氮气保焊接的影响

1、N2保护对无铅波峰焊Sn-07Cu焊料的润湿性影响及其在焊接工艺中的应用赵智力1,钱乙余，李忠锁2(哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点试验室，黑龙江，哈尔滨150001日东电子发展(深圳)有限公司无铅焊接研发中心，深圳，518103)摘要：以Sn-0.7Cu焊料、免洗助焊剂为试验材料，采用SAT-510C可焊性测试仪对不同温度不同N浓度条 件下的润湿性进行测试。结果表明，实施N保护大大改善焊料润湿性，分析润湿机理，阐明N2保护下润湿 性改善的原因，指出N保护的意义还在于拓宽生产工艺窗口，使得工艺参数可在更大范围内调整。2关键词：n保护；润湿性；工艺窗口Experimental Studies on wettability of sn-0.7Cu in lead-free wavesoldering under the protection of Nitrogen and its applicationWang Hong-Qin,Zhao Zhi-li,Qian Yi-Yu,Li Zhong-Suo(Harbin Institute of Technology,Harbin,1500

2、01,China)Abstract: Wetting performance is measured by Solder Checker SAT-5100 under nitrogen atmosphere of different concentration with Sn-0.7Cu solder and no-clean flux .The results showed that wetting performance is improved greatly since the using of Nitrogen. In addition， the article analyses the mechanism of wetting and illustrate the reason that wetting performance is improved in the presence of N 2. Besides that function of improving wetting, Utility of N 2 can widen the process window an

3、d then the process parameter could be adjusted in a larger range。Key words: N2 production; Wetting performance; Process window目前，人类对环保和自身健康日益关注的 结果在电子工业中的反映，就是无铅化生产强 制法规的出台和绿色环保电子产品的畅销，无 论从那一方面来说，近期内电子工业必须转向 并实现无铅化生产，中国自然也不例外。同传统的Sn-Pb焊料相比，目前可用的无 铅焊料具有熔点高、润湿性差等特点。钎焊设 备的无铅化是电子产品无铅化技术的重要组成 部分，如何从设备角度减少无铅焊接过程中产 生的较多的润湿不良（虚焊）、桥联等焊点缺陷， 开发出适应无铅焊接的工艺及设备，是设备制 造商非常关注的问题。但是保护对工艺过程 的改善和技术必要性还经常被质疑，因此，N 保护对焊接质量的影响就需要一些的定量的数 据来支持。钎焊时，熔融钎料对基体金属润湿形成近 距离接触界面，界面上基体金属和钎料相互作 用才会形成实现连接所必须的界面化合物层 或合金层，因此，润湿是钎焊的前提条件，

4、因 此润湿性是评价钎接焊点质量的关键因素。Sn-0.7Cu焊料价格低廉，原料供应充足， 具有良好的力学性能和焊点可靠性，是无铅波 峰焊中最具潜力的无铅钎料。本实验主要是 针对Sn-0.7Cu焊料的波峰焊，根据润湿平衡方 法，对空气和不同条件下的润湿性的两个主 要评价指标，即润湿时间和润湿力进行定量测 量，考察n2保护对其润湿性的影响。测量结果表明，充填n2使润湿时间大大减 少，润湿性得到改善，从而使得降低焊接时的 过热温度、减少助焊剂用量等成为可能，扩大 焊接的工艺窗口。1试验条件1.1试验设备一图1可焊性测试仪本实验采用 日本 Rhesca公司Solder Checker SAT-5100型可焊性测试仪，该测量仪 是依据润湿平衡法原理来测定不同材料（焊料 合金，助焊剂，母材、组合条件下的润湿铺展 能力的仪器。该设备的试验锡槽上方特别配有 氮气保护腔，用于评价氮气对可焊性的影响。氮气浓度控制采用日本Daiichi Nekken公司的 TB-SI-SS型氧气分析仪，测量范围为O.lppm-25%。零交时间越短，润湿过程发生越迅速；最大润 湿力越大，说明对母材的润湿程度越大，沾锡量越 多3

5、。1.2 试验材料1. 2. 1钎料：Sn-0.7Cu和Sn-Pb共晶钎料1.2.2助焊剂： 日本TAMURA的EC-19S-8免清洗焊剂，固 体成分含量:15%2，卤素含量:0.08%。1. 2. 3标准测试紫铜片：规格为0.3*5*30mm。1. 3试验工业标准HIIIII1* I -41：21：314151：6工业标准参数要求ANSI/J-STD003润湿时间T”/sW2最大润湿力P （mN/m）三120此处P =F /L,L（m）-试样浸入的金属max max图3温度245C，Sn-0.7Cu润湿曲线(mN 10i部分的周长；1. 4试验参数设定浸入深度：2mm;浸入速度：5mm/s; 浸入时间：10s。2试验过程及结果分析2. 1试验过程和记录曲线1 ）、Sn37Pb钎料,温度为230r,空气和含氧量 5条件下进行测试，润湿曲线见图2。可以看到， Sn-37Pb焊料的零交时间均小于1秒，润湿曲线圆 滑，从润湿性结果来看，没有必要控制环境中的O2 含量。nN 空气510空0-图4 -在245C、250C和255C浸入深度达到最大值 的最初时刻，润湿没有立即发生，而是经过一段时

6、间后才发生润湿，因此曲线在峰底均存在一水平直 线段之后才因润湿力的逐渐增加而上行，而且温度 越高，10空气-10J图2温度230r, Sn-37Pb焊料润湿曲线2）、Sn-0.7Cu焊料,EC-19S-8助焊剂，温度分别 设定为 245C、250C、255C、260r，在不同 N2 浓度条件下进行测试，试验数据见表1。图 3和图4 的曲线表明245C和255C润湿力随润湿时间变化 情况。1，Sn-0.7Cu 的润湿曲线&31011此水平线段越短。245 C时过热温度低，润湿性差，因此曲线很不 空气中零交时间大于上述标准，而5%氧含量 交时间、最大润湿力却可以满足标准。圆滑。下的零250C、255C和260C时的零交时间均在2秒以 内，在3秒之前均达到最大润湿力，但部分曲线不是 十分圆滑，对无铅波峰焊要求3.51秒的接触时间 来说，部分处于临界状态。表1Sn-0.7Cu不同氧含量下零交时间和最大润湿力温度245C250C255C260C零交时间（S）1.741.410.840.735%O2/3F时间(s)2.422.021.271.06F(mN )3.353.463.523.41零交时间

7、（S）2.661.581.150.8010%O2/3F时间(s)3.682.261.701.12F (mN )3.363.383.403.43max零交时间（s）2.791.741.200.9416附着=Y + Y - YSglgsl(1)钎料粒子的内聚功由形成两种新的液体表面所空 气2/3F时间max(s)3.872.381.771.30F(mN )3.393.363.433.462. 2试验结果分析2.2.1零交时间和2/3最大润湿力时间图5和图6为不同氧浓度下的零交时间和达到 2/3最大润湿力时间曲线。生产中我们当然希望在 接触时间内达到最大润湿力，而这里讨论达到 2/3F时间完全是因为达到F的时间是难以精确maxmax确定的5。所有试验曲线的最大润湿力经计算后均满足Pmax2120mN/m，故略去不论。可以看到，保护下焊料的润湿时间普遍减小, 润湿性得到改善。空气和N介质对Sn-37Pb焊料润2湿性影响不大，而Sn-0.7Cu焊料的润湿性却有很大 改善，相同的氧含量变化，较低钎焊温度下润湿性 的改善要比在较高温度下润湿性的改善明显得多。另外，在245C时氧浓度在20.6% （空

8、气）和10% 之间变化对润湿性影响很小，而在10%到5%之间 润湿性变化很大，可基于此考虑工艺参数的设定。201D08Q6 .i.I.III1I.I2443462462502S225425fi25fl2ffl2fi2图5 Sn-0.7Cu焊料不同氧含量的零交时间 5%氧含量 -0- 10%氧含量 一 一自然空气(s)图6 Sn-0.7Cu焊料不同氧含量下2/3Fma时间值得注意的是在245C、空气条件下，润湿零交 时间超过2秒标准，而且达到最大润湿力需4.85秒 的时间，显然不满足生产中焊接时间控制在3.51 秒的要求。但是在5%氧含量条件下，情况却完全 不同，这些要求都能够得到满足。零交时间和2/3最大润湿力时间是衡量焊接时 润湿性好坏的重要参数，根据钎焊元器件引脚的间 距、尺寸以及具体的焊接质量要求，他可作为对n2 保护条件的取舍及浓度选择设定的参考依据。 2 2.2.2氮气保护润湿性改善原因分析钎料与母材金属接触时，钎料是否能将母材表 面的气体排开，沿母材表面铺展，取决于钎料对母 材表面的附着力与由钎料粒子间的接合力产生的内 聚力的大小关系。附着力的功是由液体润湿固体时释放的表面自 由能确定的。必须的功估算:A内聚=2Y内聚lg当钎料对基体金属的附着功大于钎料的内聚 功，钎料就会在基体金属上铺展润湿，即：Y - Y - y 三0（2）sg lg sl因此y 、y和y的大小决定了钎料在母材上 sg lg sl的润湿和铺展行为,任何可以使固一气相界面张力 y增大，或使固一液相界面张力y和液一气相界Sgsl面张力y减小的因素都可以改善钎料对母材的润 lg湿性。而在无铅焊接中，以下三个方面使得焊盘或焊 料表面氧化作用加强：1）钎料本身影响：SnO2在500K时的标准吉布斯 自由能差为-479.4kJ/mol，而 PbO 为-168.7 kj/mol】7，相同条件下，高Sn含量的无铅焊料 比Sn-Pb共晶钎料更易氧化，焊料的氧化量会 更多。2）无铅焊接温度的升高客观上增加了焊料和焊 盘材料与气氛中氧元素反应的活性。3）实际无铅焊接生产中，为减小快

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