SMD真空无钎剂激光软钎焊试验研究与机理分析（下）

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3.2真空环境下材料......




3.2　真空环境下材料的表面氧化膜行为
　　 由文献［3］、［8］及［9］得出的真空条件具有如下的保护材料表面及去除氧化膜作用：
　　 ①保护作用。真空下元器件不会出现增碳及污染变质等问题而阻碍钎料铺展。
　　 ②除气、改善作用。基金属和钎料周围存在低压，能够排除金属在钎焊温度下挥发出来的挥发性气体或杂质，可以使基金属的性能得到改善，利于钎料铺展。
　　 ③真空状态降低了真空室内的氧分压，导致氧化物的不稳定。按照理论计算，氧化物分解所需的真空度是极高的。试验中实际采用的真空度要低得多，不能期望氧化物自行分解。但是，真空环境使氧化膜处于不稳定、易于去除的状态。
　　 ④净化作用。真空环境下还原、挥发或溶解等多重作用，有助于去除元器件表面氧化物，可以使金属表面活性增强，利于钎料的润湿。
　　 ⑤蒸发作用。真空环境不单单是造成氧化物的不稳定，还有利于某些易挥发物质的蒸发。这种蒸发能净化金属表面、破坏金属表面氧化膜，使之变成混合物或低价氧化物而被抽走。
　　 ⑥真空下液态钎料的吸附作用使氧化膜强度下降，并由于热物理性能不同而破碎，弥散溶入钎料中。
　　 由于真空能促成一些中性气体中所没有的去膜过程的进行，所以能得到更好的去膜效果。此外，真空还能够消除气体介质钎焊时在焊缝中形成气孔的可能性。
3.3　真空对钎料铺展固液界面行为的影响
　　 真空下液态Sn-Pb钎料在Cu表面的铺展，构成了一个由固、液、气相(真空)组成的三相界面体系。从热力学的观点来看，钎料的铺展行为要取决于润湿三相系统吉布斯自由能的降低。当系统中存在两种介质的界面(表面)时，热力学基本公式为：
dG＝－SdT+VdP＋γdA+μdN　　(1)
式中：G——吉布期自由能；
T——绝对温度；
S——熵值；
N——组份质量；
μ——组份化学势；
dA——表面面积增量；
γ——表面张力。
所以说钎料铺展润湿的程度如何要取决于三相接触线表面张力(或界面张力)对液态熔融钎料的综合作用。各主要工艺参数对界面张力的影响最终决定了钎料的铺展程度。图5为钎料铺展润湿热力学模型。
式中：γSG——固气界面张力；
γLG——液气界面张力；
γSL——固液界面张力；
θ——接触角。
　　 这是T.Young在1805年提出的著名的杨氏方程。可以看出，三相线的移动、钎料对母材的润湿取决于具体条件下的三相相互作用。γSG增大、γLG及γSL减小，都能使cosθ增大，使铺展面积增大，改善润湿性。从物理意义上说，γLG减小意味着液体内部原子对表面原子的吸引力减弱，液体原子容易克服自身引力趋向表面，使表面积扩大、钎料容易铺展。γSL减小，表明固体对液体原子的吸引力增大，使液体内部的原子容易被拉向固－液界面，即容易铺展。
　　 真空下Cu金属表面张力(固－气界面张力)γSG增大。表面原子外侧缺少原子或分子之间的相互作用，表面附近分子的平衡位置受到表面的影响，会产生移动。当表面以外是更稀松的介质如气体时，来自内部的吸引力大于来自外部的，平衡位置将向内移动如图6所示。图中：(a)表示和真空相接的固体Cu表面，表面层a及第二层b之间的距离比内部的层间距d-e小得多；(b)表面和气体相接的固体表面，层间距A和B大于a-b；(c)表示和Sn-Pb钎料液气系统相接的固体表面，液体下的层间距D-E大于气体下的A-B。三相接触线区(t)中，固体表面层在A和D之间。真空下来自Cu表层内部的引力远大于来自外部的，即真空下γSG增大。
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　　另外，尽管真空对Cu和液态Sn-Pb钎料的界面张力γSL影响很小，但是都对液气界面张力γLG影响很大。真空状态下，γLG表现为液态钎料对真空环境的界面张力。实质上，在真空状态下，尤其是在真空度较高时，液态钎料蒸发。这时的γLG应具体体现为液态Sn-Pb钎料与其蒸气之间的界面张力。随温度和真空度的升高，蒸气密度加大，从而增加了表面分子的引力，气液两相密度差值变小。而气液界面形成单位面积体系能量增值US为
式中：NL——液体单位体积中的分子数；
NG——蒸气相单位体积中的分子数；
rL——液体中分子间的平衡距离；
A——Van Der Walls引力常数。
　　 即使在分子引力常数A与温度无关的情况下，温度上升、真空度加大总使(NL－NG)变小和rL变大，两者均以平方形式出现，故US必变小，液气界面张力γLG值变小。
　　 由TYoung方程，γLG变小和γSG增大都使接触角变小、铺展面积变大，于是真空下无钎剂钎料在基金属铜表面得到良好的润湿。
3.4　利于钎料铺展的真空度最佳值
　　 真空条件有利于无钎剂钎料的铺展。但是钎料的铺展面积并不是随真空度的增高而一直增大，到了一定真空度以后(如上文试验中的4.2×10－2Pa)铺展面积值开始下降。试验结果表明存在着真空度的最佳值。这一真空度最佳值远远高于氧化物的分解压。分析这一最佳值产生的原因，在于真空的去膜作用与真空下钎料蒸发作用的共同作用结果。这一最终结果决定了钎料的铺展行为。在低真空时，真空去膜作用小同时钎料蒸发也小。钎料铺展面积主要随着真空度的增加而增加。在较高真空时，去膜作用已经达到了一定水平，不再有明显的增强。而液态钎料的蒸发却因真空度的增高而加剧。钎料显著蒸发的结果是消耗了部分加热能量，此时输入的能量不足以使钎料充分润湿，所以钎料的铺展面积反而减小。
　　 在高真空下如果加大激光功率或延长加热时间，也就是增大激光输入总能量以弥补因钎料元素显著蒸发而产生的能量损耗，钎料也可以获得良好的铺展。例如，真空度为2.2×10－2Pa时采用I＝2.8A、t＝1950ms规范进行钎焊试验，结果钎料的铺展面积为13.770mm2。在2.4×10－2Pa时采用I＝2.9A、t＝1640ms规范进行钎焊试验，结果钎料的铺展面积为12.694mm2。钎料的铺展情况都很不错。但在激光加热过程中观察发现，复合真空计指针明显发生大幅度的摆动。这表明钎料元素蒸发严重。同时，加大激光输入能量容易损坏被焊元器件。一般认为，这种强规范不可取。
4　在表面组装中的应用
　　被焊元器件分别为片式贴装电阻473和823(电阻值分别为47kΩ和82kΩ)。钎料仍为上文所述的无钎剂Sn-Pb钎料。图7为片式电阻的结构及所设计的裸铜焊盘几何形状。接头形式如图8。
　　片式电阻无钎剂表面组装工艺流程为：