现代电子装联焊接技术基础及其应用

　　现代电子制造的核心是工艺技术，而影响现代电子产品质量的关键环节，是电子产品互连工艺中的焊接技术。本书本着理论与实践相结合的原则，使工程师们在产品生产中面临问题时，不仅知道该怎样去处理，还懂得为什么要这样处理。这些都是从事电子制造技术研究的工艺工程师、质量工程师、生产管理工程师们所应了解和掌握的。

　　樊融融，研究员，中兴通讯股份有限公司工艺技术专家，终生科学家，中兴通讯电子制造职业学院院长，中国印制电路行业协会（CPCA）专家组专家。先后有10项发明获国家专利，荣获*家级，部、省级科技进步奨共六次，部，省级优秀发明专利奖三次，享受“国务院政府特殊津贴”。

第1章 电子装联焊接技术基础理论\t1
1．1 电子装联焊接概论\t2
1．1．1 电子装联焊接的定义和分类\t2
1．1．2 在电子装联中为什么要采用软钎焊工艺及其特点\t2
1．1．3 软钎焊技术在电子装联工艺中的重要地位\t3
1．2 焊接科学及基础理论\t4
1．2．1 焊接技术概述\t4
1．2．2 金属焊接接合机理\t4
1．2．3 润湿理论――杨氏公式\t9
1．2．4 接触角 11
1．2．5 弯曲液面下的附加压强――拉普拉斯方程\t12
1．2．6 扩散、菲克（Fick）定律及扩散激活能\t14
1．2．7 毛细现象\t18
1．2．8 母材的熔蚀\t20
1．3 焊接接头及其形成过程\t21
1．3．1 润湿和连接界面\t21
1．3．2 可焊性\t22
1．3．3 固着面积\t22
1．3．4 钎料接头产生连接强度的机理\t22
1．3．5 形成焊接连接的必要条件\t24
1．3．6 焊接接头形成的物理过程\t26
1．4 焊接接头界面的金属状态\t28
1．4．1 界面层的金属组织\t28
1．4．2 合金层（金属间化合物）的形成\t29
1．4．3 界面层的结晶和凝固\t35
1．4．4 焊点的接头厚度和钎接温度对焊点的机械强度的影响\t35
思考题\t36
第2章 焊接接头的界面特性\t39
2．1 焊料的润湿和界面的形成\t40
2．1．1 焊料的润湿\t40
2．1．2 界面的形成\t41
2．1．3 焊接界面反应机理\t42
2．2 界面反应和组织\t44
2．2．1 Sn和Cu的界面反应\t44
2．2．2 Sn基焊料和母材Cu的界面反应\t45
2．2．3 Sn基焊料合金和Ni的界面反应\t49
2．2．4 Sn基焊料和Ni/Au镀层的冶金反应\t51
2．2．5 Sn基焊料和Pd及Ni/Pd/Au涂覆层的冶金反应\t53
2．2．6 Sn基焊料和Fe基合金的界面反应\t54
2．2．7 Sn基焊料和被OSP保护金属的界面反应\t55
思考题\t57
第3章 电子装联焊接用焊料\t59
3．1 焊料冶金学知识\t60
3．1．1 冶金学导言\t60
3．1．2 相图\t62
3．2 有Pb焊接用的SnPb基焊料\t64
3．2．1 焊料常用的几种基本金属元素特性\t64
3．2．2 SnPb合金\t66
3．2．3 工程用SnPb焊料应用分析\t67
3．2．4 SnPb焊料的蠕变性能\t70
3．2．5 SnPb焊料合金中的杂质及其影响\t70
3．2．6 Sn基有Pb焊料的工程应用\t73
3．3 无Pb焊料合金\t75
3．3．1 无Pb焊料合金的发展概况\t75
3．3．2 实用的无Pb焊料合金\t77
3．3．3 实用替代合金的应用特性\t78
3．3．4 SnAg系合金\t79
3．3．5 SnCu系合金\t81
3．4．6 SnBi系合金\t82
3．3．7 SnZn系合金\t83
3．3．8 SnAgCu 焊料合金\t84
3．3．9 SnAgCuBi四元合金\t88
3．3．10 SnAgBi、SnAgBiIn合金\t89
3．5 IPC SPVC推荐的无Pb焊料合金及其评估\t89
3．5．1 IPC SPVC推荐的无Pb焊料合金\t89
3．5．2 IPC SPVC对所推荐焊料的研究评估\t89
3．6 无Pb焊料合金性能比较\t89
3．6．1 SnAgCu与Sn37Pb的工艺性比较\t89
3．6．2 常用的无Pb焊料合金的应用性能\t90
3．6．3 成分、熔化温度范围和成本\t90
3．6．4 润湿性\t91
2．6．5 其他主要物理性能\t91
2．6．6 接合界面\t91
思考题\t92
第4章 电子装联焊接用助焊剂\t93
4．1 焊料的氧化\t94
4．1．1 焊料氧化的基本概念\t94
4．1．2 影响焊料氧化的基本因素\t94
4．2 助焊剂化学\t95
4．2．1 助焊剂在焊接过程中的意义\t95
4．2．2 助焊剂的作用及作用机理\t97
4．2．3 助焊剂应具备的技术特性\t99
4．2．4 助焊剂应具备的应用特性\t102
4．2．5 助焊剂的分类\t102
4．2．6 电子装联焊接用助焊剂的溶剂\t107
4．2．7 无铅工艺对助焊剂的挑战\t107
4．2．8 无铅助焊剂需要关注的主要性能与可靠性指标\t110
4．2．9 助焊剂中活性物质的化学物理特性\t110
思考题\t113
第5章 电子装联焊接用焊膏\t115
5．1 概述\t116
5．1．1 定义和用途\t116
5．1．2 组成和特性\t116
5．2 焊膏中常用的焊料合金成分及特性\t116
5．2．1 焊膏中常用的焊料合金成分\t116
5．2．2 焊膏中常用的焊料合金的特性\t119
5．3 焊膏中的糊状助焊剂\t121
5．3．1 焊膏中糊状助焊剂的组成及其要求\t121
5．3．2 糊状助焊剂各组成部分的作用及作用机理\t121
5．3．3 黏合剂\t125
5．3．4 触变剂\t125
5．3．5 溶剂\t126
5．4 焊膏的应用特性\t126
5．4．1 焊膏的应用特性\t126
5．4．2 焊膏组成及特性对应用特性的影响\t127
5．4．3 无铅焊膏应用的工艺性问题\t127
5．5 如何选择和评估焊膏\t128
5．5．1 选用焊膏时应注意的问题\t128
5．5．2 如何评估焊膏\t129
5．6 焊膏产品的新发展\t130
5．6．1 新概念焊膏1――失活焊膏介绍\t130
5．6．2 新概念焊膏2――不用冷藏和解冻，拿来就用的焊膏\t134
5．6．3 掺入微量Co的无铅低银焊膏\t134
思考题\t142
第6章 电子装联焊接接头设计\t145
6．1 焊点的接头\t146
6．1．1 焊接接头设计的意义\t146
6．1．2 焊点的接头模型\t146
6．1．3 焊接的基本接头结构\t147
6．2 焊接接头结构设计对接头机电性能的影响\t148
6．2．1 接头的几何形状设计及强度分析\t148
6．2．2 焊接接头的电气特性\t151
6．3 影响焊接接头机械强度的因素\t154
6．3．1 施用的焊料量对焊点剪切强度的影响\t154
6．3．2 与熔化焊料接触的时间对焊点剪切强度的影响\t155
6．3．3 焊接温度对接头剪切强度的影响\t155
6．3．4 接头厚度对强度的影响\t156
6．3．5 接头强度随焊料合金成分和基体金属的变化\t157
6．3．6 焊料接头的抗蠕变强度\t158
6．4 SMT再流焊接接合部的工艺设计\t160
6．4．1 THT和SMT焊点接合部的差异\t160
6．4．2 再流焊接接合部的工艺设计\t162
6．4．3 片式元器件焊接接合部的工艺设计\t164
6．4．4 QFP焊接接合部的工艺设计\t171
6．4．5 BGA、CSP再流焊接接合部的工艺设计\t175
思考题\t179
第7章 焊接接头母材的预处理及可焊性检测和评估\t181
7．1 焊接接头母材的概述\t182
7．1．1 母材及其要求\t182
7．1．2 母材常用的材料及其特性\t182
7．2 母材金属焊接的前处理\t184
7．2．1 母材金属焊接前处理的意义及处理方法\t184
7．2．2 母材的可焊性涂覆\t185
7．2．3 镀层的可焊性评估\t187
7．3 元器件引脚常用可焊性镀层的特性描述\t188
7．3．1 Au镀层\t188
7．3．2 Ag镀层\t190
7．3．3 Ni镀层\t190
7．3．4 Sn镀层\t191
7．3．5 Cu镀层\t192
7．3．6 Pd镀层\t193
7．3．7 Sn基合金镀层\t193
7．4 PCB焊盘常用涂层及其特性\t194
7．4．1 PCB焊盘涂层材料选择时应考虑的因素\t194
7．4．2 HASL- Sn、SnPb\t195
7．4．3 ENIG Ni（P）/Au涂覆层\t195
7．4．4 Im-Sn涂覆层\t197
7．4．5 Im-Ag涂层\t197
7．4．6 OSP涂覆\t198
7．4．7 PCB表面涂覆体系的比较\t199
7．5 母材金属镀层的腐蚀（氧化）\t199
7．5．1 金属腐蚀的定义\t199
7．5．2 金属腐蚀的分类\t200
7．6 母材金属镀层的可焊性试验\t205
7．6．1 可焊性概念\t205
7．6．2 母材镀层在贮存期可焊性的蜕变及其试验方法\t206
7．6．3 可焊性试验方法\t208
思考题\t212
第8章 现代电子装联PCBA焊接的DMF要求\t215
8．1 PCBA焊接DFM 要求对产品生产质量的意义\t216
8．1．1 概述\t216
8．1．2 DFM是贯彻执行相关产品焊接质量标准的前提\t216
8．1．3 良好的DFM对PCBA生产的重要意义\t216
8．2 电子产品的分类及安装焊接的质量等级和要求\t217
8．2．1 电子产品安装焊接的质量等级\t217
8．2．2 电子产品的最终使用类型\t218
8．2．3 电子产品的安装类型\t218
8．2．4 电子产品的可生产性级别\t219
8．3 PCBA波峰焊接安装设计的DFM要求\t219
8．3．1 现代电子装联波峰焊接技术特征\t219
8．3．2 PCB布线设计应遵循的DFM规则及考虑的因素\t220
8．3．3 元器件在PCB上的安装布局要求\t220
8．3．4 安装结构形态的选择\t221
8．3．5 电源线、地线及导通孔的考虑\t223
8．3．6 采用拼板结构时应注意的问题\t223
8．3．7 测试焊盘的设置\t224
8．3．8 元器件间距\t224
8．3．9 阻焊膜的设计\t224
8．3．10 排版与布局\t225
8．3．11 元器件的安放\t225
8．3．12 THT方式的图形布局\t226
8．3．13 导线的线形设计\t229
8．4 PCBA-SMT方式波峰焊接安装设计的DFM要求\t232
8．4．1 PCBA-SMT方式的图形设计\t232
8．4．2 IC插座焊盘的排列走向\t234
8．4．3 直线密集型焊盘\t235
8．4．4 引线伸出焊盘的高度\t235
8．4．5 工艺区的设置\t235
8．4．6 热工方面的考虑\t236
8．4．7 SMT方式安装结构的波峰焊接要求\t236
8．4．8 减少热损坏的安装和焊法\t239
8．4．9 减少波峰焊接桥连率的安装法\t239
8．5 PCBA再流焊接安装设计的DFM要求\t240
8．5．1 选用SMT的原则\t240
8．5．2 元器件间隔\t240
8．5．3 适于清洁的元器件离板高度\t241
8．5．4 基准点标记\t241
8．5．5 布线设计的DMF要求\t243
8．5．6 再流焊接对PCB焊盘的设计要求\t245
8．5．7 元器件安装\t247
思考题\t248
第9章 电子装联焊接技术应用概论\t249
9．1 电子装联焊接技术概论\t250
9．1．1 概述\t250
9．1．2 电子装联高效焊接技术\t250
9．1．3 焊接方法的分类\t250
9．2 电子装联焊接技术的发展\t252
9．2．1 传热式焊接方式\t252
9．2．2 辐射热焊接方式\t257
9．3 自动化焊接系统\t259
9．3．1 概述\t259
9．3．2 波峰焊接技术的发展\t260
9．3．3 再流焊接技术的发展\t269
思考题\t273
第10章 波峰焊接工艺窗口设计及其控制\t275
10．1 影响波峰焊接效果的四要素\t276
10．1．1 母材金属的可焊性\t276
10．1．2 波峰焊接设备\t277
10．1．3 PCB图形设计的波峰焊接工艺性\t279
10．1．4 波峰焊接工艺的优化\t279
10．1．5 无铅波峰焊接的工艺性问题\t281
10．2 SMA波峰焊接的波形选择\t281
10．2．1 SMA波峰焊接工艺的特殊性\t281
10．2．2 气泡遮蔽效应\t282
10．2．3 阴影效应\t282
10．2．4 SMC/SMD的焊接特性和安装设计中应注意的事项\t283
10．3 波峰焊接工艺窗口设计\t284
10．3．1 正确进行波峰焊接工艺窗口设计的重要性\t284
10．3．2 上机前的烘干处理\t284
10．3．3 涂覆助焊剂\t285
10．3．4 预热温度\t285
10．3．5 焊料槽温度\t288
10．3．6 夹送速度\t290
10．3．7 夹送倾角\t291
10．3．8 波峰高度\t292
10．3．9 压波深度\t292
10．3．10 冷却\t293
10．4 波峰焊接工艺窗口控制\t293
10．4．1 工艺窗口控制的意义\t293
10．4．2 波峰焊接工艺窗口必须受控\t293
10．4．3 PCB可焊性的监控\t294
10．4．4 波峰焊接设备工序能力系数（Cpk）的实时监控\t294
10．4．5 助焊剂涂覆监控\t296
10．4．6 波峰焊接温度曲线的监控\t296
10．4．7 波峰焊接中焊料槽杂质污染的危害\t297
10．4．8 防污染的对策\t298
思考题\t300
第11章 再流焊接工艺窗口设计及其控制\t303
11．1 再流焊接工艺要素分析\t304
11．1．1 焊前应确认的调节条件及检查项目\t304
11．1．2 SMT组装工艺影响因素\t304
11．2 再流焊接温度-时间曲线\t305
11．2．1 再流焊接工艺过程中的温度特性\t305
11．2．2 再流焊接过程中影响温度-时间曲线的因素\t307
11．2．3 正确设置再流温度-时间曲线的意义\t309
11．2．4 怎样设定再流温度-时间曲线\t310
11．2．5 目前流行的再流温度-时间曲线的类型\t315
11．3 再流焊接工艺窗口设计\t317
11．3．1 再流焊接工艺参数\t317
11．3．2 再流焊接工艺窗口控制\t320
11．4 有铅和无铅混合安装PCBA再流焊接工艺窗口设计\t322
11．4．1 无铅PCBA的再流焊接问题\t322
11．4．2 有铅和无铅混合安装的过渡时期\t323
11．5 再流焊接中的其他相关问题\t326
11．5．1 气相再流焊接\t326
11．5．2 在氮气保护气氛中的再流焊接\t326
11．5．3 清洗与免清洗\t327
11．5．4 双面PCB再流\t328
思考题\t328
第12章 电子装联的选择焊法及模组焊法\t329
12．1 电子装联的选择焊法\t330
12．1．1 问题的提出\t330
12．1．2 选择性焊接工艺应运而生\t331
12．2 选择性焊接技术\t331
12．2．1 选择性焊接技术的适用性\t331
12．2．2 选择性焊接设备及其应用\t332
12．2．3 选用购选择性焊接工艺时需考虑的问题\t334
12．2．4 点波峰选择性焊接的工序组成\t334
12．3 模组焊接系统\t339
12．3．1 模组焊接系统的发展\t339
12．3．2 ERSA VERSAFLOW 纯模组焊接设备\t339
12．3．3 ERSA VERSAFLOW的点选择＋模组焊接复合焊接系统\t340
12．3．4 日本模式\t341
思考题\t342
第13章 电子装联焊接缺陷概论\t343
13．1 波峰焊接常见缺陷及其抑制\t344
13．1．1 波峰焊接中常见的缺陷现象\t344
13．1．2 虚焊\t344
13．1．3 冷焊\t346
13．1．4 不润湿及反润湿\t348
13．1．5 其他的缺陷\t349
13．2 无铅波峰焊接中的特有缺陷现象\t364
13．2．1 概述\t364
13．2．2 无铅焊点的外观\t364
13．2．3 焊缘起翘现象\t365
13．2．4 焊缘起翘实例\t370
13．2．5 从起翘发生的机理看抑制的对策\t374
13．3 再流焊接常见缺陷及其抑制\t377
13．3．1 脱焊\t377
13．3．2 焊膏再流不完全\t378
13．3．3 不润湿和反润湿\t378
13．3．4 焊料小球\t379
13．3．5 墓碑现象\t382
13．3．6 芯吸现象\t385
13．3．7 桥连现象\t385
13．3．8 封装体起泡和开裂\t386
13．3．9 焊料残渣\t386
13．3．10 球状面阵列器件（BGA、CSP）焊料再流不完全\t387
13．3．11 器件焊点破裂\t387
13．4 再流焊接中的空洞和球窝\t387
13．4．1 空洞\t387
13．4．2 球窝（HIP）\t389
思考题\t393
参考文献\t395
跋\t397