金属表面的氧化层介绍

金属表面的氧化层介绍

既然焊剂的主要功能是去除焊料及被焊金属表面的氧化物，那么就应对常见的金属铜、锡、铅表面氧化的概况有所了解，这不仅对于去除它们的表面氧化层有所帮助，同时对防止它们表面生成氧化层也有帮助。

　　铜表面的氧化层

　　在元素周期表中，铜是过渡性元素，具有密度大、导电和导热性良好的特点，但铜表面在大气中易氧化，它的氧化物有黑色的氧化铜CUO(+2价铜)和暗红色的氧化亚铜Cu2O(+1价铜)。通常氧化了的PCB焊盘表面呈现暗红色，故一般认为它的表面氧化物应以Cu2O为主。通常+l价铜的化合物大都难溶于水，因此氧化亚铜对焊接有较大的危害。
　　铜表面在室温下形成10nm厚的氧化层大约需要90天时间，随着时间增长，氧化层还会继续增厚。
　　铜在高温时氧化速度就会明显加速，例如铜在106℃时16个小时就可以形成10nm的厚度。铜在电子行业是经常用到的材料，特别是PCB的导条。通常在PCB制造后应及时将导条保护起来，特别是焊盘部分不仅用各种方法保护，而且规定在一定时间内要将PCB用完，其根本的原因就在于铜表面易氧化而影响到它的可焊性。
　　此外，PCB加工过程中表面的铜层在腐蚀介质，如H2O2/H2O4、CuCl2/HC1、CrO3/H2SO4体系中，以及湿热环境里将加速生成Cu2O，并有可能会生成铬酸盐膜(钝化膜)，这种钝化膜不易去除干净，一旦去除不干净就会明显影响PCB的可焊性，这种现象在生产中会经常发生，因此PCB制造商在PCB生产过程中应彻底漂洗及烘干PCB，以保证PCB的可焊性。
　　锡/铅表面的氧化层
　　锡/铅在元素周期表中排列均是第Ⅳ类主族元素，Ⅳ元素又称碳族元素，但因锡/铅排列在碳族元素的末端，故呈现金属元素的特征。碳族元素价电子层构型为NS2NP2，即锡为6S26p2，铅为6S26p2，它们能够形成+2价和+4价的化合物，故锡/铅有MO和M02两类氧化物。锡在200℃以下的空气中氧化，这两种氧化物都存在。其中SnO呈黑色，SnO2呈白色，故元件放久了引脚会发黑；在焊接过程中，由于助焊剂的作用有时会生成4价的锡铅化合物。
　　相对于铜来说，锡的氧化层的生长要慢得多，通常按对数规律呈缓慢上升趋势，新生锡表面氧化层一周后仅为2nm，一年后仅为3nm。在高温下锡氧化会明显加快，例如200℃时Sn02生长速度是100℃时生长速度的两倍，200℃下24小时后在镀锡的铜导线上氧化层厚度可达30nm。此外，在水和水蒸气中更能明显地促进氧化层的生长，见下表
　　时间/min        厚度／nm
    5               2
    30             2.6
    60             3.6
    240            4.6
　　在铅锡合金的表面上还集聚着铅，因为锡的活性比铅的活性高，故在合金中锡首先被氧化，所以对焊料合金来说，氧化物主要是SnO。
　　锡铅焊料在液态时氧化相当迅速，在波峰焊料槽中特别明显，当从熔融焊料槽中撇去氧化层之后新的氧化层又立即形成。在波峰焊中，锡铅焊料被不断搅动，从而也不断出现氧化层，并且这些氧化层包裹焊料会形成锡渣，随着搅拌速度的增快锡渣生成的量明显增多。在搅拌轴四周聚集着黑色的SnO，其生成量与搅拌速度的关系。
　　随着搅拌速度的加快，黑色的SnO含量明显增多。现在在波峰焊机制造领域，已采用电磁泵代替机械泵的技术。据报道，一台采用电磁泵的波峰焊机仅因减少焊料的氧化一年就可以节约焊料材料费约10万元。
　　在电子产品的焊接中，与焊接有关的材料主要是铜、锡／铅，此外还有银、铁镍合金、黄铜等金属，它们也相应存在氧化层。
　　通过对铜、锡表面氧化层的研究，高温高湿是形成氧化层的主要原因。这就提醒我们，在这些材料的储存和使用过程中都应该注意避免高温高湿，以免给焊接过程带来困难。