解析SMT工艺中的半润湿现象

一、现象本质与定义

半润湿（Semi-Wetting）现象是指在焊接过程中，熔融焊料与基底金属表面的润湿行为不完全，表现为焊料在局部区域形成良好的冶金结合（润湿角 θ≤90°），而在其他区域呈现高接触角（θ＞90°）甚至回缩，导致焊料分布不均匀。其微观特征为焊料与基底金属间的界面存在未完全覆盖的区域，且可能伴随金属间化合物（IMC）层的异常生长。

二、形成机理与根本原因

1. 基底金属表面状态异常

可焊性不均匀

基底金属（如铜箔、引脚）的表面处理工艺（如 OSP、ENIG、HASL）若存在缺陷，会导致表面能分布不均。例如，ENIG（化学镀镍浸金）工艺中，金层厚度不均匀或镍层氧化，会使焊料在金层区域易于润湿，而在氧化镍区域难以铺展。

表面污染与氧化

生产过程中残留的助焊剂、油脂、指纹或环境中的硫化物、水汽等污染物，会在金属表面形成隔离层，阻碍焊料与基底金属的直接接触。此外，铜表面的氧化膜（CuO 或 Cu₂O）或镍层的钝化膜（NiO）会显著降低表面能，导致润湿性下降。

2. 焊料与基底金属的界面反应异常

金属间化合物（IMC）层过厚或不连续

焊接过程中，焊料中的锡（Sn）与基底金属（如 Cu）反应生成 Cu₆Sn₅（η 相）或 Cu₃Sn（ε 相）。若焊接温度过高或时间过长，IMC 层会过度生长，其脆性增加且界面能降低，导致焊料回缩。此外，IMC 层的不连续或成分偏析也会破坏润湿的均匀性。

焊料合金成分偏差

焊料（如 Sn-Pb、Sn-Ag-Cu）的成分偏离标准比例时，其熔点、表面张力及与基底金属的反应活性会发生变化。例如，Sn 含量过高可能导致 IMC 层过度生长，而助焊剂活性不足则无法有效清除氧化膜，共同引发半润湿。

3. 焊接工艺参数失控

温度曲线不合理

回流焊或波峰焊的温度曲线若未优化，可能导致焊料熔化不充分或过度加热。例如，预热阶段温度不足会使助焊剂未能完全激活，残留氧化物阻碍润湿；而峰值温度过高则加速 IMC 层生长，降低焊料润湿性。

时间控制不当

焊料在熔融状态下的停留时间过短，无法完成充分的扩散和界面反应；过长则可能导致焊料氧化加剧，均会引发半润湿。

4. 环境因素影响

湿度与气氛控制

高湿度环境会加速基底金属氧化，而焊接过程中保护气体（如氮气）的纯度不足或流量不当，可能导致局部氧化，影响润湿效果。

三、对半润湿现象的量化分析与检测

接触角测量

通过光学显微镜或接触角测量仪，定量分析焊料在基底金属表面的接触角。半润湿区域的接触角通常大于 90°，而正常润湿区域应小于 60°。

界面微观分析

使用扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）观察焊料与基底金属的界面结构，检测 IMC 层的厚度、成分及连续性。半润湿区域的 IMC 层可能呈现不连续、厚度不均或脆性相析出。

可焊性测试

通过润湿平衡法（Wetting Balance）或表面绝缘电阻（SIR）测试，评估基底金属的可焊性及焊后可靠性，间接判断半润湿风险。

四、解决策略与工艺优化

1. 基底金属预处理优化

采用化学清洗（如酸性清洁剂）或物理打磨（如刷磨、喷砂）去除表面氧化层和污染物，提高表面粗糙度（Ra 0.5-1.5μm）以增强机械锚定效应。

严格控制表面处理工艺参数，例如 ENIG 工艺中金层厚度应均匀（通常 0.05-0.1μm），避免镍层氧化。

2. 焊料与助焊剂的选择与管理

选用与基底金属匹配的焊料合金（如 Sn-Ag-Cu 用于无铅焊接），并确保助焊剂的活性与基底金属表面兼容。例如，对于氧化严重的铜表面，需选用高活性（RMA 级）助焊剂。

控制焊膏的储存条件（温度 10-25℃，湿度＜60%），避免助焊剂失效或焊料颗粒氧化。

3. 焊接工艺参数优化

优化回流焊温度曲线，确保：

预热阶段：缓慢升温至 150-180℃，激活助焊剂并去除湿气。

保温阶段：维持 180-200℃，使助焊剂充分清除氧化膜。

峰值温度：根据焊料类型控制在 210-240℃（如 Sn-Ag-Cu 焊料峰值温度 230-240℃）。

冷却速率：控制在 3-4℃/s，避免 IMC 层过度生长。

波峰焊中调整波峰高度、传输速度及助焊剂涂布量，确保焊料与基底金属充分接触。

4. 环境与过程控制

在焊接车间保持低湿度（＜50% RH），并使用氮气保护氛围（氧含量＜500ppm），减少氧化风险。

定期清洁焊接设备（如回流焊炉膛、波峰焊喷嘴），防止污染物积累。

五、行业标准与预防措施

根据 IPC-A-610（电子组件的可接受性标准），半润湿现象属于缺陷，需通过严格的工艺控制和检测（如 AOI、X 射线检测）进行预防。企业可建立 DFMEA（设计失效模式分析）和 PFMEA（过程失效模式分析），识别潜在风险点并制定控制计划，例如：

对关键元器件的引脚进行可焊性抽检。

定期监控焊接温度曲线的稳定性。

对新批次的焊膏和基板进行工艺验证。

通过以上系统性分析与控制，可有效减少半润湿现象，提升 SMT 焊接质量与可靠性。