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    電子裝聯(lián)用錫焊是一種軟釬焊，其焊料主要使用錫Sn、鉛Pb、銀Ag、銦In、鉍Bi等金屬，目前使用最廣的是Sn-Pb和Sn-Pb-Ag系列共晶焊料，熔點(diǎn)一般在185℃左右。

    釬焊意味著固體金屬表面被某種熔化合金浸潤。這種現(xiàn)象可用一定的物理定律來表示。如果從熱力學(xué)角度來考慮浸潤過程，也有各種解釋的觀點(diǎn)。有一種觀點(diǎn)是用自由能來解釋的。

    ⊿F＝⊿U－T⊿S 在這里，F(xiàn)是自由能，U是內(nèi)能，S是熵。 ⊿F與兩種因素有關(guān)，即與內(nèi)能和熵的改變有關(guān)。一般S常常趨向于最大值，因此促使－T⊿S也變得更小。實(shí)際上，當(dāng)固體與液體接觸時(shí)，如果自由能F減少，即⊿F是負(fù)值，則整個(gè)系統(tǒng)將發(fā)生反應(yīng)或趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。由此可知，熵是浸潤的促進(jìn)因素，因?yàn)殪厥龚SF的值變得更小。 ⊿F的符號(hào)最終決定于⊿U的大小和符號(hào)，它控制著浸潤是否能夠發(fā)生。為了產(chǎn)生浸潤，焊料的原子必須與固體的原子接觸，這就引起位能的變化，如果固體原子吸引焊料，熱量被釋放出來，⊿U是負(fù)值。如果不考慮⊿U的大小和量值，那么，熵值的改變與表面能的改變有同樣的意義，浸潤同樣是有保證的。在基體金屬和焊料之間產(chǎn)生反應(yīng)，這就表明有良好的浸潤性和粘附性。如果固體金屬不吸引焊料，⊿U是正值，這種情況下，取決于⊿U在特殊溫度下的大小值，才能決定能否發(fā)生浸潤。這時(shí)，增加T⊿S值的外部熱能，能對(duì)浸潤起誘發(fā)作用。這種現(xiàn)象可以解釋弱浸潤。在焊接加溫時(shí)，表面可能被浸潤，在冷卻時(shí)，焊料趨于凝固。在開始凝固的區(qū)域，⊿U是正值，其值比T⊿S大得多，當(dāng)⊿F最終變?yōu)檎�值時(shí)，浸潤現(xiàn)象就發(fā)生了。

    有兩種情況，一種是兩種浸潤材料互相發(fā)生浸潤，導(dǎo)致結(jié)合，二者都呈現(xiàn)低表面能，這時(shí)的焊點(diǎn)具有良好強(qiáng)度。單純的粘附作用不能產(chǎn)生良好的浸潤性。假如把兩種原子構(gòu)成的固體表面弄得很光滑，在真空中疊合在一起，它們可能粘附在一起，這種現(xiàn)象是兩個(gè)光滑斷面之間的范德華力作用。這種結(jié)合接度以范德華力為基礎(chǔ)，超過了任何接點(diǎn)的應(yīng)用強(qiáng)度。生產(chǎn)中不會(huì)出現(xiàn)這種情況，因?yàn)榉兜氯A力是在很短距離時(shí)才起作用。實(shí)際工程上，表面都且有粗糙性，阻止原子密切接觸�？墒窃谝恍┚植�，原子結(jié)合力也會(huì)起作用，這是很微小的。實(shí)際上，從宏觀來觀察時(shí)，也包括范德華力在內(nèi)。

    一般情況下，低表面能的材料在高表面能的材料上擴(kuò)展，在這種情況下，整個(gè)系統(tǒng)的表面自由能減小。一個(gè)系統(tǒng)兩個(gè)元件表面自由能相同時(shí)，就不發(fā)生擴(kuò)展，或者說停止了擴(kuò)展。

    電子裝聯(lián)常用的錫-鉛系列焊料焊接銅和黃銅等金屬時(shí)，焊料在金屬表面產(chǎn)生潤濕，作為焊料成分之一的錫金屬就會(huì)向母材金屬中擴(kuò)散，在界面上形成合金屬，即金屬間化合物，使兩者結(jié)合在一起。在結(jié)合處形成的合金層，因釬焊材料成分、母材材質(zhì)、加熱溫度及表面處理等因素的不同會(huì)有變化。釬料的機(jī)理必須從以下幾個(gè)方面來解釋：

    1、擴(kuò)散理論

    2、晶間滲透理論

    3、中間合金理論

    4、潤濕合金理論

    5、機(jī)械嚙合理論

漫流

    漫流也叫擴(kuò)展或鋪展，它是一種物理現(xiàn)象，服從一般的力學(xué)規(guī)律，沒有金屬化學(xué)的變化。通常低表面能的材料在高表面能的材料上漫流。正如前面所述，漫流過程就是整個(gè)系統(tǒng)的表面自由能減小的過程。一個(gè)系統(tǒng)兩個(gè)元件自由能相同時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生漫流。在電子錫焊裝聯(lián)中，我們所討論的一般都是液相體在固體表面上的漫流，漫流與液體的表面能，固體的表面性質(zhì)等有關(guān)。這是一種液體沒固體表面的流動(dòng)即流體力學(xué)問題，同時(shí)也有毛細(xì)作用。漫流是浸潤的先決條件。

    浸潤（Wetting）

    軟釬焊的第一個(gè)條件，就是已熔化的焊料在要連接的固體金屬的表面上充分漫流以后，使之熔合一體，這樣的過程叫作“浸潤”（或潤濕）。 粗看起來，金屬表面是很光滑的。但是，若用顯微鏡放大看，就能看到無數(shù)凹凸不平，晶粒界面和劃痕等，熔化的焊料沒著這種凹凸與傷痕，就產(chǎn)生毛細(xì)作用，引起漫流浸潤。

    產(chǎn)生浸潤的條件

    為了使已熔焊料浸潤固體金屬表面，必須具備一定的條件。條件之一就是焊料與固體金屬面必須是“清潔”的，由于清凈，焊料與母材的原子間距離就能夠很小，能夠相互吸引，也就是使之接近到原子間力能發(fā)生作用的程度。斥力大于引力，這個(gè)原子就會(huì)被推到遠(yuǎn)離這個(gè)原子的位置，不可能產(chǎn)生浸潤。當(dāng)固體金屬或熔化的金屬表面附有氧化物或污垢時(shí)，這些東西就會(huì)變成障礙，這樣就不會(huì)產(chǎn)生潤濕作用，金屬表面必須清潔，這是一個(gè)充分條件。

    由于本論壇不支持文檔中夾圖表，因此在這里省略金屬結(jié)構(gòu)和原子相互作用力的示意圖解釋，請(qǐng)大家海

    涵。

    表面張力

    表面張力是液體表面分子的凝聚力，它使表面分子被吸向液體內(nèi)部，并呈收縮狀（表面積最小的形狀）。液體內(nèi)部的每個(gè)分子都處在其它分子的包圍之中，被平均的引力所吸引，呈平衡狀態(tài)。但是，液體表面的分子則不然，其上面是一個(gè)異質(zhì)層，該層的分子密度小，平均承受垂直于液面、方向指向液體內(nèi)部的引力。其結(jié)果，出現(xiàn)了在液體表面形成一層薄膜的現(xiàn)象，表面面積收縮到最小，呈球狀。這是因?yàn)轶w積相同、表面積最小的形狀是球體。這種自行收縮的力是表面自由能，這種現(xiàn)象叫做表面張力現(xiàn)象，這種能量叫做表面張力或表面能。這個(gè)表面能是對(duì)焊料的潤濕起重要作用的一個(gè)因素。

    毛細(xì)管現(xiàn)象

    將熔化的清潔的焊料放在清潔的固體金屬表面上時(shí)，焊料就會(huì)在固體金屬表面上擴(kuò)散，直到把固體金屬潤濕。這種現(xiàn)象是這樣產(chǎn)生的：焊料借助于毛細(xì)管現(xiàn)象產(chǎn)生的毛細(xì)管力，沿著固體金屬表面上微小的凸凹面和結(jié)晶的間隙向四方擴(kuò)散。

    液態(tài)金屬不同于固體金屬，其點(diǎn)陣排列不規(guī)則，以原子或分子的形態(tài)做布朗運(yùn)動(dòng)。因此，處在這種狀態(tài)下的金屬具有粘性和流動(dòng)性，而沒有強(qiáng)度。在這種情況下，金屬在熔點(diǎn)附近的體積變化為3~4%左右。

    關(guān)于毛細(xì)現(xiàn)象，有多種圖表進(jìn)行解釋，初中物理課本的水銀和水在細(xì)玻璃管壁的平衡形態(tài)，就是一個(gè)很好的解說。毛細(xì)原理是液態(tài)金屬和固體金屬間潤濕的基礎(chǔ)，有一個(gè)著名的托馬斯－楊公式表示，大致是液態(tài)金屬原子之間的作用力，液態(tài)金屬和固體金屬原子之間的作用力，液態(tài)金屬原子和環(huán)境（空氣、助焊劑等）原子作用力之間，三者的合力與液體球面切線的夾角，指向液態(tài)金屬擴(kuò)展的方向，則具有潤濕的傾向，夾角越大，則潤濕能力越強(qiáng)。具體可查閱相關(guān)資料。

    擴(kuò)散（Diff usion）

    前面對(duì)軟釬焊中的重要條件——浸潤問題作了敘述，與這種浸潤現(xiàn)象同時(shí)產(chǎn)生的，還有焊料對(duì)固體金屬的擴(kuò)散現(xiàn)象。由于這種擴(kuò)散，在固體金屬和焊料的邊界層，往往形成金屬化合物層（合金層）。

    通常，由于金屬原子在晶格點(diǎn)陣中呈熱振動(dòng)狀態(tài)，所以在溫度升高時(shí)，它會(huì)從一個(gè)晶格點(diǎn)陣自由地移動(dòng)到其它晶格點(diǎn)陣，這人現(xiàn)象稱為擴(kuò)散現(xiàn)象。此時(shí)的移動(dòng)速度和擴(kuò)散量取決于溫度和時(shí)間。例如，把金放在清潔的鉛面上，在常溫加壓狀態(tài)下放幾天，就會(huì)結(jié)合成一體，這類的結(jié)合也是依靠擴(kuò)散而形成的。

    一般的晶內(nèi)擴(kuò)散，擴(kuò)散的金屬原子即使很少，也會(huì)成為固溶體而進(jìn)入基體金屬中。不能形成固溶體時(shí)，可認(rèn)為只擴(kuò)散到晶界處。因在常溫加工時(shí)，靠近晶界處晶格紊亂，從而極易擴(kuò)散。

    固體之間的擴(kuò)散，一般可認(rèn)為是在相鄰的晶格點(diǎn)陣上交換位置的擴(kuò)散。除此之外，也可用復(fù)雜的空穴學(xué)說來解釋。當(dāng)把固體金屬投入到熔化金屬中攪拌混合時(shí)，有時(shí)可形成兩個(gè)液相。一般說來，固體金屬和熔化金屬之間就要產(chǎn)生擴(kuò)散。下面，就介紹這些金屬間發(fā)生的擴(kuò)散。

    擴(kuò)散的分類

    擴(kuò)散的程度因焊料的成分和母材金屬的種類及不同的加熱溫度而異，它可分成從簡單擴(kuò)散到復(fù)雜擴(kuò)散幾類。

    大體上說，擴(kuò)散可分為兩類，即自擴(kuò)散（Self-diffusion）和異種原子間的擴(kuò)散——化學(xué)擴(kuò)散（Chemical diffusion）。所謂自擴(kuò)散，是指同種金屬原子間的原子移動(dòng)；而化學(xué)擴(kuò)散是指異種原子間的擴(kuò)散。如從擴(kuò)散的現(xiàn)象上看，擴(kuò)散可分為三類：晶內(nèi)擴(kuò)散（Bulk diffusion）、晶界擴(kuò)散（Grain-boundary diffusion）和表面擴(kuò)散（Surface diffusion）。