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焊接与2个表面

焊接是用熔融的填充金属使结合点表面润湿且在两个金属部件之间形成冶金的键合，填充金属的熔点要低于450度。英文名字叫做Soldering，意为“用在接触处熔化的非铁填充金属(诸如黄铜和钎焊料之类，其熔点低于基体金属的熔点)来焊接金属”。对于较高温度熔点的填充金属，焊接工艺被规类为硬铅焊。

每每谈到焊接工艺，尤其在选择Flux时，我们首先要考虑两个表面：管脚表面和焊盘表面。

一般很少有人去关心管脚表面的材料究竟是什么样一种东西，因为大部分元器件都是供应商大批量生产和供货的，元器件的焊接部位采用什么样的表面处理工艺大部分由元器件制造商来决定，而PCB组装厂很难对其进行严格的控制。而且，针对不同的PCB组装厂来定制元器件管脚表面的处理工艺是不划算的，当然除了特殊情况。因此，对于SMT工艺工程师和来料检测人员来讲，应该把关注的重点放在元器件的可焊性上，尤其是来料检测人员必须确保元器件的可焊性。

而PCB就完全不一样了，因为每一个产品的PCB都是量身定作的，设计人员和工艺工程师可以决定让PCB制造厂采用哪种合适的材料和PCB表面处理工艺，并对焊盘的可焊性进行严格要求和控制。更为重要的是，为了把PCB组装缺陷降到最低，设计人员必须明确规定采用那些可焊性好的材料来处理焊盘表面，以及他们的具体的技术规格；是来料检测人员则要对来料的可焊性进行严格检查。

常用的几种焊接金属

1、    裸铜

经过化学清洗的裸铜是最容易焊接的一种材料，即使采用非常柔和的助焊剂；而且裸铜的处理工艺简单经济。但是裸铜很容易氧化和失去光泽，从而导致可焊性急剧下降，除非在回流焊炉中有强劲的Flux（松香基）?；ね砻?。如果生产中用到了裸铜表面，在使用和储藏（储藏时间要尽量短）当中必须注意裸铜的可焊性！裸铜不能储存在含有硫的环境中，如纸、纸板、印刷品，因为硫很容易使铜生锈。

2、    金

在元器件管脚（或引线）和插拔用的金手指中经?；峥吹浇鸬拇嬖?，如今PCB焊盘也大量采用了镀金工艺。金的可焊性非常好，在回流焊接时它可以迅速溶于焊锡中，各种研究表明，镀金管脚上的金（厚度为50uinch）会在2秒内溶于锡铅共晶合金中。但是金价格昂贵，而且金会影响焊点的属性，过多的金会使焊点钝化、脆化。金镀层厚度要适当，而且要密（金呈多孔性），否则金下面的镍会被氧化，从而影响可焊性。

3、    Kovar铁镍钴合金

双列直插封装及其相关集成电路的引线大都采用Kovar，但是Kovar很难焊接，因为它润湿性差，对于这种表面，多采用含有机酸的Flux或特制的酸清洗剂。

4、    银

银曾经一度在电子工业流行，但是现在已经没有人采用银来作元器件引线表面和其他终端表面了，原因是银迁移现象的发生。20世纪50年代后期人们发现了银迁移现象，并在20世纪60年代初对这一现象进行了深入研究，研究结果建议尽量避开银的使用。银的可焊性不亚于裸铜。

5、    浸锡

浸锡就是通过化学方法在裸铜表面沉积一层锡薄膜。刚经过浸锡处理的表面可焊性非常好，但是这种局面是暂时的，浸锡表面会迅速恶化并变得比裸铜表面难焊的多，同时锡在高温环境中很容易氧化。

6、    锡铅

锡铅（共晶合金）被广泛应用于元器件管脚和PCB焊盘，它可以有效?；げ牧系目珊感?。锡铅表面的处理工艺有电镀、热风整平等。经过合适处理的锡铅表面具有优良的可焊性和很长的保存寿命。

常见的PCB表面处理工艺

这里的“表面”指的是PCB上为电子元器件或其他系统到PCB的电路之间提供电气连接的连接点，如焊盘或接触式连接的连接点。

裸铜本身的可焊性很好，但是暴露在空气中很容易氧化，而且容易受到污染。这也是PCB必须要进行表面处理的原因。

1、HASL

在穿孔器件占主导地位的场合，波峰焊是最好的焊接方法。采用热风整平（HASL， Hot-air solder leveling）表面处理技术足以满足波峰焊的工艺要求，当然对于结点强度（尤其是接触式连接）要求较高的场合，多采用电镀镍/金的方法。HASL是在世界范围内主要应用的表面处理技术，但是有三个主要动力推动着电子工业不得不考虑HASL的替代技术：成本、新的工艺需求和无铅化需要。

从成本的观点来看，许多电子元件诸如移动通信和个人计算机正变成平民化的消费品。以成本或更低的价格销售，才能在激烈的竞争环境中立于不败之地。

组装技术发展到SMT以后， PCB焊盘在组装过程中要求采用丝网印刷和回流焊接工艺。在SMA场合，PCB表面处理工艺最初依然沿用了HASL技术，但是随着SMT器件的不断缩小，焊盘和网板开孔也在随之变小，HASL技术的弊端逐渐暴露了出来。HASL技术处理过的焊盘不够平整，共面性不能满足细间距焊盘的工艺要求。

环境的关注通常集中在潜在的铅对环境的影响。

2、有机可焊性?；げ悖∣SP）

OSP的?；せ?br />
故名思意，有机可焊性?；げ悖∣SP, Organic solderability preservative）是一种有机涂层，用来防止铜在焊接以前氧化，也就是?；CB焊盘的可焊性不受破坏。目前广泛使用的两种OSP都属于含氮有机化合物，即连三氮茚（Benzotriazoles）和咪唑有机结晶碱（Imidazoles）。它们都能够很好的附着在裸铜表面，而且都很专一―――只情有独钟于铜，而不会吸附在绝缘涂层上，比如阻焊膜。             

连三氮茚会在铜表面形成一层分子薄膜，在组装过程中，当达到一定的温度时，这层薄膜将被熔掉，尤其是在回流焊过程中，OSP比较容易挥发掉。咪唑有机结晶碱在铜表面形成的?；け∧け攘岣?，在组装过程中可以承受更多的热量周期的冲击。

OSP涂附工艺


清洗: 在OSP之前，首先要做的准备工作就是把铜表面清洗干净。其目的主要是去除铜表面的有机或无机残留物，确保蚀刻均匀。

微蚀刻（Microetch）：通过腐蚀铜表面，新鲜明亮的铜便露出来了，这样有助于与OSP的结合?？梢越柚实钡母醇两惺纯?，如过硫化钠（sodium persulphate），过氧化硫酸（peroxide/sulfuric acid）等。

Conditioner：可选步骤，根据不同的情况或要求来决定要不要进行这些处理。

OSP：然后涂OSP溶液，具体温度和时间根据具体的设备、溶液的特性和要求而定。

清洗残留物：完成上面的每一步化学处理以后，都必须清洗掉多余的化学残留物或其他无用成分。一般清洗一到两次足夷。物极必反，过分的清洗反倒会引起产品氧化或失去光泽等，这是我们不希望看到的。

整个处理过程必须严格按照工艺规定操作，比如严格控制时间、温度和周转过程等。

OSP的应用

PCB表面用OSP处理以后，在铜的表面形成一层薄薄的有机化合物，从而?；ね换岜谎趸?。Benzotriazoles型OSP的厚度一般为100A°，而Imidazoles型OSP的厚度要厚一些，一般为400 A°。OSP薄膜是透明的，肉眼不容易辨别其存在性，检测困难。

在组装过程中（回流焊），OSP很容易就熔进到了焊膏或者酸性的Flux里面，同时露出活性较强的铜表面，最终在元器件和焊盘之间形成Sn/Cu金属间化合物，因此，OSP用来处理焊接表面具有非常优良的特性。

OSP不存在铅污染问题，所以环保。

OSP的局限性

1、   由于OSP透明无色，所以检查起来比较困难，很难辨别PCB是否涂过OSP。

2、   OSP本身是绝缘的，它不导电。Benzotriazoles类的OSP比较薄，可能不会影响到电气测试，但对于Imidazoles类OSP，形成的?；つけ冉虾?，会影响电气测试。OSP更无法用来作为处理电气接触表面，比如按键的键盘表面。

3、   OSP在焊接过程中，需要更加强劲的Flux，否则消除不了?；つ?，从而导致焊接缺陷。

4、   在存储过程中，OSP表面不能接触到酸性物质，温度不能太高，否则OSP会挥发掉。

随着技术的不断创新，OSP已经历经了几代改良，其耐热性和存储寿命、与Flux的兼容性已经大大提高了。

3、化镍浸金(ENIG)

ENIG的?；せ?br />
通过化学方法在铜表面镀上Ni/Au。内层Ni的沉积厚度一般为120～240μin（约3～6μm），外层Au的沉积厚度比较薄，一般为2～4μinch（0.05～0.1μm）。Ni在焊锡和铜之间形成阻隔层。焊接时，外面的Au会迅速融解在焊锡里面，焊锡与Ni形成Ni/Sn金属间化合物。外面镀金是为了防止在存储期间Ni氧化或者钝化，所以金镀层要足够密，厚度不能太薄。

      ENIG处理工艺

ENIG(Electroless nickel/immersion gold)工艺过程。

清洗:清洗的目的与OSP工艺一样，清楚铜表面的有机或无机残留物，为蚀刻和催化做好准备。

蚀刻（Microetch）：同OSP工艺……

催化剂：这一步的作用是在铜表面沉积一层催化剂薄膜，从而降低铜的活性能量，这样Ni就比较容易沉积在铜表面。钯、钌都是可以使用的催化剂。

化学镀镍：这里就不详细介绍其具体过程了。镍沉积含有6～11％的磷，根据实际的具体用途，镍可能用作焊接表面，也可能作为接触表面，但不论怎样，必须确保镍有足够的厚度，以达到?；ね淖饔?。

浸金：在这个过程中，目的是沉积一层薄薄的且连续的金?；げ?，主要金的厚度不能太厚，否则焊点将变得很脆，严重影响焊电可靠性。与镀镍一样，浸金的工作温度很高，时间也很长。在浸洗过程中，将发生置换反应―――在镍的表面，金置换镍，不过当置换到一定程度时，置换反应会自动停止。金强度很高，耐磨擦，耐高温，不易氧化，所以可以防止镍氧化或钝化，并适合工作在强度要求高的场合。

清洗残留物：完成上面的每一步化学处理以后，都必须清洗掉多余的化学残留物或其他无用成分。一般清洗一到两次足夷。物极必反，过分的清洗反倒会引起产品氧化或失去光泽等，这是我们不希望看到的。

ENIG的应用

ENIG处理过的PCB表面非常平整，共面性很好， 用于按键接触面非他莫属。其次，ENIG可焊性极佳，金会迅速融入熔化的焊锡里面，从而露出新鲜的Ni。

ENIG的局限性

ENIG的工艺过程比较复杂，而且如果要达到很好的效果，必须严格控制工艺参数。最为麻烦的是，ENIG处理过的PCB表面在ENIG或焊接过程中很容易产生黑盘效应（Black pad），从而给焊点的可靠性带来灾难性的影响。黑盘的产生机理非常复杂，它发生在Ni与金的交接面，直接表现为Ni过度氧化。金过多，会使焊点脆化，影响可靠性。

4、化镍钯浸金(ENEPIG)

化镍钯浸金的原理

ENEPIG与ENIG相比，在镍和金之间多了一层钯。Ni的沉积厚度为120～240μin（约3～6μm），钯的厚度为4～20μin（约0.1～0.5μm），金的厚度为1～4μin（约0.02～0.1μm）。钯可以防止出现置换反应导致的腐蚀现象，为浸金作好充分准备。金则紧密的覆盖在钯上面，提供良好的接触面。

化镍钯浸金的工艺步骤


化镍钯浸金的应用

化镍钯浸金的应用非常广泛，可以替代化镍浸金。在焊接过程中，钯和金都会融解到熔化的焊锡里面，从而形成镍/锡金属间化合物。

化镍钯浸金的局限性

化镍钯浸金虽然有很多优点，但是钯的价格很贵，同时钯是一种短缺资源，主要发布在前苏联。同时与化镍浸金一样，其工艺控制要求很严。

5、浸银(Immersion silver)

浸银的工作原理

通过浸银工艺处理，?。?～15μin，约0.1～0.4μm）而密的银沉积提供一层有机?；つ?，铜表面在银的密封下，大大延长了寿命。浸银的表面很平，而且可焊性很好。

浸银的工作步骤


其他步骤这里不再赘述，预浸的目的主要是防止污染物的引入。浸银过程也是一个在铜表面银替换铜的置换反映过程。银沉积层同时含有有机添加剂和有机表面活性剂，有机添加剂用来确保浸银平整，而有机表面活性剂则可以?；CB在储藏过程中银吸收潮气。

浸银的应用

浸银焊接面可焊性很好，在焊接过程中银会融解到熔化的锡膏里，和HASL和OSP一样在焊接表面形成Cu/Sn金属间化合物。浸银表面共面性很好，同时不像OSP那样存在导电方面的障碍，但是在作为接触表面（如按键面）时，其强度没有金好。

浸银的局限性

浸银的一个让人无法忽略的问题是银的电子迁移问题。当暴露在潮湿的环境下时，银会在电压的作用下产生电子迁移。通过向银内添加有机成分可以降低电子迁移的发生。

6、   浸锡

浸锡原理

由于两个原因才采用了浸锡工艺：其一是浸锡表面很平，共面性很好；其二是浸锡无铅。但是在浸锡过程中容易产生Cu/Sn金属间化合物，Cu/Sn金属间化合物可焊性很差。

如果采用浸锡工艺，必须克服两障碍：颗粒大小和Cu/Sn金属间化合物的产生。浸锡颗粒必须足够小，而且要无孔。锡的沉积厚度不低于40μin（1.0μm）是比较合理的，这样才能提供一个纯锡表面，以满足可焊性要求。

浸锡的工艺步骤预浸银基本相似，这里不再赘述。

浸锡的应用和局限性

浸锡的最大弱点是寿命短，尤其是存放于高温高湿的环境下时，Cu/Sn金属间化合物会不断增长，直到失去可焊性。

7、比较：

每种表面处理工艺各有起独到之处，应用范围也不大相同。但化镍钯浸金(ENEPIG)是一种万能的处理方法，它能够满足各种组装场合的要求。表5总结了各种表面处理工艺的特点。

焊接材料的润湿性和可焊性

抛开焊接机理讨论可焊性是没有结果的。焊接技术属于冶金连接的范畴，它通过熔融的金属焊料润湿两个要紧密结合在一块的金属基材表面，随后焊料凝固并形成连接两个表面的焊点。显然在焊接过程中，被焊接的基材是不会熔化的，焊接发生在两个金属基材与焊料之间的接触面上，而且与金属基材的润湿性和可焊性紧密相关。虽然说被焊接的金属基材不会熔化，但是，如果金属基材或其表面会熔于熔融的焊料中，那么在焊点上会形成复杂的合金化合物；反之，焊料和金属基材之间形成一定比例的金属间化合物。焊点是一种合金，在焊接过程中不会发生化学反应。

为了充分把握焊接的机理，我们必须去理解润湿过程的热力学问题。但是，如果仅仅想知道什么是润湿和可焊性，就不必去理会热动力的问题了。润湿性和可焊性是度量A究竟有多么喜欢B的一个简单的方法。我们可以用滴在玻璃表面的水滴来说明润湿性或可焊性的含义。

如果玻璃表面上有油污，水滴讨厌玻璃表面，它就会收缩成一个圆球，理想状态下，水滴与玻璃表面之间是“点”接触的。我们把水滴与玻璃表面之间的点处的切线与玻璃表面之间的夹角称作两面角或湿润角，显然，当水滴非常讨厌玻璃表面时，湿润角为180度（点接触）。当水滴喜欢玻璃表面时，二者就显得非常亲密，水滴会均匀的铺开，紧密的附着在玻璃表面，此时水滴与玻璃是“面”接触的，理想状态下，湿润角为0度。

润湿和可焊性与物体表面的表面能密切相关，当物体表面干净而且活性很强，其润湿和可焊性就好，当物体表面的脏物和油污都被去除掉，并且没有氧化物存在时，其润湿和可焊性会大大提升，因此，为了获得高的可焊性，就应该选择容易被焊料润湿的材料，并保持表面清洁。

可焊性测试

可焊性测试是质量保证的重要手段，虽然说可焊性测试是一个简单的过程，但是如果对可焊性理解的不够透彻，就很容易出现问题。如果熔融的焊料在金属表面留下一层连续、持久和稳定的薄膜，我们就认为焊料润湿了金属表面。润湿是一种“表面”现象，它依赖于表面的清洁度。金属表面的清洁度依赖于Flux的活性强度，Flux协助焊料对表面进行清洁从而提高表面的可焊性。

但是，通常Flux都是活性相对较弱的松香基助焊剂，其活性强度是有限的，因为过多、过强的Flux残留可能会引起电流泄漏。为了提高或?；た珊感?，并尽量降低采用高活性的Flux，一般采用电镀工艺在本身可焊性不好或容易失去光泽的金属表面镀上一层可焊性很好的薄膜。

测试的目的是为了确立一个可焊性边界线，在这个边界线上，似乎具有良好的可焊性，但它将会迅速恶化。为了确保边界线的准确性，在满足要求的前提下，应采用活性最低的Flux和最低的温度-时间。

对于简单的测试方法，在测试过程中，要用到水白松香助焊剂和锡罐。被测试的表面经过助焊剂处理后在锡罐中浸泡3～4s，锡罐温度保持在500F（约283℃）左右；粘在测试表面的锡凝固以后，洗掉残留在表面的助焊剂，然后对其视觉检查，一般目检时不需要对测试面进行放大，当然也可以5～10×低倍放大后检查。一般允许的未沾锡面积不应该超过整个测试表面的5％，同时未沾锡面不能集中在一个地方。

更为细致的测试方法可以参考国家或行业标的相关准。Electronic Industries Association (EIA) Test Method RS17814详细规定了元器件引线或管脚的可焊性测试方法，该标准类似于Military Specifi-cation 202， Method 208。该测试方法中有一个特制的浸锡装置，它可以保证在不同测试中具有相同的浸锡比率和浸锡时间，见图2。

EIA specification RS319 和 IPC standard S801都详细阐述了PCB的可焊性测试方法。把PCB用温和的Flux处理以后，沿着PCB的一边将其垂直切入锡罐中（预先设定好温度和时间），待锡凝固后，洗掉Flux残留，然后目测PCB的润湿性?？梢杂美嗨频姆椒ú馐栽骷芙?、引线，接线端子等表面的润湿性，可以参照EIA Standard RS178A， Solderability Test Standard和MIL-STD-202C Method 208 A， Solderability。整个测试过程最好用设备自动完成，也可以用人工完成。由于润湿性检查要靠人工目检来判断好坏，所以必须为操作人员提供必要的样品，包括润湿良好的、处于润湿边界线的以及润湿不良的样品。同时锡罐的温度、加助焊和清洗助焊剂的过程、焊料的纯净度都要严格控制。

锡球测试是在欧洲非常流行的一种测试方法，International Electrochemical Commission Publication 68-2 Test T， Solderability对测试方法有细致的说明。它为元器件管脚和金属引线的可焊性测量提供了数字依据。

在要测试的金属引线表面涂上未激活的松香助焊剂，然后把金属引线紧紧的固定在支架上，通过支架向下垂直移动金属引线，使金属引线一分为二切入锡球（锡球的温度和大小要控制在规定的范围内），当金属引线刚接触到锡球，计时器开始计时，当锡完全覆盖整个金属引线表面时计时器停止，这段时间的长短为可焊性提供了量化依据，时间越短，可焊性就越好，反之可焊性就差。

锡球测试过程是完全自动完成的，而且便于连续操作。计时精度达到1/100s，锡球温度控制在±2℃，直径在0.008 ～ 0.062 in的引线均可以测量。如果金属引线表面镀有可以溶解（或熔化）的?；つ?，最好采用浸锡测试法测试其可焊性，因为镀层会在焊接过程中回流或者熔解到焊料中，这样采用锡球测试法会得到错误的结果。