大部分使用无铅合金焊接的焊点表面粗糙、无光泽，这和锡铅焊点光滑、明亮、光泽的表面不同。本文探讨形成这种现象的原因。
作者：Gerjan Diepstraten
大部分使用无铅合金焊接的焊点呈灰暗或者灰白色。这和锡铅焊点光滑、明亮、有光泽的表面有所不同。这是无铅焊接中使用的SAC（锡银铜）合金的典型特征。这一现象的产生有许多原因。其中的一个原因是，无铅合金含有三种不同的元素，焊料凝固时，三种元素共晶。这些共晶有它们各自的熔点和凝固状态。
不同共晶晶核的形成
焊料是由两种或者更多金属混合而成的合金组成。它的熔化和凝固，取决于在焊料不同共晶可能凝固的区域。在焊料中含有铜和银时就会出现这种情形。在这种情况下，CuSn-和AgSn-二元共晶部分或者初晶晶粒，可能都会在焊点焊料凝固时再次形成SnAgCu三元共晶。
在SAC合金里可能形成不同的共晶是：Sn5Cu6（在227℃）、SnAg3（在221℃）和Sn+SnAg3+Sn5Cu6（在217℃）。然而，如果整个工艺都不使用含铅元素，就是这样。但是，对于富锡合金，锡晶体可能会在焊点冷却到232℃时凝结在合金层的外面。如果元件引脚镀了锡铅合金，从锡铅镀层中熔解出来的铅也会形成共晶晶粒。对于锡铅共晶体，焊点中焊料某些部分的熔点会降低到183℃；对于SnPbAg共晶体，焊点中焊料某些部分的熔点会降低到178℃。
凝固时焊料的收缩
熔化了的焊料在凝固时收缩大约4%。体积的缩小大部分是出现在焊料最后凝固的地方。通常在这些地方出现熔化温度最低的共晶晶粒。如果这些晶粒是在焊点的表面，就可能导致焊点呈现灰暗。体积缩小这4%，往往就是焊点中出现微裂纹的原因。例如，在这个过程中，当焊钖因为焊接时焊盘向上移动而流动，并在冷却时流回去，这些微裂纹就会由于体积缩小和流动而演变成为更大的裂纹。这些裂纹只会在焊点的表面出现。孔壁上的铜和引脚之间的焊料通常会形成可靠的连接，增加焊点的强度。
焊膏未完全凝固时待焊元件移动或者焊料流动
当焊料还未完全凝固时，待焊元件或者焊料发生抖动，最坏的情况是焊点产生裂纹，最好的情况是焊点失去光泽。在焊点形成时焊盘的自然移动，也会引起这个现象。在元件有很多引脚（如连接器）的情况下，焊盘的移动相当大，有可能会导致焊钖撕裂、焊锡浮起或者焊盘的撕裂。
通孔铜镀层与环氧基材料的热膨胀系数（CTE）不同，会引起焊盘变化。于是在接触到焊锡波时，焊盘会上升，沿着铜桶的边沿上呈楔形，在液态焊料流进孔中形成焊点的过程中也会出现这个现象。
只要焊点一离开焊料焊钖波，它就开始凝固。最初，在此期间较多的热量转移到环氧/玻璃布材料上，直到热能完全消失。然后，电路板冷却，并恢复到原来的状态。此时，楔形的焊盘又恢复成平面状。当这一切发生时，焊料并未完全凝固，它仍处于糊状。正是这时的抖动会在焊点凝固时影响焊点的表面，并与收缩和撕裂一起导致裂纹产生。裂纹通常与印刷电路板表面是平行的。有时裂纹呈环状。
焊点的外观
在凝固期间，最低熔点的共晶被已经凝固的微粒（熔点更高的共晶）所包围。这就是说，在焊点的最后凝固阶段，液态的熔融的焊料和已经凝固的微粒，形成了不同的纹理结构。在凝固时，焊料的体积大约收缩4%。体积的减少和收缩大多数发生在焊点最后凝固的那部分合金。在液体和固体混合凝固的不同阶段，它们各有不同的表面结构，加上体积的收缩，就形成了表面没有光泽的焊点。 一般而言，所有这些机理都是同时发生的，只是每一组焊点的速度各不相同。这可以解释为焊接后焊点的外观的差别。因为灰暗的焊点表面是由于工艺过程和使用的合金共同所致的，这样的结果应该看作是“正常”的。这也是为什么灰暗或者没有光泽的焊点，应该视为正常的而不是缺陷的原因。
强迫冷却的效果
强迫冷却可以帮助印刷电路板以较快的速度降低温度，但是对于上述机理没有任何实际作用。它能够防止在焊接后焊点在凝固时散发出的热量进一步积累起来——如果是在安装元件的一侧冷却的话。通过测量焊点凝固时温度的变化，我们知道大多数焊点是在离开焊锡波之后的三秒钟内完成凝固的。在这之后的任何冷却，对已经凝固的焊点都不会有重要的作用。在这三秒钟内，强迫风冷也会将焊锡波冷却，这不是人们想要的，最好不要这么做。使用SAC合金时，达到凝固温度的时间一般是1.4秒，而焊点在离开焊锡波后在3.2秒内完全凝固。
结论
在无铅焊接中，焊点没有光泽或者灰暗，这是正常的，不应当把它当作缺陷来看待。由于个别焊点热设计上的不同，不同的冷却状态，都会导致同一块电路板的焊点之间灰暗程度或者光泽度不同。在一个工艺过程中，同类的焊点大致相同，焊接后的外观也差不多。然而，其他的焊点，例如，较大或者较小的孔、不同尺寸的焊盘、其他类型的引脚或不同的元件，它们经受不同的冷却过程，结果就会有不同的焊点表面。最后，焊料的成分是所有问题和结果的主导因素。在无铅波峰焊接中，在焊接之后的强迫冷却无法消除或防止焊点外观灰暗。
本文作者
Gerjan Diepstraten 是Vitronics Soltec公司高级应用工程师。电邮地址：info@vitronics-soltec.com
收缩的成因
如果焊料合金包含的元素能够形成一种以上的共晶合金，那么，就会形成不同的收缩方式，使焊点表面变得粗糙。因为，焊点上的焊料体积、元件的散热效果、合金成分和引脚镀覆层等因素，都会影响焊点脱离波峰之后的冷却过程，所有焊点的凝固将不会是一样的。在焊接过程完成后，焊点会有不同的表面。原因如下：
我们假设一定数量SAC焊料的三元成分为Sn3.5Ag0.9Cu。这种合金的熔点是217℃。在理想的情况下，它只有这个熔点，不会因为二元共晶而存在其他熔点。因此，这焊料将凝固成均匀的合金，由于有三个精确的共晶成分和相同的熔化温度，它处于完全平衡的状态。通常，在这些条件下，合金凝固后会形成光滑的表面，因为全部焊料是均匀地收缩的。
接下来，我们假设故意另外把锡添加到这个完美的三元混合焊料中。这部分锡不能成为三元共晶的一部分，因为合金中锡太多了。这部分锡的熔点是232℃，冷却时它将先凝固为晶体（树枝状晶体），直至其余的液体混合物达到理想的三元共晶组成。当其余的液体混合物在217℃温度下继续凝固，焊料就会收缩大约4%。这种收缩是由于其余的液体而引发的，而不是已经凝固的树枝状锡晶体。最后的收缩会发生在焊点温度低于217℃时。在大多数情况下，这部分收缩与时间最长的波峰焊有关。因此，树枝状锡晶体外形，主要出现在已经凝固的焊料的表面。
对于实际的焊点，假设我们一开始就有这样一种理想的三元混合物合金，那么它可能会由印刷电路板与引脚的金属元素混合而成。部分元素将熔化到形成焊点的数量有限的焊料中，将扰乱理想的三元共晶。这意味着焊料混合物不只在217℃的温度下凝固，部分混合物会在232℃、227℃或者221℃凝固。在元件引脚镀了锡铅的情况下，熔点是183℃ 和178℃的锡铅共晶晶粒或者SnPbAg共晶晶粒先后产生。在大多数情况下，使用的SAC合金的成分会偏离理想的共晶成分，就会产生不同的共晶，最后导致焊点表面粗糙。 | 
发表于 2006-7-22 16:38:00