1.2 焊接机理

焊接的过程就是用熔化的钎料将母材金属与固体表面结合到一起的过程。使用一般常用的锡-铅系列钎料焊接铜和黄铜等金属时，钎料就在金属表面产生润湿，作为钎料成分之一的锡金属就会向母材金属里扩散，在界面上形成合金层，即金属化合物，使两者结合在一起。在结合处形成的合金层，因钎料成分、母材性质、加热温度及表面处理等而不同，单纯根据一个条件下结论是片面的。下面分别对上述几个概念进行阐述。

1.2.1 钎料的润湿作用

钎料的润湿与润湿力。举个非常简单的例子，在光滑清洁的玻璃板上滴一滴水，水滴可在玻璃板上完全铺开，水对玻璃板完全润湿；如果滴的是一滴油，那么油滴会形成一球块，虽然油滴在玻璃板上也有铺开，但却是有限铺开，而不是完全铺开，这时我们说油滴在玻璃板上能润湿；如果滴一滴水银，那么水银将形成一个球体在玻璃板上滚动，这时我们说水银对玻璃不润湿。钎料对母材的润湿与铺展也是一样的道理，焊接中的“润湿”就是熔化的钎料在准备接合的固体金属表面进行充分的扩散，形成均匀、平滑、连续并且附着固定的合金的过程。润湿必须具备一定的条件：首先熔化的钎料即液态钎料与母材之间应能相互溶解，两种原子之间有良好的亲和力，这样钎料才能很好地填充焊缝间隙和润湿焊件金属；其次钎料和金属表面必须“清洁”，只有这样，钎料与母材原子才能接近到能够相互吸引结合的距离，“清洁”指的是钎料与母材两者表面没有氧化层，没有污染。

固体金属表面的钎料润湿情况如图1-1所示。

当固液气三相达到平衡时，可由众所周知的杨氏公式（YOING）来表示，如式（1-1）所示。

式中 B_SV——固体和气体之间的界面张力，即固体金属和气体之间的界面张力，称为润湿力；

C _SL——固体和液体之间的界面张力，即熔化钎料和固体金属之间的界面张力；

A _LV——液体和气体之间的界面张力，即熔化钎料的表面张力；

θ——钎料附在铜板上的接触角，也叫润湿角。即钎料和母材之间的界面与钎料表面切线之间的夹角。润湿角越小，润湿力越大。

钎料的结合状态和润湿效果图如图1-2所示，其中θ的大小反应润湿情况。θ=0°表示钎料完全润湿母材；0°<θ<90°表示润湿效果良好，钎料润湿母材；θ=90°是润湿效果好坏的界限，表示润湿效果不太好；90°<θ<180°表示润湿效果不好，钎料不润湿母材；θ=180°表示钎料完全不润湿母材。通常电子产品焊接中焊点的最佳润湿角：Cu—Pb/Sn为15°~45°。

1.2.2 表面张力

多相体系中相之间存在着界面，在不同相共同存在的体系中，由于相界面分子与体相分子之间的作用力不同，导致液体表面积具有自动收缩的趋势，结果在表面切线方向上有一种缩小表面的力作用着，这个力即为表面张力。表面张力是物质的特性，其大小与温度和界面两相物质的性质有关。表面张力的方向和液面相切，并和两部分的分界线垂直。如果液面是平面，表面张力就在这个平面上；如果液面是曲面，表面张力就在这个曲面的切面上。

熔融钎料在母材金属表面也有表面张力现象，表面张力与润湿力的方向相反，是一个不利于焊接的重要因素。在自动化焊接生产线上，表面张力如果不平衡，焊接后会出现元器件位置偏移、吊桥、桥接等焊接缺陷，但是表面张力是物质的本性，是物理特性，不能消除，只能对其进行改善，尽量减小表面张力，从而提高钎料的润湿力，达到改善焊接性能的效果。

锡铅合金配比与表面张力和黏度的关系（280℃测试）见表1-1。

为了改善焊接性能，必须降低表面张力和黏度。降低表面张力和黏度的措施如下：

1.提高焊接温度

表面张力一般随着温度的升高而降低，因此采用提高温度的方法可以降低黏度和表面张力。

2.改善钎料的合金成分

选择合适的金属比例，Sn的表面张力很大，不利于焊接，但是如果在其中加入Pb，随着Pb的含量增加，表面张力降低，改善了焊接性能。其中锡铅的比例为：Sn含量为63%，Pb含量为37%，此时表面张力明显减小，这也是钎料中最合适的锡铅比例。

黏度和表面张力与温度的关系如图1-3和图1-4所示。

3.增加活性剂

在电子产品焊接中加入钎剂，能去掉钎料表面的氧化层，还能有效地降低钎料的表面张力。

4.改善焊接环境

采用不同的气体保护，介质不同，钎料表面张力不同，例如采用氮气保护焊接可以减少高温氧化，提高润湿性。

1.2.3 毛细管现象

毛细管现象又称虹吸现象，将毛细管插入水中时，水会进入毛细管，使得毛细管中的液位要高于水平面，固体金属在液体中也有毛细管现象，如图1-5所示，它是液体在狭窄间隙中流动时所表现出来的固有特性。液体在毛细管作用下上升或下降的高度表达式见式（1-2）。

式中 h——毛细管中液面的高度；

σ——液体与气相之间（钎料）的表面张力；

θ——润湿角；

g——当地的重力加速度；

ρ——液体（钎料）的密度；

r——毛细管半径。

由此可以看出液体在毛细管中上升或者下降的高度与表面张力成正比，与液体的密度，当地的重力加速度成反比，与毛细管的直径成反比。在焊接过程中，为了获得良好的焊接效果，通常需要钎料完全填满两个焊件的缝隙，由于焊件的缝隙都很小，钎料在缝隙中流动就是一种毛细管现象，钎料是否能充分地填满缝隙，取决于它的毛细管特性。其中θ<90°即cosθ>0时，液体在毛细管中上升；θ>90°即cosθ<0时，液体在毛细管中下降；只有当cosθ>0，h>0时液态钎料才能流入缝隙。θ越小，h值越大，液态钎料填充的缝隙越长，反之，液态钎料不能流入到缝隙中。由此可知，液态钎料能否流入缝隙取决于它对母材的润湿性。

1.2.4 扩散

首先举两个最简单的例子，在房间中某处打开装有香水的瓶子，过一会儿整个房间都会有香水的味道；将一滴红墨水滴入一个装满清水的杯子，很快一杯水就变红了；这两种现象都是扩散现象。

扩散是物质内质点运动的基本方式，当温度高于绝对零度时，任何物质内的质点都在做热运动。当物质内有梯度（化学位、浓度、应力梯度等）存在时，由于热运动而触发（导致）的质点定向迁移即所谓的扩散。扩散是一种传质过程，宏观上表现出物质的定向迁移。在固体中，扩散是物质传递的唯一方式，扩散的本质是质点的无规则运动。

在金属中同样存在扩散运动，例如我们在物理学中的一个实验，将一个铅块和一个金块表面平整加工后紧紧压在一起，经过一段时间后两者“粘”在了一起，将它们分开之后我们发现在银灰色铅的表面上金光闪烁，而在金块的表面上也有银灰色的铅的足迹，这种现象说明两种金属接近到一定距离是能相互“入侵”的，界面晶体紊乱导致部分原子从一个晶格点阵移动到另一个晶格点阵，交换了位置，这就是金属学上的扩散。

金属之间扩散要满足两个基本条件：

（1）距离要足够小：即两种金属必须接近到足够小的距离，这样两种金属原子之间的引力才能产生作用，才能达到金属扩散的要求，如果金属表面不够平整光滑，不够清洁，有氧化物，那么就不能实现扩散，这也就是为什么电子产品焊接时必须加入钎剂，防氧化剂，其目的就是为了清除母材表面的氧化物。

（2）温度：在一定温度下金属分子才会有动能，才能使得扩散进行下去，理论上“绝对零度”时是不可能进行扩散运动的，温度必须达到一定值时扩散运动才会比较活跃。

总体来说，扩散可分为两大类：自扩散和化学扩散。自扩散指的是同种金属间的原子移动，化学扩散指的是异种原子间的扩散。而从现象上扩散可分为三大类：晶内扩散、晶界扩散和表面扩散。

焊接中的扩散程度因钎料的成分和母材金属的种类及不同的加热温度而异。扩散可分为表面扩散、晶界扩散、体扩散和选择扩散几种类型，如图1-6所示。

1.表面扩散

在结晶表面和空间交界上，熔化的钎料原子总是易沿着被焊接金属结晶表面流动、扩散，这种扩散叫做表面扩散。

对于锡铅焊接来说，锡-铅钎料在焊接金属时，锡在其表面上有选择地扩散，由于铅的加入，使得表面张力下降，还会促进扩散，这也是表面扩散。

2.晶界扩散

熔化的钎料原子向固体金属的晶粒扩散叫做晶界扩散，也叫晶粒扩散。在金属内部的粒界上，扩散很容易，所以在低温下晶界扩散的速度也比较快。

3.体扩散

熔化的钎料扩散到晶粒中去的过程叫做体扩散，也叫晶内扩散。

这种扩散在母材内部的晶粒上形成了另外一种不同成分的合金，沿不同的结晶方向，扩散程度也不相同。由于扩散在母材内部形成各种组成的合金，在不同的条件下，晶型也会发生变化。

4.选择扩散

用两种以上的金属元素组成的钎料焊接时，在结合的时候，钎料的金属元素之中仅有一种元素扩散得快，或者是仅是一种元素扩散，其余的元素都处于不扩散状态，这种扩散叫作选择扩散。这是熔化的金属自身的扩散方式。

在锡焊接中，用锡-铅钎料焊接金属时，钎料中的锡向固体金属中扩散，而铅的作用是减小表面张力，不进行扩散，这就是选择扩散。

影响扩散的因素分为外在因素和内在因素。外在因素有温度、杂质（第三组元）、气氛及固溶体类型等的影响；内在因素有扩散物质的性质、原子键力的影响、晶体结构的影响等。

1.2.5 焊接界面结合层

焊接时，熔化的钎料向母材金属组织扩散，同时，母材金属也向钎料中扩散溶解，这种钎料和母材金属相互扩散的结果使得在温度冷却到室温时，钎料和母材金属界面上形成由钎料、合金层和母材层组成的接头结构，此结构决定焊接的结合强度。其中的合金层是钎料在母材界面上生成的，称为“界面层”，钎料层和母材层称为“扩散层”。

合金层的金属成分有很多种，由于锡向铜中扩散，铅不扩散，因此形成铜-锡-铜组合，形成的合金示意图如图1-7所示，锡焊接中把250~300℃称为低温焊接，此时在结合层处生成Cu₃Sn、Cu₆Sn₅,温度高于300℃时称为高温焊接，此时除了生成前两种合金之外还生成Cu₃₁Sn₈以及很多尚未弄清楚的金属间化合物。这些合金在结合焊件中起着关键作用，合金的结合强度直接关系到焊点的可靠性。

用含锡63%，含铅37%的焊锡焊接铜棒，它们接合面的结合强度和加热温度的曲线如图1-8所示，从图中可以看到，在温度250℃左右结合强度有个最大值，此前此后结合强度都会降低，由此可以找到最适合的焊接温度，这个最适合的焊接温度为焊锡的熔点向上浮动40~50℃，在最适合的焊接温度上才能得到最好的结合强度，才能使得焊点最为牢固可靠。

合金层最佳厚度为1.2~3.5μm，当厚度小于0.5μm时合金层太薄，几乎没有抗拉强度，当厚度大于4μm时，合金层太厚，结合处几乎没有弹性，抗拉强度也很小。合金层的质量与厚度有关。影响合金层质量的因素有钎料的合金成分和氧化程度、钎剂的质量、母材的氧化程度、焊接温度和时间，只有这些条件都满足了，才能获得良好的焊接效果，因此在焊接过程中，我们要选择合适的钎料。钎剂能有效地净化母材表面，消除母材表面的氧化物，清除杂质，提高润湿性，同时掌握好最佳的焊接温度和时间。