn-xCu钎料在Cu基板上的润湿角。由图可见，当Cu的含量增加时，钎料的润湿角也不断降低。

电子元器件引线及印制电路板的焊盘等多采用纯铜、可伐合金等金属材料制成。为了保护表面不受大气侵蚀，在它们的表面涂覆一层金、银、镍、锡及锡合金等。这些元器件经过制造过程的工艺高温及某些气体的腐蚀，其表面涂覆的材料被氧化而生成氧化物薄膜。这层氧化物薄膜的构成和厚度就决定了焊接性的好坏。

图3-9 锡铅钎料的表面张力在钢上的润湿角与钎料成分的关系

图3-10 润湿角与银钎料含钯量的关系

图3-11 Sn-Zn-xCu钎料在Cu基板上润湿角

近年来为了获得焊接性良好的涂覆层，在元器件引线表面多用电镀或热浸涂的方法涂覆一层锡或锡铅合金。研究发现锡与铜在室温下能相互扩散，生成Cu₆Sn₅金属间化合物，随着温度的升高，扩散加快。焊接时，此氧化物涂层表面很难清除，焊接性不好。故元器件引线不宜长期储存和高温处理（如老化处理）。元器件进厂后在送到装配线前一定要测定引线的焊接性，这是保证获得优质焊点的关键。

（2）钎焊温度 温度对钎料的润湿性也有很大的影响。通常来说，温度越高，钎料的润湿性越好。这与表面张力的减小及界面反应有关。大多数物质的表面张力会随着温度的升高而降低，适当的提高焊接温度可以降低液态钎料的表面张力和提高钎料的铺展能力，有助于提高钎料的润湿性。但是，提高温度来改善润湿的作用十分有限，如果钎焊温度过高，钎料的润湿性过强往往会造成钎料流失，同时还会引起基板材料的晶粒长大、溶蚀等现象，造成钎焊缺陷。一般来说，钎焊温度越高，润湿效果就越好，铺展面积就越大，但温度不能过高或过低。温度过高时，可能引起钎料中低沸点组元的蒸发，钎料的铺展能力过强时容易造成钎料的流失，不易填满钎缝，基板与钎料的相互作用过于强烈而导致溶蚀等缺陷；温度低时，钎料的粘度大，不易流动填缝，而且钎料与基板不能充分地作用，致使焊点不能形成牢固的结合。所以钎焊温度不能过高，也不能过低。通常钎焊温度选择为高于钎料液相线温度25～60℃为宜。

（3）基板表面的氧化物 金属表面总是存在氧化物。在有氧化膜的金属表面上液态钎料往往凝聚成球状，不与金属发生润湿。氧化物对钎料润湿性的这种有害作用是由于氧化物的表面张力比金属本身要低得多所致。如前所述，σ_s-g>σ_l-s是液体润湿固体的基本条件。覆盖着氧化膜的基板表面与无氧化膜的洁净表面相比，其表面张力显著减小，致使σ_s-g<σ_l-s，出现不润湿现象。所以在钎焊中应十分注意清除钎料和基板表面的氧化物，以保证润湿性。(www.xing528.com)

（4）基板的表面粗糙度 基板的表面粗糙度在许多情况下会影响钎料对它的润湿。钎料与基板相互作用较弱的情况下，基板表面较粗糙可以改善润湿性，因为较粗糙表面上的纵横交错的细槽对液态钎料起到了特殊的毛细作用，促进了钎料沿基板表面的铺展。若钎料与基板之间相互作用较强，表面粗糙度对润湿的影响效果不甚明显，因为基板被迅速溶蚀，这种毛细作用也就不复存在了。

图3-12为表面粗糙度对润湿的影响，图3-12a为假设的理想平面，图3-12b所示为有一定表面粗糙度的实际平面，液/固界面从a点到b点推进相同的直线距离。

图3-12 表面粗糙度对润湿的影响

a）理想平面 b）实际平面

对于图3-12a，液/固界面积增大A，固/气界面积减小A，液/气界面积增加Acosθ₁，系统平衡时，自由能的变化为

对于图3-12b，液/固界面积增大nA（n为表面粗糙度系数，n＞1），固/气界面积减小nA，液/气界面积增加Acosθ₂，系统平衡时，自由能的变化为

当θ在0°～90°范围内，cosθ为单减函数，故必有θ₂＜θ₁。因此，适当增加母材表面粗糙度有利于改善液态钎料对母材表面的润湿性，显然，也有利于提高液态钎料对母材的填缝能力。

（5）钎剂 在焊接时，钎料处于熔融状态，在洁净的基板表面无须加多大的压力，即可发生润湿作用（见图3-13）。只要金属表面不存在大量的氧化物和污垢，钎料中的原子就可以被自由地吸引，到达与基板产生原子间结合的距离。由此可知，焊接时必须将妨碍熔化钎料与基板原子接近的氧化物或污垢彻底清除，因此在微电子焊接中，广泛采用助焊剂（钎剂），不仅溶解氧化物，活化金属表面，使钎料在基板表面润湿良好；以液体薄层覆盖钎料和基板的表面，起到隔绝空气的作用；而且能使液态钎料与基板之间的界面张力发生变化，起到活性剂的作用，改善钎料的润湿。

图3-13 钎剂作用下的润湿

（6）环境气氛 钎焊时，环境气氛对润湿性的影响是显而易见的。在钎焊温度下，钎焊区域裸露在空气中，金属表面极易氧化，严重阻碍钎料的润湿，不得不采取一定的去膜措施。采用保护气氛的钎焊，如用惰性的氩气，虽然氩气没有去除金属表面氧化膜的能力，但它能保护金属不被氧化以利于钎料的润湿。还原性气氛如氢和一氧化碳作为钎焊的保护气氛，除了提供钎焊区的低氧分压外，还能将金属氧化膜还原。当然，在钎焊时必须考虑这些气体的纯度（露点）。真空钎焊是一项将焊件置于真空条件下实施钎焊的技术，焊件在真空中加热时其金属氧化膜会因发生挥发、破碎、溶解、还原等而被去除，使钎焊的润湿性得到保证。