無鉛錫膏技術(shù)可編輯

1、無鉛錫膏技術(shù) 摘要：本文主要論述無鉛焊料的必要條件，無鉛錫膏技術(shù)原理，再流焊工藝技術(shù)、無鉛免清洗錫膏的性能特點、低銀無鉛錫膏與低溫錫鉍銅無鉛錫膏眾所周知錫膏是表面貼裝工藝技術(shù)的重要輔料。錫膏的好壞直接影響表面貼裝印刷工藝和再流焊工藝直通率。隨著電子產(chǎn)品綠色制造時代的到來，全球?qū)o鉛錫膏有越來越大的需求，因此國產(chǎn)錫膏與進口錫膏在“市場-技術(shù)-標(biāo)準(zhǔn)”上的競爭將進一步加劇。為此加大國產(chǎn)錫膏的研制與應(yīng)用，以及制訂相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)就顯得尤為必要。從2005年起我國電子制造無鉛化進程已進入實施階段，我國無鉛錫膏的研制與應(yīng)用也取得了長足的進步，其中如億鋮達(dá)、唯特偶、同方、華慶等都已開始生產(chǎn)無鉛錫膏，有些產(chǎn)品已達(dá)到

2、或接近國外知名品牌如alpha, tamura等。特別是第二代低銀無鉛錫膏，由于避開專利并具有極佳的性價比，更有利于占領(lǐng)市場。我們深信國產(chǎn)無鉛錫膏研制與應(yīng)用的春天即將到來，中華品牌表面貼裝錫膏也將崛起于世界之林。本文將就有關(guān)無鉛錫膏問題進行具體論述。無鉛焊料的必要條件電子工業(yè)用60/40、63/37焊料已有50多年的歷史，已形成非常成熟的工藝，因此要取代有鉛焊料必須滿足一些充分而必要條件。見圖1首先從電子焊接工藝的要求出發(fā)，為了不破壞元器件的基本特性，所用無鉛焊料熔點必須接近錫鉛共晶焊料的熔點183，這是由于熔點高的焊料將超過電子元件的耐熱溫度，同時由于再流焊爐制約，因此不可以使用熔點高的焊料

3、。其次從可焊性的觀點出發(fā)，必須與電子元件及印制板的鍍層銅、鎳、銀等有良好的潤濕。從電子產(chǎn)品的可靠性出發(fā)，為了形成良好的冶金結(jié)合的焊點，焊料本身的機械強度是非常重要的。特別要求焊點具有耐熱疲勞性能，這是由于電子產(chǎn)品在使用過程中不可避免的會產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象而產(chǎn)生熱膨脹，同時在不使用時溫度下降會產(chǎn)生收縮，如此反復(fù)循環(huán)將在焊點處發(fā)生熱疲勞現(xiàn)象。從焊接的實際操作來看，希望焊接缺陷少是非常重要的。特別是橋接、拉等不良缺陷均和焊料的潤濕性密切相關(guān)。在再流焊接時，由于母材表面氧化，為了提高焊接的去氧化作用，必須使用有活性的助焊劑予以去除，但是這樣將產(chǎn)生殘留物而出現(xiàn)腐蝕和電遷移等現(xiàn)象。同時，在流動焊時，由于波峰焊產(chǎn)

4、生的氧化錫渣也是一個問題，不僅造成焊點不良率上升，同時也增加成本。此外焊膏的保存性是進行良好印刷的必要條件。由于在存放期間焊膏內(nèi)的助焊劑與合金發(fā)生反應(yīng)而劣化，造成粘度升高，印刷不良等。以上均是無鉛焊料必須考慮的問題。從這些觀點出發(fā)來選擇適當(dāng)?shù)臒o鉛焊料是非常重要的。表1所示的是從1980年以來開發(fā)的無鉛共晶合金的特性比較。在此基礎(chǔ)上發(fā)展了當(dāng)前實用的錫銀銅等主流無鉛焊料.無鉛錫膏技術(shù)原理無鉛錫膏系由無鉛錫粉與助焊劑混合而成的均勻膏狀物體，必須具備可印刷性、可焊性與可靠性等特點。優(yōu)質(zhì)錫膏對錫粉的要求是：1. 穩(wěn)定的化學(xué)成分2. 雜質(zhì)水平3. 顆粒大小和形狀4. 顆粒分布5. 表面化學(xué)狀態(tài)優(yōu)質(zhì)錫膏對助

5、焊劑的要求是：1. 松香溶劑載體不可干燥過快，也不宜過慢。過快形成保護膜硬化不利焊接，過慢形成的松香膜內(nèi)會有一些熔化的錫膏，在溶劑迅速揮發(fā)時會導(dǎo)致濺射。2. 要求具有雙活性的活性物質(zhì)。3. 要求有觸變性能優(yōu)良的流動助劑。4. 要求有抗氧化劑等。再流焊工藝技術(shù)從錫鉛焊料到錫銀銅焊料，在實際操作時將發(fā)生很大的變化，主要有：（1）目前最常用的錫-3.0銀-0.5銅其熔點在217-219，在進行再流焊時，可操作的最低工藝溫度應(yīng)為液相溫度加10，這就比錫鉛共晶焊料的熔點高出40。不難看出操作溫度的上升與元器件的耐熱溫度（240）的差距將大幅減少，因此必須較以往有更正確的工藝溫度管理。此外由于印制板的多樣

6、化，熱容量不同的元器件均會有10的溫差，因此必須提高預(yù)熱溫度和時間。再流焊設(shè)備必須進行多溫區(qū)加熱以減少溫度誤差，成為一項有效的措施。見圖2。這樣由于熔點的上升，焊接工藝和設(shè)備都將發(fā)生重大的變化，為此實行錫銀銅焊料的無鉛化，降低其熔點將成為一個被關(guān)注的問題。（2）一般認(rèn)為錫銀銅比錫鉛潤濕性低，其擴散率在75%-80%，比錫鉛下降15%左右。為了提高可焊性在助焊劑中增加活性劑是必要的，但會造成粘度升高等不良現(xiàn)象。另外由于無鉛焊料表面張力比有鉛焊料高，在同樣條件下潤濕性也會變差。 3 由于無鉛焊料的熔點高，因此必須考慮峰值溫度與元器件的耐熱溫度的適應(yīng)性（230-240），因此預(yù)熱終點溫度要高。使有熱

7、容量差異的元器件溫度能達(dá)到均勻。此外由于元器件與母材的氧化，焊膏活性的損失容易產(chǎn)生焊球，當(dāng)用錫鉛焊膏的助焊劑用于錫銀銅焊膏時必須提高預(yù)熱溫度和預(yù)熱時間，這樣由于焊接溫度的變化將帶來擔(dān)心，因此必須開發(fā)用于無鉛錫膏的助焊劑。 4 印刷工藝過程中由于焊膏內(nèi)助焊劑與粉末的反應(yīng)，在粉末表面有有機金屬化合物與有機金屬鹽析出，造成流動性下降，粘度升高，給印刷性能帶來影響，成為焊接不良的原因。 無鉛免清洗錫膏的性能特點無鉛免清洗錫膏為適用于高速印刷及貼裝生產(chǎn)線，應(yīng)具有優(yōu)良的流變性、抗熱坍塌性及高穩(wěn)定性，但是經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有些品牌錫膏品質(zhì)不穩(wěn)定，普遍的現(xiàn)象是產(chǎn)品試樣時性能都可以，但一旦批量使用后就經(jīng)常出現(xiàn)品質(zhì)波動，如

8、使用過程中錫膏粘度變大甚至發(fā)干、印刷質(zhì)量隨時間下降、焊接不良率波動嚴(yán)重等。很多人認(rèn)為這種波動可能是由于錫膏廠商在生產(chǎn)過程中控制不嚴(yán)所造成。其實，由生產(chǎn)控制問題產(chǎn)生的波動只占一小部分，其它如錫粉品質(zhì)，助焊劑的穩(wěn)定性等都是可能引起錫膏品質(zhì)波動的重要原因，其中助焊劑穩(wěn)定性是所有因素中最為重要的。所謂助焊劑的穩(wěn)定性是指在常溫下其物理、化學(xué)性能較為穩(wěn)定，不易結(jié)晶或與金屬發(fā)生反應(yīng)等。知名品牌的錫膏如alpha, tamura等的助焊劑系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，所以他們的產(chǎn)品在使用過程中也相對較為穩(wěn)定。國產(chǎn)某品牌無鉛錫膏l(xiāng)f-200p的助焊劑系統(tǒng)采用特殊活化體系，該活化體系在常溫下表現(xiàn)穩(wěn)定，基本不與金屬及其氧化物發(fā)生

9、反應(yīng)，因此在連續(xù)印刷過程中粘度變化很小。在回流焊接時，其活性在溫度升高后開始逐漸發(fā)揮作用直至焊接溫度時活性達(dá)到最大值。該活化體系亦能防止錫膏在預(yù)熱及保溫過程中的活性過快損失，從而大幅增寬回流窗口，便于用戶調(diào)整最佳工藝。助焊劑在常溫下穩(wěn)定的另一個重要作用是其可靠性能也相對較高。所有錫膏在回流后總會留下部分助焊劑殘留于焊點周圍，因此殘留下的助焊劑的穩(wěn)定性對表面絕緣電阻等電性能指標(biāo)會產(chǎn)生直接影響。lf-200p的長期可靠性完全不遜于alpha, tamura的同類型產(chǎn)品。 lf-200p與tamura tlf-204 及alpha om-338t的基本特性比較：?tamura tlf-204alph

10、a om-338t華慶lf-200p合金成分 sac305sac305sac305金屬比例（重量） 88.4%88.5%89.0%鹵素含量（鉻酸銀測試） -00粘度 200 pa?s-210 pa?s抗熱坍塌性 好 較好 好 印刷壽命 - 8小時 10小時 印刷速度 20-80mm/sec25-200mm/sec20-120mm/sec殘留物比例（重量） -5%4-5%冷藏保存時間（2-10） 6個月 6個月 6個月 室溫保存時間（25） 1個月 2星期 1個月 無鉛焊接采用的合金（sac305為主流合金）由于熔點提高，所以相對于傳統(tǒng)的sn63/pb37焊接需大幅升高焊接溫度，然而升高溫度對元

11、件及pcb都會產(chǎn)生不同程度的損害，因此在保證焊接質(zhì)量的前提下應(yīng)盡量降低回流峰值溫度。不同品牌的錫膏由于采用不同的助焊劑系統(tǒng)，推薦回流曲線會有所差異。lf-200p無鉛錫膏的推薦回流曲線具有回流時間較短，所需峰值溫度較低等特點，符合無鉛錫膏的發(fā)展趨勢。lf-200p與其他錫膏的推薦回流曲線比較：?tamura tlf-204alpha om-338t華慶lf-200p合金成分 sac305sac305sac305預(yù)熱升溫速度 2-4/sec1-3/sec1-4/sec保溫溫度 150-180150-170160-180預(yù)熱時間 60-120sec90-120sec60-120sec 220時間

12、20-40 sec45-70 sec20-50 sec峰值溫度 230-240232-250230-240冷卻速度 2-5/sec-2-4/seclf-200p無鉛錫膏專為高精度表面貼裝應(yīng)用而設(shè)計，適用于高速印刷及貼裝生產(chǎn)線，具有優(yōu)良的流變性、抗熱坍塌性及高穩(wěn)定性。特殊設(shè)計的組合活性系統(tǒng)使lf-200p能有效減少焊接缺陷的發(fā)生，降低不良率。該錫膏回流后殘留物無腐蝕、無色透明，無需清洗。 lf-200p具有眾多優(yōu)秀性能，包括回流峰值溫度低，回流時間短；印刷粘度穩(wěn)定，保證直通率；潤濕性優(yōu)良，鋪展率高；抗熱坍塌性極佳，防止細(xì)間距焊接橋連等。 1. 回流峰值溫度低，回流時間短。過高的回流峰值溫度或長回

13、流時間會對元器件和pcb造成不同程度的損傷，同時也增加能耗。因此，在保證焊接質(zhì)量的前提下，盡量降低回流峰值溫度或縮短回流時間對電子產(chǎn)品的可靠性有重要意義。通過調(diào)整回流工藝，lf-200p的峰值溫度可降低至230，同時亦能獲得良好的焊點質(zhì)量。圖（1）為lf-200p的推薦回流曲線與傳統(tǒng)回流曲線的比較： 2. 印刷粘度穩(wěn)定，保證直通率。錫膏在印刷過程中保持穩(wěn)定的粘度對印刷質(zhì)量及直通率有極大影響。有些錫膏在小量試用時并無太大問題，但一旦批量使用后卻經(jīng)常發(fā)現(xiàn)粘度上升快甚至發(fā)干，下錫量變化大，導(dǎo)致品質(zhì)波動嚴(yán)重等情況。lf-200p的粘度非常穩(wěn)定，在適宜使用條件下（23-25，rh:30-60% 可保證連

14、續(xù)12小時印刷后粘度無顯著變化。圖（2）為lf-200p在印刷過程中與其他品牌錫膏 w 的粘度變化比較：3. 潤濕性優(yōu)良，鋪展率高。潤濕性是保證焊接質(zhì)量的重要因素。潤濕性優(yōu)良的錫膏不但可獲得可靠的焊點，同時也能大大降低錫珠及空洞產(chǎn)生的概率。lf-200p不僅能在普通裸銅或鍍錫板上形成良好鋪展，也能焊接鎳、鈀等難焊金屬。圖（3）為lf-200p與其他品牌錫膏 y 在裸銅板上鋪展比較：4. 抗熱坍塌性極佳，防止細(xì)間距焊接橋連等不良。隨著電子產(chǎn)品不斷小型、多功能化，細(xì)間距器件的應(yīng)用日益增多。lf-200p具有極佳的抗熱坍塌性，可有效防止細(xì)小間距焊點間發(fā)生橋連等不良。圖（4）為lf-200p與某進口品

15、牌錫膏 s 的抗熱坍塌性比較：試驗條件：陶瓷基板，150±5，10分鐘目前l(fā)f-200p無鉛免清洗錫膏已在全國獲得廣泛應(yīng)用和認(rèn)同。低銀無鉛錫膏與低溫錫鉍銅錫膏國產(chǎn)某品牌低銀無鉛錫膏l(xiāng)f-200p-sac02與低溫錫鉍銅錫膏l(xiāng)f-200p-sbc1705由于具有優(yōu)良的性價比，以及接近63/37的工藝溫度曲線而得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)做一簡單介紹：（一） 無鉛免清洗錫膏l(xiāng)f-200p-sac021. 基本性能sac0307是目前業(yè)界研究較多的無鉛合金。作為sn/ag/cu系合金的一員，其綜合性能介于傳統(tǒng)的sac305和sc07之間，有著很好的應(yīng)用前景。sac305和sc07都有著各自明顯的不足：

16、sac305雖然可焊性及機械性能良好，但高銀含量使其成本居高不下，給電子產(chǎn)品制造商造成巨大壓力，此外高銀含量的合金更易發(fā)生電遷移；sc07雖然價格低，但其較差的可焊性制約了焊接質(zhì)量與生產(chǎn)效率。對電子產(chǎn)品制造商而言，sac0307在成本、質(zhì)量和效率三方面相對較為平衡，是最有希望取代sac305成為行業(yè)主流的無鉛合金。 表（1）為sac0307與其它合金的物理性能對比： ?sac0307sc07sac305snpb37合金成分 sn: 99%ag: 0.3%ci: 0.7%sn: 99.3%cu: 0.7%sn: 96.5%ag: 3.0%cu: 0.5%sn: 63%pb: 37%熔點 （） 2

17、17-225227共晶 217-219183共晶 密度 （g/cm3） 7.317.317.378.4電阻率 （m?cm） ?12.91213.30.2%屈服強度mpa加工態(tài) 30163527.2抗拉強度 mpa加工態(tài) 40374530.6延伸率 % 加工態(tài) 2220.822.2548宏觀剪切強度mpa?234334.5焊點外觀 焊點均勻 亮度稍差 亮度好 亮度較好 亮度好 從圖（2）可看出sac0307抗熱疲勞性能較sc07好，稍遜于sac305。通常使用潤濕測量法來衡量焊料、助焊劑或母材的可焊性。潤濕時間越短或潤濕力越強說明某一被測材料的可焊性越強。圖（3）為sac0307與sc07無鉛合

18、金的可焊性對比：由上圖可見，采用相同的助焊劑，sac0307在潤濕時間和潤濕力方面的表現(xiàn)比sac305稍差。調(diào)整助焊劑配方能夠明顯改善合金的焊接能力。lf-200p-sac02無鉛錫膏使用專為sac0307設(shè)計的助焊劑系統(tǒng)，該錫膏完全可達(dá)到與sac305同樣的潤濕效果，可充分保證焊接品質(zhì)。此外，lf-200p-sac02可使用與sac305相同的回流工藝，無需提高回流溫度便能獲得理想的焊接效果。（以上部分圖表摘自北京有色院研究報告。）2. 溫度曲線1. 預(yù)熱區(qū)： 以每秒1-4的升溫速率將溫度從室溫勻速上升至150。2. 保溫區(qū)： 用60秒-120秒將溫度從150平緩升至180，使pcb表面受熱均勻。3. 回流區(qū)： 1 根據(jù)不同產(chǎn)品,將峰值溫度控制在235-250間.2 高于220的時間應(yīng)控制在30-60秒間。4. 冷卻區(qū)： 推薦降溫速率2/秒。過慢的冷卻速度有時易造成器件移位及降低焊接強度,而冷卻過快易增加殘留物脆性。（二） 無鉛免清洗錫膏l(xiāng)f-200p-sbc17051. 基本性能：典型無鉛錫膏合金（如：sn96.5/ag3.5, sac305等）由于所需回流峰值溫度較高，容易對耐熱性差的元件或pcb造成損傷。 針對這一問題，lf-200p-sbc1705選用sn/bi17/cu0.5無鉛合金，使回流工藝與傳統(tǒng)sn63/pb37焊接基本相同。適中的熔點可減少回流過