波峰焊接虚焊现象的发生及其预防.doc

虚焊现象的发生及其预防
1 虚焊现象及其判据
虚焊现象
现象1:
表面不润湿,焊点表面呈粗糙的形状、光泽性差、润湿性不好(润湿角θ>900),如图1所示。此时钎料和基体金属界面之间为一层不可焊的薄膜所阻档,界面层上未能发生所期望的冶金反应(形成适当厚度的合金层Cu6Sn5+ Cu3Sn )。这是一种显形的虚焊现象,从外观上就能判断。
现象2:
表面润湿,但钎料和基体金属界面未发生冶金反应(未形成适当厚度的合金层Cu6Sn5+Cu3Sn ),如图2所示。它是一种稳形的虚焊现象,外观不易判断,因而危害极大。

虚焊的判据
上面所表述的两种不同的虚焊现象,其共同特点都是结合界面未发生冶金反应,未形成合适厚度(~)μm的合金层。因此,接合界面上是否形成了合适厚度的铜锡合金层就构成了虚焊现象的唯一判据。此时若将焊点撕裂,就可发现钎料和基体金属之间相互成犬牙交错状的裂痕,即基体金属上有钎料残留物,钎料上也有基体金属的痕迹。相反,若将虚焊点撕裂时,在基体金属和钎料之间没有任何相互楔入的残留物,而是很清楚的相互分开,好似用浆糊粘往的一样。
2 虚焊的形成机理
软钎接过程中所发生的物理现象
软钎接接合的物理过程
通过软钎接,金属为什么会接合到一起并形成连接强度呢?以常用的锡-铅合金软钎料来说,它是通过软钎料润湿接合金属表面,利用扩散作用在界面产生合金层(金属间化合物),从而结成一体。以波峰焊接为例,在合适的温度作用下, 焊点在软钎接过程中所发生的物理化学过程,按照发生的先后可描述如下:
润湿作用及Young定理
润湿作用
软钎接过程中接合作用的第一步,是软钎料借助毛细管现象在接合金属表面上充分铺展开,这现象就叫做润湿。
为使熔融的软钎料润湿固体金属表面,必须具备一定的条件。其条件之一就是被焊金属表面必须是洁净的。
这样软钎料与被接合的基体金属的原子间距离才能接近到原子间力作用的程度。
润湿过程中的作用力
⑴作用于原子间的力
在高温下具有粘性的二相同金属间,只要在高温下加上不大的压力,就可以使它们之间相互紧密贴合。软钎接时,因为软钎料处于熔融状态,在金属表面产生润湿,不需加外力,只要基体金属表面是洁净的,就能很容易地达到原子间力作用所需要的距离。
⑵熔融金属的聚合力及附着力
润湿是物质所具有的聚合力的作用结果,而紧密贴合与表面张力有关。产生表面张力的原因是聚合力。为了分析此问题,我们以在玻璃管中的液体和管壁接触部位的状态来说明,如图3所示。
在图3中,液体分子受到对玻璃壁的附着力Ff 及液体本身的聚合力Fc 的作用(忽略重力作用),按液面形状作用于液面分子的外力是垂直于液面的。图3(左)由于水与玻璃壁之间的附着力大,所以合力Fd 的方向是指向玻璃壁内的。因此,合力Fd 与成直角的液面成为凹面。当出现这种凹面时,因表面张力作用产生收缩力,而使管内液面上的压力减少。然而在同一液面上各点的压力必然是相等的,所以液面上升。
在软钎接中,润湿和熔融钎料的聚合力及基体金属的附着力有关,聚合力越弱,即固体面与液体原子的附着力比液面原子聚合力越大,越易产生毛细管现象。
由此可知,为实现软钎接,首先要产生润湿,由于润湿,当软钎料与基体金属的原子间距离非常接近时,原子的聚合力即发生作用,使软钎料与基体金属合并为一体,完成了接合。
⑶表面张力
表面张力是在液体的表面分子因受聚合力的作用而被拉向液体内部,成为表面面积最小时所发生的。在液体内部的每个分子,被其它分子所包围,受力状态是平衡的。而液面的分子,因其上部存在着不同的相,而这个相的分子密度小,因而受到垂直于液面并指向液体内部的力。因此,在液体表面产生结膜现象,使表面面积收缩为最小(球形)。这种力就是表面自由能,该力称为表面强力。
⑷毛细管现象
在洁净的固体金属表面上,放置熔融状态的洁净钎料,钎料液体就会在固体金属表面扩展并润湿固体金属。这一现象是液态钎料在固体金属表面的细小凹凸间隙中,借助于毛细管现象,向四方扩展而引起的。
Young 定理
液态钎料在固体金属表面的润湿过程,则产生下述自由能,如图5所示。
图5中:
F SF :固体金属与助焊剂之间的界面张力(自由能);
F LS :液态钎料与固体金属之间的界面张力(自由能);
F LF :液态钎料与助焊剂之间的界面张力(自由能);
θ:接触角;
cosθ:润湿系数。
这些自由能之间的关系可以用Young定理来描述,即:
PSF=PLS+PLFcosθ( 1 )
设附着功为Wa ,其近似值可用下式表示:
Wa=PSF+PLF