焊接原理与焊锡性

1、Abietic Acid松脂酸
是天然松香（Rosin）的主要成份，占其重量比的34％。在焊接的高温下，此酸能将铜面的轻微氧化物或钝化物予以清除，使得清洁铜面可与熔锡产生"接口合金共化"（IMC）而完成焊接。此松脂酸在常温中很安定，不会腐蚀金属。

2、Angle of Contack 接触角
广义是指液体落在固体表面时，其边缘与固体外表在截面上所形益的夹角。在PCB 的狭义上是指焊锡与铜面所形成的Θ角，又称之为双反斜角（Dihedrel Angle）或直接称为 Contact Angle。

3、Blow Hole 吹孔
指完工的 PTH 铜壁上，可能有破洞(Void 俗称窟窿)存在。当板子在下游进行焊锡时，可能会造成破洞中的残液在高温中迅速气化而产生压力，往外向孔中灌入的熔锡吹出。冷却后孔中之锡柱会出现空洞。这种会吹气的劣质 PTH，特称为"吹孔"。吹孔为 PCB 制程不良的表征，必须彻底避免才能在业界立足。

4、Brazing 硬焊
是指采用含银的铜锌合金焊条，其焊温在425~870℃ 下进行熔接(Welding)方式，比一般电子工业常见软焊或焊(Soldering)，在温度及强度方面都比较高。

5、Cold Solder Joint 冷焊点
焊锡与铜面间在高温焊接过程中，必须先出现 Cn Sn 的"接口合金共化物"(IMC)层，才会出现良好的沾锡或焊锡性(Solderability)。当铜面不洁、热量不足，或焊锡中杂质太多时，都无法形成必须的 IMC(Eta Phase)，将出现灰暗多凹坑不平。且结构强度也不足的焊点，系由焊锡冷凝而形成，但未真正焊牢的焊点，特称为"冷焊点"，或俗称冷焊。

6、Contact Angle 接触角
一般泛指液体与固接触时，其交界边缘，在液体与固体外表截面上，所呈现的交接角度，谓之 Contact Angle。

7、Dewetting 缩锡
指高温熔融的焊锡与被焊物表面接触及沾锡后，当其冷却固化即完成焊接作用得到焊点(Solder Joint)。正常的焊点或焊面，其已固化的锡面都应呈现光泽平滑的外观，是为焊锡性(Solderability)良好的表征。所谓 Dewetting 是指焊点或焊面呈高低不平、多处下陷，或焊锡面支离破碎甚至曝露底金属，或焊点外缘无法顺利延伸展开，截面之接触角大于 90 度者，皆称为"缩锡"。其基本原因是底金属表面不洁(有氧化物或其它污染)，造成与焊锡之间不易形成"接口合金共化物"(如Cu６Sn５ 之 Eta phase IMC 即是),难以亲锡，无法维持焊锡的均匀覆盖所致。

8、Dihedral Angle 双反斜角
是指焊点或焊面外缘在截面上左右两侧的接触角，有如喷射机之双反斜翅膀，称为"双反斜角"。此角度愈小时，表示其"沾锡性"愈好。

9、Eutetic Composition 共融组成
合金中的组成份在某一定比例时，其熔点(M.P.; Melting Point)最低，称之为"共融组成"。如锡铅合金在63／37比例时，其熔点仅183℃，且直接由固态熔化成液态，中间并未出现浆态；反之亦然。故此63／37比例特称之为"共融组成"，而183℃即其共融点(Eutetic Point)。

10、Finite Element Method有限要素分析法
是一种对焊点(Joint)可靠度与故障的分析法，为利用计算机与数据模式的分析工具。可将焊件之结构以微分方式划分成许多受力面与受力点，在计算机协助下逐一仔细找出故障的可能原因。下左图即为一鸥翼脚焊点的FEM分析图。左图为一外围有球脚的P-BGA，在板面上焊接后的FEM细分图，此件共有2492个平面应变要素，与7978个节点应变要素 (Node Strain Element)。

11、Meniscograph Test 弧面状沾锡试验
是针对待焊物表面沾锡性好坏所做的一种试验，如右图所示；取一金属线使其沉入表面清洁的熔锡池中。若金属线的沾锡性不错时，则会产生良好的沾锡力(Wetting Force)，而在交界处会将锡拉起，呈现弧状上升的"弯月形"(Meniscus)，即表示其焊锡性良好。可再以"弧面沾锡仪"(Meniscometer)的激光束去观察所带起的弯弧的高度，再按已存在计算机中的记忆资料，求出接触角(Contact Angle θ,或称沾锡角Wetting Angle)，即可判断出零件脚沾锡品质的好坏。不过此法现已不如"沾锡天平"法(Wetting Balance)来的更精确。按荷兰籍焊接专家 R.J.Klein Wassink(曾任职菲利浦公司 30 年以上,为全世界 SMT 的启蒙者)之名著 Soldering In Electronics(2nd Ed.，1989)P.332所载，在沾锡动作接触 3～4 秒后可测得 θ 角，其代表之意义如表内所示。

12、Meniscus 弯月面，上凹面
原指毛细管中之水面，从截面所观察到的上凹情形。引伸到"焊锡性"的品质时，则是指焊锡与被焊物表面之接触角。当其所呈现角度很小，使被焊物表面之焊锡前缘，具有扩张与前进的趋势，则其"焊锡性"将会很好。利用此"弯月面"的原理，进一步地去测试被焊物在"焊锡性"品质上的好坏，其方法称Meniscograph。

13、Non-Wetting 不沾锡
在高温中以焊锡(Solder)进行焊接(Soldering)时，由于被焊之板子铜面或零件脚表面等之不洁，或存有氧化物、硫化物等杂质，使焊锡无法与底金属铜之间形成必须的"接口合金化合物"(Intermatallic Compound，IMC，系指Cu6Sn5 )，此等不良外表在无法"亲锡"下，致使熔锡本身的内聚力大于对"待焊面 "的附着力，形成熔锡聚成球状无法扩散的情形。就整体外表而言，不但呈现各地局部聚集不散而高低不平的情形，甚至会曝露底铜，这比"Dewtting 缩锡" 更为严重，称之为"不沾锡"。

14、Solder焊锡
是指各种比例的锡铅合金，可当成电子零件焊接(Soldering)所用的焊料。其中以 63/37 锡铅比的 Solder 最为电路板焊接所常用。因为在此种比例时，其熔点最低(183℃)，且系由"固态"直接熔化成"液态"，反之固化亦然，其间并未经过浆态，故对电子零件的连接有最多的好处。除此之外尚有80/20、90/10等熔点较高的焊锡，以配合不同的用途。 注意当 "焊" 字从金旁时，专指焊锡合金之本体金属而言，若从火部的 "焊"时，则系针对焊接的操作之谓，不宜混一谈。

15、Solderability焊锡性，可焊性
各种零件引脚或电路板焊垫等金属体，其等接受焊锡所发挥的焊接能力如何？谓之焊锡性。无论电路板或零件，其焊锡性的好坏都是组装过程所须最先面对的问题，焊锡性不良的PCB，其它一切的品质及特点都将付诸空谈。

16、Surface Energy表面能
任何物质在进行化学反应前，其表面将应具有某种活性程度，或参与化学反应能力强弱的一种表示数值，谓之"表面能"。例如清洁新鲜的铜面，其在真空中的表面能可高达1265 dyne/cm，但若将该新鲜的铜放置在空气中 2小时，因表面产生各种铜的污化物或钝化物后，其"表面能"将下降至25 dyne/cm，必须仰赖助焊剂的清洁作用，才能完成焊接所需的良好沾锡 (Wetting)品质。

17、Vacuoles 焊洞
通孔中可插焊或直接涌锡填锡而成锡柱体，当焊板远离锡波逐渐冷却之际，其填锡体之冷却固化是从顶部开始的。因板材是不良导热体，故下板面擦过锡波时其温度要高于离锡波稍远的上板面。故孔内锡柱是先自顶部固化后，其次才轮到底部固化，锡柱中段最后才会固化。因而在四周上下已经硬化，其中心继续冷固收缩时，经常会出现真空式无害的空洞，称为"Vacuoles"。

18、Wetting Balance沾锡天平
是一种测量零件脚或电路板"焊锡性"好坏的精密仪器。试验中须将试样夹在触动敏感的夹具上，再举起小锡池以迎合固定的测试点，并使测区得以沉没于锡池中。在扣除浮力后即可测得试样"沾锡力量"的大小，及"沾锡时间"的长短。即使少许"力量"的差异，亦可从此种仪器上忠实测出，故称为"沾锡天平"。(详见电路板信息杂志第二十六期之专文)

19、Wetting沾湿，沾锡
清洁的固体表面遇有水份沾到时，由于其间附着力较大故将向四面均匀扩散，称为Wetting。但若表面不洁时，则附着力将变小且亲和性不足，反使得水的内聚力大于附着力，致令水份聚集不散。凡在物体表面出现局部聚拢而不连续的水珠者，称"不沾湿"Dewetting。此种对水份"沾湿"的表达，若引伸到电路板的焊锡性上，即成为"沾锡"与"沾锡不良"(或缩锡)之另一番意义。IMC Intermatallic Compound ; (金属) 接口合金共化物如 Cu6Sn5 Cu3Sn即为铜锡之间的两种合金共化物，此外尚有多种其它金属间的IMC存在。
 

(本文转自电子工程世界）

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