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波峰焊接焊点的工艺可靠性设计

2019-05-05 11:30
可靠性杂坛
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此时可看出,铜导线和钎料导线组成的总电阻等于铜线电阻和钎料线电阻之和。如果为了保持整个线路电阻均匀分布,就必须相应增大钎料导线的横截面积,直到钎料导线的电阻等于铜导线的电阻为止。因为接入钎料导线部分使电阻增大的主要缺点是能量损耗使其发热。为了保持能量损耗最小和防止组装件不必要的加热,可利用钎料改变连接部分导体的横截面积的办法,使其电导增大到等于铜导线的电导,以达到两者载流能力的匹配。表1给出在PCB上常见的搭接接头的电气设计数据。

表1

波峰焊接焊点的工艺可靠性设计

注:Dc1——较细导线的直径;T——厚度;Ac1——较细导线的截面积;Ws——钎料厚度;L——焊缝的长度;δ——电阻率比值;ρ——电阻率(μΩ·cm)。

如果接入和接出接头的导线不相同,那么应根据单位长度电阻率最高的导线进行计算。上述计算都是在假定全部电流均通过填充钎料的条件下进行的,即被连接的导线不相互接触,而是通过填充钎料来桥连。实际情况并非如此,在实际连接中,基体金属和导线可能相互接触(搭接的间隙趋近于零)。由于导线间直接接触而使部分甚至大部分电流通过该接触面从一个导体流到另一个导体,因而填充钎料可能不通过全部负荷电流。此时的工况就要好得多。然而进行具体的工程设计计算时仍然要按不相互接触的最坏工况来考虑。前面利用使整个回路保持均匀电压梯度条件下求出填充钎料参数的分析计算方法,可用于所有其他焊接接头的计算中。每种情况下均存在一个可能变化并因而改变载流能力的控制因素(见表1)。改变这些控制因素,即可使接头的载流能力与接入或接出接头的导线载流能力相同。由于相互影响的变量(基体金属的可焊性、助焊剂、钎料合金成分、焊接方法、焊接时间、焊接温度等)太多,因此计算后应增加50%~100%的安全系数。2)合金层的电阻焊接接头电阻的增加不仅受基体材料和钎料电阻率的影响,而且还受焊接接头金属学构成的影响,其中最具影响的是焊接界面形成的合金层。就Sn基钎料和Cu基体的焊接界面形成的Cu6Sn5(η相)、Cu3Sn(ε相)合金层来说,其电阻率与SnPb的电阻率的比较如图11所示。

波峰焊接焊点的工艺可靠性设计

图11 Cu–Sn系金属间化合物的电导率

由图11可知,Cu3Sn和SnPb钎料的电导率很接近,而Cu6Sn5 的电导率与SnPb钎料的电导率却差异很大。由此,焊接接头界面形成的合金层电阻的影响应该充分关注,特别是在微焊接情况下更是一个不可忽视的问题。所以在焊接中必须注意避免合金层的过度生长。3)接头的热电势在焊接接头的附近如果存在温度梯度的场合,则基体金属和钎料之间由于塞贝克效应会产生热电势。把Cu系母材用SnPb系钎料接合,每10℃的温差约产生30μV的热电势。因此,对精密测量设备而言,焊接接头部将成为测量误差的原因。

四、影响焊接接头机械强度的因素

1. 施用的钎料量对焊点剪切强度的影响美国学者Nightingale和Hudson在致力于证明施用钎料量是影响焊点剪切强度的重要因素的研究中得出如下结论:“在实际中,因为施用过多的钎料通常掩盖了虚焊或部分虚焊的焊点,所以必须避免施用过多的钎料。因此可以说,施用多于适当填充焊缝所必需的钎料没有任何益处。”表2所示结果明确表明焊点中多余钎料不能提高焊点强度。润湿情况和焊点的可检查性密切相关,在有限的表面上施用过多的钎料掩盖了实际的可检查区域,从而使人们得出错误的结论,这进一步说明要防止钎料过多的焊点。因此,为便于质量控制所要求的薄填充钎料的可检查焊缝,对于高可靠性焊点来说尤为必要。

表2 施用钎料量对焊点剪切强度的影响

波峰焊接焊点的工艺可靠性设计

注:表中所用钎料为Sn45/Pb55;助焊剂为ZnCl。

2.与熔化钎料接触的时间对焊点剪切强度的影响我们知道,焊接连接的成功主要取决于润湿程度,合金化本身只起副作用。Nightingale和Hudson在论证与熔化钎料接触的时间对焊点剪切强度影响的研究结论中指出:“当熔化钎料接触时间在经验限定的范围内时,该接触时间对焊接焊点强度的影响较小。”他们给出了如表3所示的结果。

表3 与熔化钎料接触的时间对焊点强度的影响

波峰焊接焊点的工艺可靠性设计

注:钎料为Sn45/Pb55;焊缝厚度为0.076 2mm;焊接温度为300℃;助焊剂为ZnCl。

3.焊接温度对接头剪切强度的影响Howard H·Manko的研究结论认为:在最佳焊接条件下,焊点的剪切强度取决于焊接温度。而在特定温度下所选用的助焊剂种类也是一个非常重要的影响因素。并非所有的助焊剂在所有的温度下均能良好地润湿和除去锈膜,对每一种具体的助焊剂来说,均存在一个最佳温度。图12表示用两种钎料Sn56-Pb44和Sn45-Pb55焊接铜、黄铜、低碳钢3种基体金属时接头强度随焊接温度的变化曲线。从图中可看出,预镀了Sn的试样强度要高得多。

波峰焊接焊点的工艺可靠性设计

图12 接头剪切强度随焊接温度的变化

4.接头厚度对强度的影响接头强度是被焊表面之间间隙的函数,对应接头强度最大的最佳间隙约为0.076mm。采用该间隙时,助焊剂和钎料很容易流入接头,以达到均匀的润湿。当间隙较窄时,容易把空气和助焊剂截留在接头中,从而导致润湿面积减小,并因此而降低接头强度。当间隙较大时,有助于润湿的毛细管作用力较小,而且较厚的焊缝机械强度比较低,并通常接近于钎料合金本身的强度。因此,降低了完全溶解强化的可能性。在焊接中,通常一定量的基体金属溶解到钎料中,使其强度增加。显然,材料的溶解强化现象肯定是接头剪切强度变化的原因。图13表示接头厚度对Sn44Pb钎料接头剪切强度的影响。

波峰焊接焊点的工艺可靠性设计

图13 连接接头剪切强度随接头厚度的变化

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