焊錫原理

在研究焊錫工程所用的材料之前,我們必須先清楚地了解焊錫的基本原理.否則,我們便無法用目視來檢驗焊錫后錫鉛合金與各種零件所形成的焊點是否標准.
第一節     潤     濕     WETTING
焊錫的定義中可以發現「潤濕」是焊接過程中的主角.所謂焊接即是利用液態中的「銲錫」潤濕在基材上而達到接合的效果.這种現象正如水倒固体表面一樣,不同的是「焊錫」會隨著溫度的降低而凝固成接點.當焊錫潤濕在基材上時,理論上兩者之間會以金屬化學鍵結合,而形成一种連續性的接合,但實際狀況下,基材會受到空气及周遭環境的侵蝕,而形成一層氧化膜來阻擋「焊錫」,使其無法達到較好的潤濕效果.其現象正如水倒在塗滿油脂的盤上,水只能聚集在部份的地方,而無全面均勻的分布在盤子上.如果我們未能將基材表面的氧化膜去除,即使勉強沾上(焊錫),其結合力量還是非常的弱.
1、焊接與膠合的不同
當兩种材料用膠貼合在一起,其表面的相互貼著是因為膠給它們之間的机械鍵所致.因為膠不容易在兩者之間固定,所以光亮的表面無法像粗糙或蝕刻的表面貼著性那么好.膠合是一种表面現象,當膠是潮濕狀態時,它可以從原來的表面被擦掉.
焊接是焊錫和金屬之間形成一金屬化學鍵,焊錫的分子穿入基材表層金屬的分子結構.而形成一堅固、完全金屬的結構.當焊錫熔解時,也不可能完全從金屬表面上把它擦掉,因為它已變成基層金屬的一部分.
2、潤濕和無潤濕      Wetting & Non-wetting
一塊塗有油脂的金屬薄板浸到水中,沒有潤濕現象,此時水會成球狀般的水滴,一搖即掉,因此,水并未潤濕或貼在金屬薄板上.
如將此金屬薄板放入熱清潔溶劑中加以清洗,并小心地干燥,再把它浸入水中,此時水將完全地擴散到金屬薄板的表面而形成一薄且均勻的膜層,怎么搖也不會掉,即它已經潤濕了此金屬薄板.
3、清潔
當金屬薄板非常干淨時,水便會潤濕其表面,因此,當「焊錫表面」和「金屬表面」也很干淨時,焊錫一樣會潤濕金屬表面,其對清潔程度的要求遠比水于金屬薄板上還要高很多,因為焊錫和金屬之間必須是緊密的連接,否則在它們之間會立刻形成一很薄的氧化層.不幸的是,几乎所有的金屬在曝露于空氣中時,都會立刻氧化,此极薄的氧化層將妨礙金屬表面上焊錫的潤濕作用.
注一、(焊錫):是指60/40或63/37的錫鉛合金.
注二、WETTING:其中文的意思是(潤濕)或(潤焊)
注三、(基材):泛指被焊金屬,如PCB或零件腳.
4、毛細管作用
如將兩片干淨的金屬表面合在一起后,浸入熔化的焊錫中,焊錫潤濕此兩片金屬并向上爬升,以填滿相近表面之間的間隙,此為毛細管作用.
假如金屬表面不干淨的話,便沒有潤濕及毛細管作用,焊錫將不會填滿此點.
當電鍍貫穿孔的印刷線路板經過波峰焊錫時,便是毛細管作用的力量將錫貫滿此孔,并在印刷線路板上面形成所謂(焊錫帶)并不完全是錫波的壓力將焊錫推進此孔.
5、表面張力
我們都看過昆虫在池塘的表面行走而不潤濕它的腳,那是因為一看不到的薄層或力量支持著它,這便是水的表面張力.同樣的力量使水在涂有油脂的金屬薄板上維持水滴狀,用溶劑加以清洗會減少表面張力.水便會潤濕和形成一薄層.
我們知道助焊劑在金屬表面上的作用就像溶劑對塗有油脂的金屬薄板一樣.溶劑去除油脂,讓水潤濕從屬表面和減少表面張力.助焊劑將去除金屬和銲錫間的氧化物,好讓銲錫注濕金屬表面.
在銲錫中的污染物會增加表面張力,困此必須小心地管制.銲錫溫度也會影響表面張力,即溫度愈高,表面張力愈小.
我們用圖來表示銲錫潤濕和無潤濕的情形,將更容易了解.
6.潤濕的熱動力平衡
焊接工程不可或缺的材料是「銲錫」、「助焊劑」和「基層金屬」,我們假設基層金屬的表面是完全清潔、無氧化物.
當一滴銲錫滴在基層金屬上,助焊劑在銲錫的四周時,簡稱
a.銲錫為L: LIQUID
b.助焊劑為F: FLUX(或V:VSPOR)
c.基層金屬為S: SOLID  BASE  METAL
當銲錫潤濕在基層金屬上,靜止下來時,亦即是力平衡的狀態.
第二節         焊    點
我們已經理論地討論在干淨的金屬表面上加焊錫時會產生潤濕現象.現在,我們必須了解實際上所發生的情形,它比水在金屬薄板上的潤濕例子還要復雜很多,我們將解釋形成焊點所包含的東西.
1、   金屬間的形成
如果兩個銅板如圖1-5-a用焊錫焊接在一起,將他們之間的一小部分取出并放大200倍(如圖1-5-b)在中間的是焊錫,兩邊是基層銅板.但是,在銅和焊錫之間的材料在焊接之前并不存在,那是焊錫中錫和銅的表面層形成新的化合物,它是銅/錫化合物(Cu₃Sn,Cu₆Sn₅),也稱為「金屬間化合物」(intermetallic   compound).當焊錫潤濕銅板時才會形成金屬間化合物,同時它也是潤濕已發生的表示.
2、   焊點龜裂
「金屬間化合物」比「焊錫」或「銅」還要硬,而且也比較脆.如果此金屬化合物太厚的話,當焊點受到熱或机械性的應力下,便會產生焊點龜裂如圖1-16所示.
3、   單面和電鍍貫穿孔印刷線路板
圖1-2所示是完美焊點的橫斷面圖,焊錫已因毛細管作用吸食而上,填滿電鍍貫穿孔,并流到零件面的焊墊上.其潤濕角度很小,且有羽毛狀的邊緣.如果沒有上面所說情形.則此焊點便是不良的.
4、   熱
在被焊金屬表面的溫度未上升到比焊錫的熔點高之前,是無法得到滿意的焊點,此熱便由預熱器和焊錫爐的錫波而來.錫波僅和基板底部接觸的時間內加熱焊點,所以預熱、錫溫、過錫時間都會影響焊錫的品質.
圖1-17-a/b/c表示焊錫的流動是隨熱的流動而通過貫穿孔.
5、   焊點表面清潔度和腐蝕
焊錫表面同樣也有未飽和鍵,與空氣接觸后,形成氧化層,通常焊錫中的鉛會很快的生成氧成鉛,氧化鉛會形成一層薄膜保護焊錫不再受氧化,但如果助焊劑有大量的氯离子殘留在表面,其結果則完全不同.
PbO+2HCl→PbCl₂+H₂O
          ↓
PbCO₃+2HCl←PbCl₂+H₂O+CO₂
   ↓
白色粉狀腐蝕物
由上項反應可看出HCI不斷与PbO反應,生成PbCI₂再与空氣中CO₂反應生成PbCO₃,而又釋放出HCI.如HCI不斷循環使用,毫無消耗,因此腐蝕行為會一直持續不停止.
腐蝕會減少導体導電、損坏接點強度、漏電,而空氣中的水氣中的水氣更會加速再次腐蝕及漏電.
一般說來,助焊劑殘余物是腐蝕的最大原因,而事實上還有許多其他原因會造成污染腐蝕.
1.  基板制作中使用的溶液:如電鍍及蝕刻溶液殘余在基板上.
2.  人的汗水:人体的汗水中所含氯离子,其所具有的腐蝕性,可能較其他因素為高.
3.  環境污染:在工業區空氣中常含有硫,硫會腐蝕銀表面.
4.  輸送系統的污染:輸送系統常會有潤滑油等污染物.
5.  包裝材料的污染:此類污染較易避免.