现代电子装联软钎焊接技术.pdf

现代电子制造系列丛书 现代电子装联软钎 焊接技术 史建卫 温粤晖 编著 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本书基于对现代电子装联软钎焊技术原理的分析，阐明了焊接过程中的润湿铺展与溶解扩散两个主要过程对焊点形成的重要性，并对典型群焊技术（再流焊、波峰焊）、局部焊接技术（掩膜焊、选择焊、激光焊、热压焊等）及手工焊接技术的工艺特点、工作原理、制程设计与步骤、质量控制、常见焊接缺陷等进行了介绍；针对 PCBA 可制造性设计（DFM），从 PCB 加工制作、元器件选型与布局、焊盘设计、布线设计、PCBA 安装设计等方面进行了介绍，基于焊点可靠性分析，对焊点界面的组织特征及接头形态设计提出了要求，验证了其与工艺参数之间的关联性及对可靠性的影响，为高质量、高可靠电子组装提供了依据和思路。本书既可作为中兴通讯电子制造职业学院的教学用书，也可作为相关企业员工的专业技能培训教材，还可作为高等院校相关专业师生的教材或教学参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 现代电子装联软钎焊接技术史建卫，温粤晖编著.北京：电子工业出版社，2016.1（现代电子制造系列丛书）ISBN 978-7-121-27596-8.现 .史 温 .电子装联软钎焊焊接工艺 .TN305.93TG4 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2015）第 274964 号 策划编辑：宋 梅 责任编辑：谭丽莎 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：16.75 字数：429 千字 版 次：2016 年 1 月第 1 版 印 次：2016 年 1 月第 1 次印刷 印 数：3 000 册 定价：49.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。总 序 当前，各种技术的日新月异及这个时代的各种应用和需求迅速推动着现代电子制造技术的革命。各门学科的深度融合，例如，物理学、化学、电子学、行为科学、生物学等，提供了现代电子制造技术广阔的发展空间，特别是移动互联网技术的不断升级换代、工业 4.0 技术推动着现代电子技术的高速发展。同时，现代电子制造技术将会在机遇和挑战中不断变革。例如，人们对环保、生态的需求，随着中国人口老龄化的不断加剧，操作工人的短缺和生产的自动化，以及企业对生产效率提高的驱动，将会给现代电子制造技术带来深刻变革。伴随着完全不同的时代特征、运行环境和实现条件，现代电子制造的发展也必须建立在一个崭新的历史起点上。这就意味着，在这样一个深刻的、深远的时代转折时期，电子制造业生态和电子生产制造体系的变革，为增强制造业竞争力提供了难得的机遇。作为全球电子产品的生产大国，电子制造技术对中国无疑是非常重要的。而中兴通讯作为中国最大的通信设备上市公司，30年来，其产品经历了从跟随、领先到超越的发展历程，市场经历了从国内起步扩展到国外的发展历程，目前已成为全球领先的通信产品和服务供应商，可以说是中国电子通信产品高速发展的缩影。在中兴通讯成功的因素中，技术创新是制胜法宝，而电子制造技术也是中兴通讯的核心竞争力。无论是“中国智造”，还是“中国创造”，归根结底都依赖于懂技术、肯实干的人才。中兴通讯要不断夯实自身生产制造雄厚的技术优势和特长，以更好地推动和支撑中兴通讯产品创新和技术创新。为此，2013 年，中兴通讯组建了电子制造职业学院，帮助工程师进修学习新知识和新技术，不断提升工程师的技术能力。为提升学习和培训效果，我们重点下功夫编写了供工程师进修学习的精品教材。为此，公司组织了以樊融融教授为首的教材编写小组，这个小组集中了中兴通讯资深的既有丰富理论又有实践经验的专家队伍，这批专家也可以说是业界顶尖的工程师，这无疑保证了这套教材极高的水准。“现代电子制造系列丛书”共分为 3 个系列，分别用于高级班、中级班、初级班，高级班教材有 4 本，中级班教材有 6 本，初级班教材有 2 本。本套丛书基本上覆盖了现代电子制造所有方面的理论、知识、实际问题及其答案，体现了教材的系统性、全面性、实用性，不仅在理论和实际操作上有一定的深度，更在新技术、新应用和新趋势方面有许多突破。本套丛书的内容也可以说是中兴通讯的核心技术，现在与电子工业出版社联合将此丛书公开出版发行，向社会和业界传播电子制造新技术，使现在和未来从事电子制造技术研究的工程师受益，将造福于中国电子制造的整个行业，对推动中国制造提升能力具有深远的影响，这无疑体现了“中兴通讯，中国兴旺”的公司愿景和一贯的社会责任。中兴通讯股份有限公司董事长 前 言 随着电子产品向多功能、微型化、高密度、环保方向发展，电子装联变得越来越重要，如何将现代电子产品可靠、高效、低廉、定制化地完成组装，已经成为现代电子装联的新课题。现代电子装联是随着封装、印制电路板、组装材料和组装技术共同发展起来的，在这一过程中，我们面临的高密度组装及其可靠性问题必须得到重视，而且基于生产过程的工艺管理为电子装联成功与否提供了保障。正是基于以上考量，我们根据现代电子装联在新形势下的要求，提出了编制针对专业技术人员的系列教材，以满足现代电子装联的各项要求。现代电子装联软钎焊接技术首先基于对现代电子装联软钎焊技术原理的分析，阐明了焊接过程中的润湿铺展与溶解扩散两个主要过程对焊点形成的重要性；其次对再流焊接技术、波峰焊接技术及手工焊接技术等的工艺特点、工作原理、制程设计与步骤、质量控制、常见焊接缺陷等进行了论述；再次针对 PCBA 可制造性设计（DFM）进行了介绍，为自动化组装实现高焊接质量、高直通率保驾护航；最后基于焊点可靠性分析，对焊点界面的组织特征及接头形态设计提出了要求，并验证了其与工艺参数之间的关联性及对可靠性的影响，为高质量、高可靠电子组装提供了依据和思路。本书共分 9 章，分别是：第 1 章，现代电子装联软钎焊技术；第 2 章，现代电子装联软钎焊原理；第 3 章，现代电子装联软钎焊应用材料；第 4 章，再流焊接技术；第 5 章，波峰焊接技术；第 6 章，局部焊接技术；第 7 章，手工焊接技术；第 8 章，PCBA 可制造性设计（DFM）；第 9 章，焊点接头设计及其可靠性。本书的第 1、2、3、4、7、8、9 章由史建卫编写，第 5、6 章由温粤晖编写。在本书编写过程中，中兴通讯股份有限公司董事长给予了大力支持、关心和鼓励，并在百忙之中为本系列丛书作序。同时，该公司执行副总裁邱未召先生和高级顾问马庆魁先生也亲力亲为，为本书的按时出版提供了指导，笔者十分感谢！作为前辈和老师，已八十岁高龄的樊融融研究员亲自审核了全书，并为该书提出了很多好的指导、意见和建议，笔者深表感谢！在本书的编写过程中，还得到了制造中心工艺部汪芸部长、邱华盛总工程师的关心和支持，在此表示感谢！笔者在完成这一书稿的过程中得到了制造工程研究院工艺研究部刘哲总工程师、贾忠中资深工艺专家、制造中心工艺部孙磊资深工艺专家的指导与协助，以及吴仙仙、曾慧两位同志在文字处理方面的帮助，在此也表示由衷的感谢！本书在编写过程中参考了一些专业书籍和网上的相关资料，在此表示衷心感谢！编著者 2015 年 12 月于中兴通讯股份有限公司 VII 目 录 第 1 章 现代电子装联软钎焊技术.1 1.1 概述.2 1.2 焊接与钎焊.2 1.2.1 焊接.2 1.2.2 钎焊及其分类.3 1.2.3 软钎焊技术所涉及的学科领域及其影响.3 1.2.4 软钎焊技术的基本分类.4 1.3 现代电子装联软钎焊技术的新发展.6 1.3.1 “微焊接”技术.6 1.3.2 无铅化焊接技术.8 思考题.11 第 2 章 现代电子装联软钎焊原理.13 2.1 软钎焊特点与常用术语.14 2.1.1 软钎焊连接机理.14 2.1.2 软钎焊工艺步骤.14 2.1.3 软钎焊加热方式.15 2.1.4 可焊性与润湿性.15 2.1.5 接触角与润湿角.16 2.2 润湿.16 2.2.1 固体金属表面结构.17 2.2.2 液态钎料表面现象.17 2.2.3 润湿及分类.19 2.2.4 杨氏方程（Youngs Equation）.20 2.2.5 助焊剂作用下润湿过程中的热动力平衡.21 2.2.6 润湿形式.22 2.2.7 润湿性影响因素.23 2.2.8 润湿性评定方法.27 2.2.9 常用去膜技术.28 2.3 钎料填缝过程.29 2.3.1 弯曲液面附加压力.29 2.3.2 拉普拉斯方程（Young-Laplace）.31 2.3.3 弯曲液面对饱和蒸汽压的影响.31 2.3.4 液态钎料毛细填缝过程.32 2.3.5 液态钎料的平衡形态.36 VIII 2.4 溶解与扩散.37 2.4.1 物质间的互溶条件与界面张力关系.37 2.4.2 基体金属的溶解过程.37 2.4.3 钎料与基体金属之间的扩散.43 2.5 界面反应组织.47 2.5.1 界面层结合模式.47 2.5.2 界面层金属间化合物的形成与生长.49 2.6 钎焊接头性能及接头设计.53 2.6.1 钎焊接头性能.53 2.6.2 钎焊接头强度.53 思考题.57 第 3 章 现代电子装联软钎焊应用材料.59 3.1 钎料合金概述及其工艺性要求.60 3.1.1 钎料合金概述.60 3.1.2 钎料合金的选择与使用.66 3.2 助焊剂概述及其工艺性要求.69 3.2.1 助焊剂概述.69 3.2.2 助焊剂的选择与使用.72 3.3 钎料膏概述及其工艺性要求.74 3.3.1 钎料膏概述.74 3.3.2 钎料膏的选择与使用.75 3.4 其他钎料形态概述.76 3.4.1 钎料丝.76 3.4.2 预成型焊片.77 3.5 无铅化兼容性问题.78 3.5.1 无铅化 PCB 焊盘表面镀层工艺要求.78 3.5.2 无铅化元器件焊端/引脚表面镀层工艺要求.81 3.5.3 从润湿性评估无铅钎料与 PCB 表面保护层之间的兼容性.83 3.5.4 从润湿性评估无铅钎料与元器件表面镀层之间的兼容性.89 思考题.91 第 4 章 再流焊接技术.93 4.1 再流焊接工艺特点.94 4.2 再流焊接温度曲线.94 4.2.1 温度曲线的基本特征.94 4.2.2 典型温度曲线类型.96 4.2.3 加热因子.96 4.2.4 带宽与工艺窗口.98 IX 4.2.5 温度曲线设置影响因素.100 4.2.6 温度曲线测试及优化.100 4.3 再流焊接传热技术.103 4.3.1 热传导.104 4.3.2 热辐射.105 4.3.3 热对流.105 4.4 红外再流焊接技术.106 4.4.1 红外再流焊接加热原理.106 4.4.2 红外再流焊接技术特点.106 4.4.3 红外再流焊炉结构.107 4.5 热风再流焊接技术.109 4.5.1 热风再流焊接加热原理.109 4.5.2 热风再流焊接技术特点.110 4.5.3 热风再流焊炉结构.110 4.6 红外+热风复合加热再流焊接技术.112 4.6.1 红外+热风复合加热再流焊接加热原理.112 4.6.2 红外+热风复合加热再流焊接技术特点.113 4.6.3 红外+热风复合加热再流焊炉结构.113 4.7 汽相再流焊接技术（VPS）.114 4.7.1 汽相再流焊接加热原理.115 4.7.2 汽相再流焊接技术特点.116 4.7.3 汽相再流焊炉结构.117 4.8 再流焊炉设计参数及应用.118 4.9 无铅再流焊接工艺技术.119 4.9.1 无铅再流焊接工艺技术特点.119 4.9.2 无铅化对再流焊接温度曲线的影响.120 4.9.3 无铅化对再流焊炉的影响.121 4.9