無鉛助焊劑助焊性能的可接收標(biāo)準(zhǔn)

1、無鉛助焊劑助焊性能的可接收標(biāo)準(zhǔn)羅道軍 劉子蓮信息產(chǎn)業(yè)部電子第五研究所（中國賽寶實驗室） 510610 廣州，luodj摘要 本文通過對標(biāo)準(zhǔn)助焊劑、有鉛助焊劑、無鉛助焊劑在不同條件下擴展率與潤濕性的測試與對比分析，研究了無鉛焊接用助焊劑與有鉛助焊劑助焊性能的異同，并結(jié)合有鉛助焊劑的標(biāo)準(zhǔn)，給出了建議無鉛助焊劑助焊性能的可接受標(biāo)準(zhǔn)和合格依據(jù)。本文的研究將給制定新的無鉛焊接用助焊劑標(biāo)準(zhǔn)提供了很好的依據(jù)。 關(guān)鍵詞 無鉛助焊劑 助焊性能 擴展率 潤濕時間前言由于各國在電子電氣領(lǐng)域的環(huán)保法律法規(guī)的影響以及市場競爭的推動，含有包括鉛在內(nèi)的六種有害物質(zhì)的材料將被禁止或限制在電子制造領(lǐng)域中使用，因此，目前世界范圍

2、內(nèi)的電子制造正從傳統(tǒng)的有鉛工藝如火如荼地向無鉛工藝轉(zhuǎn)換。而無鉛焊料的高熔點與低潤濕性的特點導(dǎo)致了無鉛工藝實施的許多困難，高熔點可導(dǎo)致焊接溫度的升高，并將可能導(dǎo)致元器件與PCB等材料的熱損傷；而低潤濕性能將導(dǎo)致大量的潤濕不良和焊點缺陷，進而導(dǎo)致組裝的電子產(chǎn)品的可靠性問題，為此必須綜合考慮無鉛焊接工藝過程中的各影響要素，以便使無鉛過渡順利實施。其中應(yīng)對無鉛焊料的低潤濕性問題最有效的方式就是改善或提升助焊劑的助焊效果，以彌補有鉛焊料向無鉛焊料轉(zhuǎn)換而導(dǎo)致的潤濕性下降。但是目前尚無統(tǒng)一的無鉛助焊劑的國際標(biāo)準(zhǔn)或工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如何評價無鉛助焊劑的助焊性能以便選擇和保證符合使用要求的助焊劑產(chǎn)品就成了業(yè)界棘手的技術(shù)

3、問題。本文將就這一問題展開研究，通過比較有鉛、無鉛助焊劑助焊性能的異同，來探討評價無鉛助焊劑的助焊性能的新方法以及合格判定的依據(jù)。1 試驗方法與原理按照以前一貫通行的方法，表征助焊劑的助焊性能的參數(shù)主要有兩個，即擴展率與潤濕時間。在使用錫鉛焊料的時代，測試這兩個參數(shù)的方法主要按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB94911、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS Z31972、JIS Z3198-43、國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC61189或美國IPC標(biāo)準(zhǔn)J-STD-004A5，具體的測試方法均基本一致。但在使用無鉛焊料后，其測試過程中使用的標(biāo)準(zhǔn)焊料（Sn60Pb40或Sn63Pb37）和溫度（235）均不再適用，而這兩個影響因數(shù)對結(jié)果的

4、影響又非常關(guān)鍵。另外，目前在無鉛工藝中廣泛使用且及可能取代錫鉛共晶焊料的無鉛焊料就是錫銀銅（簡稱SAC）合金，其典型合金比例為Sn Ag(34) Cu(0.50.7)。因此綜合以上因素并參考現(xiàn)有的評估標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法，設(shè)計試驗方案如下：標(biāo)準(zhǔn)合金為Sn96.5Ag3.0Cu0.5（SAC）和Sn63Pb37，擴展率試驗使用的標(biāo)準(zhǔn)銅板參照標(biāo)準(zhǔn)JIS Z3197的方法制作，潤濕時間測試使用的標(biāo)準(zhǔn)銅片參照標(biāo)準(zhǔn)JIS Z3198-4的方法制作；潤濕測試使用日本利士科（Rhesca）的SAT-5100潤濕天平。一組在原來標(biāo)準(zhǔn)焊劑（25松香75異丙醇）6的基礎(chǔ)上通過調(diào)整二乙胺鹽酸鹽的含量來改變其助焊性能的助焊

5、劑（見表1），該組助焊劑的活性覆蓋了電子組裝常用的活性系列；另外隨機收集一組目前使用的無鉛助焊劑（見表2）進行對比評價。擴展率與潤濕時間測試的原理分別見圖1和圖2。表1 標(biāo)準(zhǔn)助焊劑樣品描述 鹵素含量（以Cl計，wt）序號S-1S-2S-3S-4S-5焊劑組成（wt） J-STD-004A活性水平分類 松香：25，異丙醇：75 松香：25，二乙胺鹽酸鹽：0.15，異丙醇：74.85 松香：25，二乙胺鹽酸鹽：0.39，異丙醇：74.61 松香：25，二乙胺鹽酸鹽：0.80，異丙醇：74.20松香：25，二乙胺鹽酸鹽：1.60，異丙醇：73.401. S-1、S-2與S-3焊劑是傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)焊劑；備

6、注 2. 鹵素含量GB9491是以整個助焊劑為分母來計算的，而J-STD-004A則是以焊劑中的固體部分為分母來計算的。表2 隨機選取的幾個典型無鉛助焊劑描述編號1#2#3#4#5#備注 組成特征 活性水平（GB9491） 活性水平(J-STD-004A) 低固體含量低固體水基中固體含量中固體含量中固體水洗本表中所列助焊劑由*公司提供，并且均已經(jīng)在無鉛工藝上使用，實際的焊接效果（助焊性能）良好。1.施加焊劑；2. 放置標(biāo)準(zhǔn)焊料（焊環(huán)或焊球）并加熱20秒；3.冷卻后測量焊點高度h擴展率（Dh）/D×100（D標(biāo)準(zhǔn)焊球的直徑）圖 1 助焊劑的擴展率測試原理圖2 潤濕性評價測試原理（不考慮

7、浮力）2 結(jié)果與討論2.1 擴展率試驗首先使用標(biāo)準(zhǔn)焊劑S-2在不同的測試溫度下進行擴展率測試，以找到無鉛助焊劑最佳的擴展率評價測試溫度，測試的結(jié)果見表3。由于本文使用的SAC焊料的熔點溫度為217，按照通常有鉛焊接的做法，測試的溫度一般以在熔點的基礎(chǔ)上增加50為限，但考慮到測試的溫度要低于實際使用的焊接溫度為宜，因此在此范圍內(nèi)選取三個測試溫度，分別為245、267與275。從表3中的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在此溫度范圍內(nèi)擴展率不敏感，溫度增加對擴展率的貢獻不大，但275通常是波峰焊組裝的極限溫度了，而245又距離熔點太近，因此建議在進行實際的助焊劑擴展率評價時，選用260±5為佳。如果在較低的

8、溫度條件下有合格或滿意的擴展率，通常在實際較高的溫度下的組裝焊接工藝中可獲得滿意的焊接效果，當(dāng)然這一切需要元器件、PCB以及設(shè)備等多影響因素的配合。有鉛助焊劑在不同溫度下擴展率也不敏感進一步驗證了此觀點，有鉛助焊劑擴展率的結(jié)果見表4。表3 無鉛助焊劑擴展率的檢測結(jié)果 焊接溫度（）245267275備 注 實測值（）平均值 （） 76.2 76.6 76.9 焊料組成：Sn96.5Ag3.0Cu0.5，標(biāo)準(zhǔn)焊劑：S-2。表4 有鉛助焊劑擴展率的檢測結(jié)果 焊接溫度（）235245260備 注 實測值（） 平均值 （） 87.3 87.9 87.8 焊料組成：Sn63Pb37，標(biāo)準(zhǔn)焊劑：S-2。隨后

9、分別對SAC和Sn63Pb37焊料在267和235為測試溫度的條件下，按照上述方法對五個標(biāo)準(zhǔn)焊劑樣品進行了擴展率測試，測試結(jié)果見表5和表6。表5 標(biāo)準(zhǔn)助焊劑用于無鉛焊料中擴展率的檢測結(jié)果 標(biāo)準(zhǔn)焊劑 實測值（%） 平均值（%） S-1S-2S-3備 注表6 標(biāo)準(zhǔn)助焊劑用于有鉛焊料中擴展率的檢測結(jié)果 48.9 76.6 78.4 80.6 80.2 焊料組成：Sn96.5Ag3.0Cu0.5，焊接測試溫度：267。標(biāo)準(zhǔn)焊劑 實測值（%） 平均值（%） S-1S-2S-3 77.2 87.3 88.7 92.5 94.6 備 注從表中的數(shù)據(jù)分析可見，5種標(biāo)準(zhǔn)焊劑都適用于有鉛助焊劑，而且活化劑的量對擴

10、展率很敏感，但不加活化劑的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)焊劑S-1已經(jīng)不適用于無鉛焊接工藝了，擴展率甚至無法達到傳統(tǒng)焊接所需的75以上的基本要求。同時我們也可以看到，傳統(tǒng)的活性標(biāo)準(zhǔn)焊劑S-3的擴展率都不能達到80，高活性的RA類型以及接近RoH1活性的S-5焊劑也只有80左右的擴展率。上述結(jié)果還表明：同樣的助焊劑在有鉛與無鉛的標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，助焊性能以擴展率來表示一般都有10的差距。使用無鉛焊料的工藝哪怕焊接溫度提升到267以上， 4焊料組成：Sn63Pb37，焊接測試溫度：235。與傳統(tǒng)的有鉛工藝的測試條件相比擴展率至少要有10的下降。特別值得一提的是，本研究所使用的標(biāo)準(zhǔn)焊劑均是高固體含量（25松香），通常使用高

11、固體含量的助焊劑都有較好的擴展率也就是助焊性能較高，而目前業(yè)界實際使用的大多數(shù)是免清洗的低固體含量的助焊劑。因此，在選用實際的無鉛焊劑時，要求過高的擴展率水平已經(jīng)不現(xiàn)實。為此，我們需要尋找擴展率與實際焊接效果的關(guān)系，通過實際的焊劑焊接效果來確定實驗室測試評價的合理的擴展率合格判據(jù)。于是本文又選取了五個無鉛助焊劑樣品進行摸底評價，看看實際使用較好或可以接受的樣品的擴展率水平如何，表7是它們的實際測試結(jié)果。 表7 典型無鉛助焊劑的擴展率檢測結(jié)果無鉛焊劑（見表2）12345備 注 實測值（） 平均值 （） 76.9 66.5 80.8 80.7 76.2 標(biāo)準(zhǔn)焊料：Sn96.5Ag3.0Cu0.5，

12、焊接溫度：267。從表7的數(shù)據(jù)可以看出，水溶性助焊劑通過這種擴展率來評價其助焊性能，其實際結(jié)果通常偏低（見2與5樣品的數(shù)據(jù)），可能是助焊劑在測試過程中損失過快導(dǎo)致被焊面再氧化造成。并再次證明較高固體含量的助焊劑通常有較高的擴展率，見3與4樣品的測試結(jié)果。最好的擴展率也就是在80左右，不會再像有鉛工藝助焊劑那樣常常有超過85以上的擴展率數(shù)據(jù)了。綜合以上的試驗數(shù)據(jù)，在本文所列的測試條件下，可以接受的無鉛助焊劑的擴展率應(yīng)該在70以上，最好是在75以上，方能確保助焊劑的助焊效果滿足無鉛的基本要求。過高的要求也不現(xiàn)實，低于70的擴展率的助焊劑則會帶來過高的焊點缺陷率。2.2 潤濕性能測試潤濕性能的表征是

13、通過潤濕時間和潤濕力來實現(xiàn)的，它是通過使用潤濕天平獲得潤濕力與時間的關(guān)系而獲得的，這是助焊性能的另外一種量化表征方法。由于它與擴展率有密切相關(guān)性，因此基于擴展率測試的試驗數(shù)據(jù)，本文只選取標(biāo)準(zhǔn)焊劑S-2進行潤濕性測試，因為它的擴展率即使按照有鉛焊劑的標(biāo)準(zhǔn)也是合格的，而在活性序列里，只要比其有更好的潤濕性就應(yīng)該可以接受了。測試時使用的條件是：標(biāo)準(zhǔn)焊料：Sn96.5Ag3.0Cu0.5，焊接溫度：267，焊接端子：標(biāo)準(zhǔn)銅片，浸漬速度：5mm/s，焊接時間：50/-0.5s。平行測定五次獲得的測試結(jié)果列入表8，代表性潤濕力曲線見圖3。表8 標(biāo)準(zhǔn)助焊劑潤濕性測試數(shù)據(jù) 標(biāo)準(zhǔn)焊劑測試序號 T(mN)S-2

14、備 注To(s)t1-t0是零交時間，其它參數(shù)的含義請參閱圖2與圖3。圖3 表5中測試序號為1的潤濕力與時間的關(guān)系曲線從所獲得的潤濕性數(shù)據(jù)可見，在擴展率測試中結(jié)果為76.6的標(biāo)準(zhǔn)焊劑S-2，在同樣的測試條件下，零交時間最多不超過1秒，這就是我們在評價無鉛助焊劑的助焊性能時可以參考的標(biāo)準(zhǔn)。因為，在所有五個標(biāo)準(zhǔn)助焊劑中S-3S-5都應(yīng)該具有比這更良好的助焊性能。但考慮到所使用的標(biāo)準(zhǔn)銅片的差異以及試驗條件的差異，評判合格與否的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該還可以適當(dāng)放松，但最多潤濕時間不應(yīng)該超過2秒。這也是IEC與J-STD-002B等標(biāo)準(zhǔn)4,7對元器件端子的可焊性的最低要求了。結(jié)論使用有鉛助焊劑的評價標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不適應(yīng)無鉛

15、工藝的要求，評價無鉛助焊劑的助焊性能或潤濕性能，應(yīng)該修改評價標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)焊料、焊接溫度以及可接受的合格判據(jù)。在評估助焊劑的助焊性能的時候，建議使用被業(yè)界廣泛選用的錫銀銅（Sn96.5Ag3.0Cu0.5）合金為標(biāo)準(zhǔn)焊料，焊接溫度控制在260267為佳，接收標(biāo)準(zhǔn)（合格判據(jù)）：擴展率至少為70以上，最好達到80；潤濕時間不超過2秒，1秒以內(nèi)最佳。以上結(jié)論可以作為工業(yè)界制定無鉛焊接用助焊劑的標(biāo)準(zhǔn)時參考。此外，標(biāo)準(zhǔn)焊劑序列中的鹵素含量的變化也應(yīng)該引起制標(biāo)工作的關(guān)注，無鉛用助焊劑中常常需要添加適當(dāng)?shù)柠u素才能保證潤濕性的要求。致 謝本文的試驗部分得到了本實驗室黃妙青同志的大力協(xié)助，深圳唯特偶公司的張鳴玲高

16、工提供了部分試驗的樣品，在此作者一并表示衷心的感謝。參考文獻123456國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 94912002 錫焊用液態(tài)焊劑（松香基） 日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS Z 319799 Testing methods for soldering fluxes 日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS Z3198-4：2003 Test Methods for Lead-free SoldersPart4:Methods for Solderability Test by a Wetting Balance Method and a Contact Angle Method 國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC61190-1-1 Requirements for soldering fluxes for high-quality interc