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焊接與2個表面

焊接是用熔融的填充金屬使結合點表面潤濕且在兩個金屬部件之間形成冶金的鍵合，填充金屬的熔點要低于450度。英文名字叫做Soldering，意為“用在接觸處熔化的非鐵填充金屬(諸如黃銅和釬焊料之類，其熔點低于基體金屬的熔點)來焊接金屬”。對于較高溫度熔點的填充金屬，焊接工藝被規類為硬鉛焊。

每每談到焊接工藝，尤其在選擇Flux時，我們首先要考慮兩個表面：管腳表面和焊盤表面。

一般很少有人去關心管腳表面的材料究竟是什么樣一種東西，因為大部分元器件都是供應商大批量生產和供貨的，元器件的焊接部位采用什么樣的表面處理工藝大部分由元器件制造商來決定，而PCB組裝廠很難對其進行嚴格的控制。而且，針對不同的PCB組裝廠來定制元器件管腳表面的處理工藝是不劃算的，當然除了特殊情況。因此，對于SMT工藝工程師和來料檢測人員來講，應該把關注的重點放在元器件的可焊性上，尤其是來料檢測人員必須確保元器件的可焊性。

而PCB就完全不一樣了，因為每一個產品的PCB都是量身定作的，設計人員和工藝工程師可以決定讓PCB制造廠采用哪種合適的材料和PCB表面處理工藝，并對焊盤的可焊性進行嚴格要求和控制。更為重要的是，為了把PCB組裝缺陷降到最低，設計人員必須明確規定采用那些可焊性好的材料來處理焊盤表面，以及他們的具體的技術規格；是來料檢測人員則要對來料的可焊性進行嚴格檢查。

常用的幾種焊接金屬

1、    裸銅

經過化學清洗的裸銅是最容易焊接的一種材料，即使采用非常柔和的助焊劑；而且裸銅的處理工藝簡單經濟。但是裸銅很容易氧化和失去光澤，從而導致可焊性急劇下降，除非在回流焊爐中有強勁的Flux（松香基）保護銅表面。如果生產中用到了裸銅表面，在使用和儲藏（儲藏時間要盡量短）當中必須注意裸銅的可焊性！裸銅不能儲存在含有硫的環境中，如紙、紙板、印刷品，因為硫很容易使銅生銹。

2、    金

在元器件管腳（或引線）和插拔用的金手指中經常會看到金的存在，如今PCB焊盤也大量采用了鍍金工藝。金的可焊性非常好，在回流焊接時它可以迅速溶于焊錫中，各種研究表明，鍍金管腳上的金（厚度為50uinch）會在2秒內溶于錫鉛共晶合金中。但是金價格昂貴，而且金會影響焊點的屬性，過多的金會使焊點鈍化、脆化。金鍍層厚度要適當，而且要密（金呈多孔性），否則金下面的鎳會被氧化，從而影響可焊性。

3、    Kovar鐵鎳鈷合金

雙列直插封裝及其相關集成電路的引線大都采用Kovar，但是Kovar很難焊接，因為它潤濕性差，對于這種表面，多采用含有機酸的Flux或特制的酸清洗劑。

4、    銀

銀曾經一度在電子工業流行，但是現在已經沒有人采用銀來作元器件引線表面和其他終端表面了，原因是銀遷移現象的發生。20世紀50年代后期人們發現了銀遷移現象，并在20世紀60年代初對這一現象進行了深入研究，研究結果建議盡量避開銀的使用。銀的可焊性不亞于裸銅。

5、    浸錫

浸錫就是通過化學方法在裸銅表面沉積一層錫薄膜。剛經過浸錫處理的表面可焊性非常好，但是這種局面是暫時的，浸錫表面會迅速惡化并變得比裸銅表面難焊的多，同時錫在高溫環境中很容易氧化。

6、    錫鉛

錫鉛（共晶合金）被廣泛應用于元器件管腳和PCB焊盤，它可以有效保護材料的可焊性。錫鉛表面的處理工藝有電鍍、熱風整平等。經過合適處理的錫鉛表面具有優良的可焊性和很長的保存壽命。

常見的PCB表面處理工藝

這里的“表面”指的是PCB上為電子元器件或其他系統到PCB的電路之間提供電氣連接的連接點，如焊盤或接觸式連接的連接點。

裸銅本身的可焊性很好，但是暴露在空氣中很容易氧化，而且容易受到污染。這也是PCB必須要進行表面處理的原因。

1、HASL

在穿孔器件占主導地位的場合，波峰焊是最好的焊接方法。采用熱風整平（HASL， Hot-air solder leveling）表面處理技術足以滿足波峰焊的工藝要求，當然對于結點強度（尤其是接觸式連接）要求較高的場合，多采用電鍍鎳/金的方法。HASL是在世界范圍內主要應用的表面處理技術，但是有三個主要動力推動著電子工業不得不考慮HASL的替代技術：成本、新的工藝需求和無鉛化需要。

從成本的觀點來看，許多電子元件諸如移動通信和個人計算機正變成平民化的消費品。以成本或更低的價格銷售，才能在激烈的競爭環境中立于不敗之地。

組裝技術發展到SMT以后， PCB焊盤在組裝過程中要求采用絲網印刷和回流焊接工藝。在SMA場合，PCB表面處理工藝最初依然沿用了HASL技術，但是隨著SMT器件的不斷縮小，焊盤和網板開孔也在隨之變小，HASL技術的弊端逐漸暴露了出來。HASL技術處理過的焊盤不夠平整，共面性不能滿足細間距焊盤的工藝要求。

環境的關注通常集中在潛在的鉛對環境的影響。

2、有機可焊性保護層（OSP）

OSP的保護機理

故名思意，有機可焊性保護層（OSP, Organic solderability preservative）是一種有機涂層，用來防止銅在焊接以前氧化，也就是保護PCB焊盤的可焊性不受破壞。目前廣泛使用的兩種OSP都屬于含氮有機化合物，即連三氮茚（Benzotriazoles）和咪唑有機結晶堿（Imidazoles）。它們都能夠很好的附著在裸銅表面，而且都很專一―――只情有獨鐘于銅，而不會吸附在絕緣涂層上，比如阻焊膜。             

連三氮茚會在銅表面形成一層分子薄膜，在組裝過程中，當達到一定的溫度時，這層薄膜將被熔掉，尤其是在回流焊過程中，OSP比較容易揮發掉。咪唑有機結晶堿在銅表面形成的保護薄膜比連三氮茚更厚，在組裝過程中可以承受更多的熱量周期的沖擊。

OSP涂附工藝


清洗: 在OSP之前，首先要做的準備工作就是把銅表面清洗干凈。其目的主要是去除銅表面的有機或無機殘留物，確保蝕刻均勻。

微蝕刻（Microetch）：通過腐蝕銅表面，新鮮明亮的銅便露出來了，這樣有助于與OSP的結合?？梢越柚m當的腐蝕劑進行蝕刻，如過硫化鈉（sodium persulphate），過氧化硫酸（peroxide/sulfuric acid）等。

Conditioner：可選步驟，根據不同的情況或要求來決定要不要進行這些處理。

OSP：然后涂OSP溶液，具體溫度和時間根據具體的設備、溶液的特性和要求而定。

清洗殘留物：完成上面的每一步化學處理以后，都必須清洗掉多余的化學殘留物或其他無用成分。一般清洗一到兩次足夷。物極必反，過分的清洗反倒會引起產品氧化或失去光澤等，這是我們不希望看到的。

整個處理過程必須嚴格按照工藝規定操作，比如嚴格控制時間、溫度和周轉過程等。

OSP的應用

PCB表面用OSP處理以后，在銅的表面形成一層薄薄的有機化合物，從而保護銅不會被氧化。Benzotriazoles型OSP的厚度一般為100A°，而Imidazoles型OSP的厚度要厚一些，一般為400 A°。OSP薄膜是透明的，肉眼不容易辨別其存在性，檢測困難。

在組裝過程中（回流焊），OSP很容易就熔進到了焊膏或者酸性的Flux里面，同時露出活性較強的銅表面，最終在元器件和焊盤之間形成Sn/Cu金屬間化合物，因此，OSP用來處理焊接表面具有非常優良的特性。

OSP不存在鉛污染問題，所以環保。

OSP的局限性

1、   由于OSP透明無色，所以檢查起來比較困難，很難辨別PCB是否涂過OSP。

2、   OSP本身是絕緣的，它不導電。Benzotriazoles類的OSP比較薄，可能不會影響到電氣測試，但對于Imidazoles類OSP，形成的保護膜比較厚，會影響電氣測試。OSP更無法用來作為處理電氣接觸表面，比如按鍵的鍵盤表面。

3、   OSP在焊接過程中，需要更加強勁的Flux，否則消除不了保護膜，從而導致焊接缺陷。

4、   在存儲過程中，OSP表面不能接觸到酸性物質，溫度不能太高，否則OSP會揮發掉。

隨著技術的不斷創新，OSP已經歷經了幾代改良，其耐熱性和存儲壽命、與Flux的兼容性已經大大提高了。

3、化鎳浸金(ENIG)

ENIG的保護機理

通過化學方法在銅表面鍍上Ni/Au。內層Ni的沉積厚度一般為120～240μin（約3～6μm），外層Au的沉積厚度比較薄，一般為2～4μinch（0.05～0.1μm）。Ni在焊錫和銅之間形成阻隔層。焊接時，外面的Au會迅速融解在焊錫里面，焊錫與Ni形成Ni/Sn金屬間化合物。外面鍍金是為了防止在存儲期間Ni氧化或者鈍化，所以金鍍層要足夠密，厚度不能太薄。

      ENIG處理工藝

ENIG(Electroless nickel/immersion gold)工藝過程。

清洗:清洗的目的與OSP工藝一樣，清楚銅表面的有機或無機殘留物，為蝕刻和催化做好準備。

蝕刻（Microetch）：同OSP工藝……

催化劑：這一步的作用是在銅表面沉積一層催化劑薄膜，從而降低銅的活性能量，這樣Ni就比較容易沉積在銅表面。鈀、釕都是可以使用的催化劑。

化學鍍鎳：這里就不詳細介紹其具體過程了。鎳沉積含有6～11％的磷，根據實際的具體用途，鎳可能用作焊接表面，也可能作為接觸表面，但不論怎樣，必須確保鎳有足夠的厚度，以達到保護銅的作用。

浸金：在這個過程中，目的是沉積一層薄薄的且連續的金保護層，主要金的厚度不能太厚，否則焊點將變得很脆，嚴重影響焊電可靠性。與鍍鎳一樣，浸金的工作溫度很高，時間也很長。在浸洗過程中，將發生置換反應―――在鎳的表面，金置換鎳，不過當置換到一定程度時，置換反應會自動停止。金強度很高，耐磨擦，耐高溫，不易氧化，所以可以防止鎳氧化或鈍化，并適合工作在強度要求高的場合。

清洗殘留物：完成上面的每一步化學處理以后，都必須清洗掉多余的化學殘留物或其他無用成分。一般清洗一到兩次足夷。物極必反，過分的清洗反倒會引起產品氧化或失去光澤等，這是我們不希望看到的。

ENIG的應用

ENIG處理過的PCB表面非常平整，共面性很好， 用于按鍵接觸面非他莫屬。其次，ENIG可焊性極佳，金會迅速融入熔化的焊錫里面，從而露出新鮮的Ni。

ENIG的局限性

ENIG的工藝過程比較復雜，而且如果要達到很好的效果，必須嚴格控制工藝參數。最為麻煩的是，ENIG處理過的PCB表面在ENIG或焊接過程中很容易產生黑盤效應（Black pad），從而給焊點的可靠性帶來災難性的影響。黑盤的產生機理非常復雜，它發生在Ni與金的交接面，直接表現為Ni過度氧化。金過多，會使焊點脆化，影響可靠性。

4、化鎳鈀浸金(ENEPIG)

化鎳鈀浸金的原理

ENEPIG與ENIG相比，在鎳和金之間多了一層鈀。Ni的沉積厚度為120～240μin（約3～6μm），鈀的厚度為4～20μin（約0.1～0.5μm），金的厚度為1～4μin（約0.02～0.1μm）。鈀可以防止出現置換反應導致的腐蝕現象，為浸金作好充分準備。金則緊密的覆蓋在鈀上面，提供良好的接觸面。

化鎳鈀浸金的工藝步驟


化鎳鈀浸金的應用

化鎳鈀浸金的應用非常廣泛，可以替代化鎳浸金。在焊接過程中，鈀和金都會融解到熔化的焊錫里面，從而形成鎳/錫金屬間化合物。

化鎳鈀浸金的局限性

化鎳鈀浸金雖然有很多優點，但是鈀的價格很貴，同時鈀是一種短缺資源，主要發布在前蘇聯。同時與化鎳浸金一樣，其工藝控制要求很嚴。

5、浸銀(Immersion silver)

浸銀的工作原理

通過浸銀工藝處理，?。?～15μin，約0.1～0.4μm）而密的銀沉積提供一層有機保護膜，銅表面在銀的密封下，大大延長了壽命。浸銀的表面很平，而且可焊性很好。

浸銀的工作步驟


其他步驟這里不再贅述，預浸的目的主要是防止污染物的引入。浸銀過程也是一個在銅表面銀替換銅的置換反映過程。銀沉積層同時含有有機添加劑和有機表面活性劑，有機添加劑用來確保浸銀平整，而有機表面活性劑則可以保護PCB在儲藏過程中銀吸收潮氣。

浸銀的應用

浸銀焊接面可焊性很好，在焊接過程中銀會融解到熔化的錫膏里，和HASL和OSP一樣在焊接表面形成Cu/Sn金屬間化合物。浸銀表面共面性很好，同時不像OSP那樣存在導電方面的障礙，但是在作為接觸表面（如按鍵面）時，其強度沒有金好。

浸銀的局限性

浸銀的一個讓人無法忽略的問題是銀的電子遷移問題。當暴露在潮濕的環境下時，銀會在電壓的作用下產生電子遷移。通過向銀內添加有機成分可以降低電子遷移的發生。

6、   浸錫

浸錫原理

由于兩個原因才采用了浸錫工藝：其一是浸錫表面很平，共面性很好；其二是浸錫無鉛。但是在浸錫過程中容易產生Cu/Sn金屬間化合物，Cu/Sn金屬間化合物可焊性很差。

如果采用浸錫工藝，必須克服兩障礙：顆粒大小和Cu/Sn金屬間化合物的產生。浸錫顆粒必須足夠小，而且要無孔。錫的沉積厚度不低于40μin（1.0μm）是比較合理的，這樣才能提供一個純錫表面，以滿足可焊性要求。

浸錫的工藝步驟預浸銀基本相似，這里不再贅述。

浸錫的應用和局限性

浸錫的最大弱點是壽命短，尤其是存放于高溫高濕的環境下時，Cu/Sn金屬間化合物會不斷增長，直到失去可焊性。

7、比較：

每種表面處理工藝各有起獨到之處，應用范圍也不大相同。但化鎳鈀浸金(ENEPIG)是一種萬能的處理方法，它能夠滿足各種組裝場合的要求。表5總結了各種表面處理工藝的特點。

焊接材料的潤濕性和可焊性

拋開焊接機理討論可焊性是沒有結果的。焊接技術屬于冶金連接的范疇，它通過熔融的金屬焊料潤濕兩個要緊密結合在一塊的金屬基材表面，隨后焊料凝固并形成連接兩個表面的焊點。顯然在焊接過程中，被焊接的基材是不會熔化的，焊接發生在兩個金屬基材與焊料之間的接觸面上，而且與金屬基材的潤濕性和可焊性緊密相關。雖然說被焊接的金屬基材不會熔化，但是，如果金屬基材或其表面會熔于熔融的焊料中，那么在焊點上會形成復雜的合金化合物；反之，焊料和金屬基材之間形成一定比例的金屬間化合物。焊點是一種合金，在焊接過程中不會發生化學反應。

為了充分把握焊接的機理，我們必須去理解潤濕過程的熱力學問題。但是，如果僅僅想知道什么是潤濕和可焊性，就不必去理會熱動力的問題了。潤濕性和可焊性是度量A究竟有多么喜歡B的一個簡單的方法。我們可以用滴在玻璃表面的水滴來說明潤濕性或可焊性的含義。

如果玻璃表面上有油污，水滴討厭玻璃表面，它就會收縮成一個圓球，理想狀態下，水滴與玻璃表面之間是“點”接觸的。我們把水滴與玻璃表面之間的點處的切線與玻璃表面之間的夾角稱作兩面角或濕潤角，顯然，當水滴非常討厭玻璃表面時，濕潤角為180度（點接觸）。當水滴喜歡玻璃表面時，二者就顯得非常親密，水滴會均勻的鋪開，緊密的附著在玻璃表面，此時水滴與玻璃是“面”接觸的，理想狀態下，濕潤角為0度。

潤濕和可焊性與物體表面的表面能密切相關，當物體表面干凈而且活性很強，其潤濕和可焊性就好，當物體表面的臟物和油污都被去除掉，并且沒有氧化物存在時，其潤濕和可焊性會大大提升，因此，為了獲得高的可焊性，就應該選擇容易被焊料潤濕的材料，并保持表面清潔。

可焊性測試

可焊性測試是質量保證的重要手段，雖然說可焊性測試是一個簡單的過程，但是如果對可焊性理解的不夠透徹，就很容易出現問題。如果熔融的焊料在金屬表面留下一層連續、持久和穩定的薄膜，我們就認為焊料潤濕了金屬表面。潤濕是一種“表面”現象，它依賴于表面的清潔度。金屬表面的清潔度依賴于Flux的活性強度，Flux協助焊料對表面進行清潔從而提高表面的可焊性。

但是，通常Flux都是活性相對較弱的松香基助焊劑，其活性強度是有限的，因為過多、過強的Flux殘留可能會引起電流泄漏。為了提高或保護可焊性，并盡量降低采用高活性的Flux，一般采用電鍍工藝在本身可焊性不好或容易失去光澤的金屬表面鍍上一層可焊性很好的薄膜。

測試的目的是為了確立一個可焊性邊界線，在這個邊界線上，似乎具有良好的可焊性，但它將會迅速惡化。為了確保邊界線的準確性，在滿足要求的前提下，應采用活性最低的Flux和最低的溫度-時間。

對于簡單的測試方法，在測試過程中，要用到水白松香助焊劑和錫罐。被測試的表面經過助焊劑處理后在錫罐中浸泡3～4s，錫罐溫度保持在500F（約283℃）左右；粘在測試表面的錫凝固以后，洗掉殘留在表面的助焊劑，然后對其視覺檢查，一般目檢時不需要對測試面進行放大，當然也可以5～10×低倍放大后檢查。一般允許的未沾錫面積不應該超過整個測試表面的5％，同時未沾錫面不能集中在一個地方。

更為細致的測試方法可以參考國家或行業標的相關準。Electronic Industries Association (EIA) Test Method RS17814詳細規定了元器件引線或管腳的可焊性測試方法，該標準類似于Military Specifi-cation 202， Method 208。該測試方法中有一個特制的浸錫裝置，它可以保證在不同測試中具有相同的浸錫比率和浸錫時間，見圖2。

EIA specification RS319 和 IPC standard S801都詳細闡述了PCB的可焊性測試方法。把PCB用溫和的Flux處理以后，沿著PCB的一邊將其垂直切入錫罐中（預先設定好溫度和時間），待錫凝固后，洗掉Flux殘留，然后目測PCB的潤濕性?？梢杂妙愃频姆椒y試元器件管腳、引線，接線端子等表面的潤濕性，可以參照EIA Standard RS178A， Solderability Test Standard和MIL-STD-202C Method 208 A， Solderability。整個測試過程最好用設備自動完成，也可以用人工完成。由于潤濕性檢查要靠人工目檢來判斷好壞，所以必須為操作人員提供必要的樣品，包括潤濕良好的、處于潤濕邊界線的以及潤濕不良的樣品。同時錫罐的溫度、加助焊和清洗助焊劑的過程、焊料的純凈度都要嚴格控制。

錫球測試是在歐洲非常流行的一種測試方法，International Electrochemical Commission Publication 68-2 Test T， Solderability對測試方法有細致的說明。它為元器件管腳和金屬引線的可焊性測量提供了數字依據。

在要測試的金屬引線表面涂上未激活的松香助焊劑，然后把金屬引線緊緊的固定在支架上，通過支架向下垂直移動金屬引線，使金屬引線一分為二切入錫球（錫球的溫度和大小要控制在規定的范圍內），當金屬引線剛接觸到錫球，計時器開始計時，當錫完全覆蓋整個金屬引線表面時計時器停止，這段時間的長短為可焊性提供了量化依據，時間越短，可焊性就越好，反之可焊性就差。

錫球測試過程是完全自動完成的，而且便于連續操作。計時精度達到1/100s，錫球溫度控制在±2℃，直徑在0.008 ～ 0.062 in的引線均可以測量。如果金屬引線表面鍍有可以溶解（或熔化）的保護膜，最好采用浸錫測試法測試其可焊性，因為鍍層會在焊接過程中回流或者熔解到焊料中，這樣采用錫球測試法會得到錯誤的結果。