2.4 润湿

润湿，在IPC-T-50中的定义是“焊料在金属基底上形成相对均匀、光滑、连续的附着膜”，表示液态焊料和被焊接零部件（PCB焊盘和元器件电极）表面发生了特殊的相互作用，它是实现焊接的基本条件。当把一片固态金属浸入液态焊料槽时，金属片和液态焊料之间就产生了接触，但这并未自动润湿，因为有可能存在着阻挡层。图2-5所示为铜片润湿试验，铜片是否被焊料润湿，只有把铜片从焊料槽中抽出来才能观察到。

润湿只有发生在焊料能够和固态金属表面紧密接触时，才能保证足够的吸引力。如果被焊接金属表面上附着有任何污物，如氧化层，都会妨碍润湿，如图2-6所示。在被污染的表面上，一滴焊料的表现与沾了油脂的平板上一滴孤立水滴的表现是一样的。

如果焊接温度过低，就会得到在基底金属和焊料之间仍然有氧化层存在的焊点，这种焊点通常称为冷焊点，它也是虚焊点的一种。这种焊点的导电性相当差，因为电流需要通过绝缘的氧化膜；附着力也很差，使用中会因应力（如热应力、机械应力）而断开。在手机制造中，经常会利用氧化层导电性差的特性检测BGA封装的球窝不良。

如果表面是清洁的，焊料就会铺展表面，这种情况如图2-7所示。焊料的原子能够和基体原子非常接近，因而在彼此相吸的界面上形成合金，称为金属间化合物（IMC）。这种合金保证了良好的电接触和附着力。焊料和基底金属一旦在界面上形成了金属间化合物，以后就再也恢复不到润湿前的那种状态了。这一点非常重要，提示我们，诸如BGA那样的封装，在再流焊接过程中，首先必须确保熔融焊料润湿被焊接金属表面。一旦此过程完成，封装的变形就不会对焊点的形成造成影响。

焊料润湿是一个非常重要的概念，对焊点的形成、形状与可靠性至关重要，实际上润湿性也是软钎焊过程中屈指可数的可用数字表达的重要参数之一。在焊接中决定润湿的首要因素是Sn本身的表面张力，它是决定润湿现象的主要推动力。其他的影响因素还包括焊接的温度、金属溶解度、在焊料与金属基底之间的化学反应及基底金属与焊料的表面氧化状况。焊料与电极的润湿机理如图2-8所示。

下面简要介绍影响焊料润湿的主要因素。

2.4.1 焊料的表面张力

为了能够进行焊接，焊接材料首先必须加热到熔融状态，然后熔融的焊料会润湿基底金属表面，类似于任何其他的润湿现象。在基底金属上液态焊料的润湿必须符合界面张力的物理平衡规则，它们的关系可由下式表达（式中意义参见图2-26，注意焊点表面覆盖助焊剂，这点有所不同）：

γ_s=γ_ls+γ_l×cosθ

式中，γ_s——基底金属和助焊剂流体之间的界面张力；

γ_ls——熔化焊料与基底金属之间的界面张力；

γ_l——熔化焊料与助焊剂流体之间的界面张力；

θ——液态焊料和基板之间的接触角。

这个公式称为杨氏方程，其意义见2.6节。由杨氏方程可知，当接触角伸展到某一θ值时，γ_s和（γ_ls+γ_l×cosθ）这两个矢量力达到平衡，在固体表面上的液体扩散达到了平衡稳定状态。

在电子工业焊接的应用中，我们所期望的焊点要有好的焊缝形状，这样可以减小应力集中。为了达到此目的，焊料扩散需要一个小的θ值。采用化学和物理方法，两者都可获得小的θ值。物理方法是在焊接过程中，处理所要焊接材料的表面张力。原则上采用低表面张力的助焊剂、高表面张力即高表面能的基板及低表面张力的焊料，这些都支持小的接触角θ的形成。图2-9为焊盘表面能对熔融焊料及助焊剂扩展的影响。

2.4.2 焊接温度

焊接温度对润湿性有很大影响。一般在不发生氧化的气氛下，温度越高润湿性越好，这与表面张力和界面反应有关。

对于纯金属，表面张力与温度关系如下式所示，大致呈现线性的下降关系：

γ_m=A-B·T

式中，A、B为材料常数；T为温度。

Sn-40Pb合金表面张力随温度的变化如图2-10所示。

2.4.3 焊料合金元素与添加量

焊料合金元素的种类和添加量对润湿性的影响也很大。图2-11所示是Sn-Pb、Sn-Bi、Sn-Sb二元合金的表面张力与组分的关系，这些焊料的表面张力都会随着合金元素含量的增加而减小。但Cu、Ag、P等元素的添加却没有取得一样的结果。另外，Zn元素会使润湿性明显下降，这可能是因为Zn的氧化带来的影响比较大。

Sn的氧化膜非常致密，即使在真空中也不能忽略其对润湿性的影响。工业生产中的焊接一般都是短时间内在大气中进行，为除去Sn的氧化膜，一般都使用助焊剂。助焊剂的活性越高，氧化控制得越好，润湿性就越好。在使用助焊剂后润湿性仍然达不到要求的情况下，可以采用氮气等惰性气体或氢气等还原性气体进行焊接。氢气只有在高温下才能具有还原作用，低温下可以使用甲酸气体。

PCB和元器件电极的表面处理工艺和状态对润湿性能也有很大的影响。图2-12（a）对比了Cu基Im-Sn（浸锡）和OSP（Organic Solderability Preservatives，有机保焊膜）两种表面处理工艺在100℃时效1h后的润湿性（2s）变化情况。OSP处理的样品其润湿性随着温度的上升而降低，推测是因为OSP在温度超过100℃时产生分解，氧化开始进行。与此相反，Im-Sn处理的样品没有氧化迹象。另外，PCB和元器件的保存环境对润湿性也有很大的影响，如图2-12（b）所示，湿度升高能够促进Sn氧化膜的生长，造成润湿性下降。这就是我们在做可焊性试验时采用蒸汽老化的原因。

2.4.4 金属在熔融Sn合金中的溶解率

在金属基板上熔化焊料的润湿还不足以形成冶金的键合。要获得良好的焊点，这种键合是必需的。为了形成冶金键合，焊料和固体金属必须在原子级别上混合。

电子元器件的焊接，不仅温度比较低，而且焊接的时间也短，经常不超过几秒（如烙铁焊接、波峰焊接），最多也就几十秒。这是由于材料的限制和生产效率方面的考虑，所以基底金属要能容易和快速地溶入焊料。在过去几十年里，普遍选用锡-铅系统焊料，可接受的基底金属或金属涂层包括（但不限于）：锡、铅、铋、金、银、铜、钯、铂和镍等。一些金属涂层在Sn-40Pb中的溶解率dC/dt是温度的函数，如图2-13所示，Arrhenius做了以下相关的描述：

dC/dt∝exp[-E/（kT）]

式中，C是基底金属的浓度，E是活化能量，k是玻尔兹曼常数，T是温度（开氏温度）。基底金属在焊料中的溶解率也是时间的函数：

dC/dt=KA（C_s-C）/V

式中，C是基底金属的浓度；C_s是给定的温度下，在熔融的焊料中的溶解金属的浓度阈值；t是时间；K是溶解率常量；A是润湿表面面积；V是熔化的焊料体积。由此公式推出，C与t的关系如图2-14所示。C到达平衡浓度时与t成反指数关系。

基底金属进入焊料的溶解率并不仅仅是时间、温度、基底金属类别的函数，也是焊料合金类别的函数。

大体上说，金属涂层的可润湿性随着其在焊料中溶解率的增加而增加。由于这点我们可以用工艺参数来控制溶解率。

虽然基底金属的溶解率是形成冶金键合的要素，但太大的溶解率会导致严重的浸析问题，从而损伤冶金键合，同时，也会引起焊料成分的重大变化，从而造成焊点可靠性的下降。这种情况并不是我们想要的。

2.4.5 金属间化合物

金属间化合物（Intermetallic Compound，IMC）是指由两个或更多的金属组元或类金属组元按比例组成的具有金属基本特性和不同于其组元的长程有序晶体结构的化合物，如图2-15所示。

焊接不仅仅是基底金属在熔融焊料中的物理溶解，也包括在基底金属和焊料成分之间的化学反应。这个反应的结果是在焊料和基底金属之间形成了金属间化合物（IMC）。在由两个元素组成的金属间化合物中，如果一个在性质上是强金属，另一个是弱金属，则往往会形成很稳定的金属间化合物，如金属间化合物Cu₆Sn₅和Ni₃Sn₄。金属间化合物往往很硬很脆，这是因为它们有低对称性的结晶结构，且它限制塑性流动。

金属间化合物的形成对焊接的影响有：①由于金属间化合物层的扩散阻挡作用，减慢了基底金属融入焊料的溶解率；②因为金属间化合物的氧化，使涂锡表层的可润湿性退化。

1.提高润湿性能

表面能量不平衡会导致能量释放，这有利于焊料的扩散。在液体锑、镉、锡和基底金属铜之间，金属间化合物的形成，其表面自由能大约高出基底金属铜两个数量级。因此润湿性随着金属间化合物形成率的增加而增加，它由金属间化合物的形成率来确定。

与基底金属在焊料中的溶解相似，金属间化合物的形成率也是时间、温度、基板金属层的类别和焊料类别的函数。图2-16展示了锡铅共晶焊料在铜基板上润湿的铜-锡金属间化合物的生长。通过减少时间和降低温度，可减小金属间化合物的厚度。在低于焊料熔点的温度下，金属间化合物以很缓慢的速率继续增长，参见图2-17。几种焊膏再流焊接后立即产生的金属间化合物厚度见表2-1，Sn-37Pb、Sn-36Pb-2Ag和Pb-50In焊料在铜上产生较厚的金属间化合物，在Au/Ni/W金属涂层上产生较薄的金属间化合物。

2.溶解的阻挡层

一般来说，金属间化合物的熔点温度比电子工业所用的焊接温度更高，它在焊接过程中保持固体状态。对于很多系统，在熔融焊料和固体金属之间，金属间化合物形成一层连续层，可由图2-18所示的金属间化合物Cu₃Sn来说明，IMC形成后降低了基底金属原子通过金属间化合物层的扩散速率。这种现象是因为固态扩散过程大概比固体—液体反应要慢两个数量级。结果是基底金属融入焊料的溶解率降得非常低了。

然而，并不是所有的金属间化合物都形成层结构，例如，在共晶Sn-Pb焊料和铜之间形成的金属间化合物Cu₆Sn₅，就在熔融的焊料里长成了扇形晶粒。在扇形晶粒之间，熔融焊料通道一直伸展到铜界面。进行时效处理时，这些通道可帮助铜在焊料里快速扩散和溶解。在铜和无铅焊料Sn-2.5Ag-0.8Cu-0.5Sb之间也形成类似Cu-Sn化合物的结构，如图2-19所示。

金属间化合物形成的结构不易预测，在熔融Sn-37Pb焊料与Pd基板间形成的金属间化合物Pd-Sn呈薄层结构，插入熔化焊料中而不形成扩散阻挡层，如图2-20所示。生长的方向是垂直于液体/固体间界面的，焊接时熔融焊料在薄层之间快速扩散。然而如果钯与熔融锡（无铅）相接触，金属间化合物Pd-Sn形成率要慢一个数量级，可观察到没有薄层结构，且在锡和钯之间生长为扩散阻挡层的金属间化合物。

3.对氧化的敏感程度

虽然金属间化合物的构成在焊接工艺中增强了润湿，但形成的金属间化合物的可焊性事实上要比基底金属本身差。有人对Cu、Cu₆Sn₅和Cu₃Sn的几个固体试样在235℃时的可焊性进行了评估。他们使用Sn-40Pb焊料的熔槽润湿平衡法，对于新鲜制成的固体试样，如果采用R型助焊剂，则铜的润湿性要好于Cu₃Sn和Cu₆Sn₅。如果用适度活化的RMA型助焊剂，则可减小其润湿性的差异。然而，如果固体试样于测试前在室温下储存了3天，并使用R助焊剂，所有三个试样的可润湿性将会退化，铜要比Cu₆Sn₅稍好些。当使用RMA助焊剂时，对于铜储存的影响可以忽视，但两种金属间化合物由于储存，其润湿性遭受相当严重的退化。

上述的结果表明，金属间化合物对焊料是可润湿的。Cu₆Sn₅的润湿性要比Cu₃Sn的稍微好一些，可是在储存后，这两种化合物的润湿性比起铜来迅速退化了许多。金属间化合物氧化的弱点，影响到储存寿命。储存寿命与涂锡层相关，可焊性问题与返工工艺有关。我们认为金属间化合物在其表面涂锡层没有被破坏的情况下，在其内部可以发生氧化反应。一旦表面涂锡层在焊接中熔化，就会出现润湿困难的问题。一般来说，润湿性随初始焊料涂层的厚度下降，并随金属间化合物厚度的递增而下降。对于浸锡涂层（Im-Sn）印制电路板，从工艺的角度，我们希望最小厚度为1.5μm，被定为组装操作中（包括多次热工序）的临界值。但是，国内很多PCB厂最多只能做到1.2μm，这是目前Im-Sn没有广泛应用的主要影响因素之一。