钎焊机理

HEATS · 发表于 2010-9-12 16:10:46

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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。

由于本论坛不支持文档中夹图表，因此在这里省略金属结构和原子相互作用力的示意图解释，请大家海

涵。

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。焊料向母材内部的晶粒间扩散。由于晶界之间的能量起伏，因此这个扩散阶段，可形成不同成分的合金。沿不同的结晶方向，扩散程度不同。由于扩散，母材内部生成各种组成的合金。在某些情况下，晶格变化会引起晶粒自身分开。对于体扩散，如焊料的扩散超过母材允许固溶度，就会产生象铜和锡共存的那种晶格变化，使晶粒分开，形成新晶粒。这种扩散是在铜及黄铜等金属被加热到较高温度时发生的。

4、晶格内扩散

将焊料沿着晶体内特定的晶面，以特定的方向扩散的过程叫做晶格内面扩散或网孔状扩散。这是由于固体金属的不规则，熔化的金属原子向某一个面析出及晶格缺陷而引起的。这种扩散也可沿结晶轴方向发生，焊料金属可分割晶粒，引起和晶界扩散相类拟的现象。

在电子产品用的锡铅焊料中，几乎不发生这种扩散，这里仅做为参考。

5、选择扩散

用二种以上的金属元素组成的焊料焊接时，其中某一金属元素先扩散，或者只有某一金属元素扩散，其它金属元素根本不扩散，这种扩散叫做选择扩散。前面所说的扩散，都是以熔化金属向母材中的扩散现象作为分类依据的。这里所讲的扩散，是指熔化金属自身的扩散方式。

当用锡-铅焊料焊接某一金属时，焊料成分中的锡向固体金属中扩散，而铅不扩散，这就是前面说的选择扩散。因此在合金层靠焊料一侧，在显微镜下观察金相，可看到一层薄薄的黑色带状，这就是富铅层。钎焊紫铜和黄铜时也同样有这种扩散。

关于扩散，菲克定律定量地描述了各种关系。由于公式和图表制作的不便，在这里就省略了，感兴趣的同志可以参考相关书籍。

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