無(wú)鉛錫膏技術(shù)

1、      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(shí)代的到來(lái)，全球?qū)o(wú)鉛錫膏有越來(lái)越大的需求，因此國(guó)產(chǎn)錫膏與進(jìn)口錫膏在“市場(chǎng)-技術(shù)-標(biāo)準(zhǔn)”上的競(jìng)爭(zhēng)將進(jìn)一步加劇。為此加大國(guó)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(guó)電子制造無(wú)鉛化進(jìn)程已進(jìn)入實(shí)施階段，我國(guó)無(wú)鉛錫膏的研制與應(yīng)用也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其中如億鋮達(dá)、唯特偶、同方、華慶等都已開始生產(chǎn)無(wú)鉛錫膏，有些產(chǎn)品已達(dá)到或接近國(guó)外知名品牌如Alpha, Tamura等。特別是第二代低銀無(wú)鉛錫

2、膏，由于避開專利并具有極佳的性價(jià)比，更有利于占領(lǐng)市場(chǎng)。我們深信國(guó)產(chǎn)無(wú)鉛錫膏研制與應(yīng)用的春天即將到來(lái)，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(wú)鉛錫膏問(wèn)題進(jìn)行具體論述。無(wú)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(wú)鉛焊料熔點(diǎn)必須接近錫鉛共晶焊料的熔點(diǎn)183，這是由于熔點(diǎn)高的焊料將

3、超過(guò)電子元件的耐熱溫度，同時(shí)由于再流焊爐制約，因此不可以使用熔點(diǎn)高的焊料。其次從可焊性的觀點(diǎn)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(rùn)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(diǎn)，焊料本身的機(jī)械強(qiáng)度是非常重要的。特別要求焊點(diǎn)具有耐熱疲勞性能，這是由于電子產(chǎn)品在使用過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象而產(chǎn)生熱膨脹，同時(shí)在不使用時(shí)溫度下降會(huì)產(chǎn)生收縮，如此反復(fù)循環(huán)將在焊點(diǎn)處發(fā)生熱疲勞現(xiàn)象。      從焊接的實(shí)際操作來(lái)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(rùn)濕性密切相關(guān)。在再流焊接時(shí)，由于母材

4、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(shí)，在流動(dòng)焊時(shí)，由于波峰焊產(chǎn)生的氧化錫渣也是一個(gè)問(wèn)題，不僅造成焊點(diǎn)不良率上升，同時(shí)也增加成本。此外焊膏的保存性是進(jìn)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(wú)鉛焊料必須考慮的問(wèn)題。從這些觀點(diǎn)出發(fā)來(lái)選擇適當(dāng)?shù)臒o(wú)鉛焊料是非常重要的。表1所示的是從1980年以來(lái)開發(fā)的無(wú)鉛共晶合金的特性比較。在此基礎(chǔ)上發(fā)展了當(dāng)前實(shí)用的錫銀銅等主流無(wú)鉛焊料.無(wú)鉛錫膏技術(shù)原理無(wú)鉛錫膏系由無(wú)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、

5、可焊性與可靠性等特點(diǎn)。優(yōu)質(zhì)錫膏對(duì)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(duì)助焊劑的要求是：1. 松香溶劑載體不可干燥過(guò)快，也不宜過(guò)慢。過(guò)快形成保護(hù)膜硬化不利焊接，過(guò)慢形成的松香膜內(nèi)會(huì)有一些熔化的錫膏，在溶劑迅速揮發(fā)時(shí)會(huì)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(dòng)助劑。4. 要求有抗氧化劑等。再流焊工藝技術(shù)-219，在進(jìn)行再流焊時(shí)，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(diǎn)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

6、度管理。此外由于印制板的多樣化，熱容量不同的元器件均會(huì)有10的溫差，因此必須提高預(yù)熱溫度和時(shí)間。再流焊設(shè)備必須進(jìn)行多溫區(qū)加熱以減少溫度誤差，成為一項(xiàng)有效的措施。見圖2。這樣由于熔點(diǎn)的上升，焊接工藝和設(shè)備都將發(fā)生重大的變化，為此實(shí)行錫銀銅焊料的無(wú)鉛化，降低其熔點(diǎn)將成為一個(gè)被關(guān)注的問(wèn)題。（2）一般認(rèn)為錫銀銅比錫鉛潤(rùn)濕性低，其擴(kuò)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(huì)造成粘度升高等不良現(xiàn)象。另外由于無(wú)鉛焊料表面張力比有鉛焊料高，在同樣條件下潤(rùn)濕性也會(huì)變差。 (3)由于無(wú)鉛焊料的熔點(diǎn)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）

7、，因此預(yù)熱終點(diǎn)溫度要高。使有熱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(shí)必須提高預(yù)熱溫度和預(yù)熱時(shí)間，這樣由于焊接溫度的變化將帶來(lái)?yè)?dān)心，因此必須開發(fā)用于無(wú)鉛錫膏的助焊劑。 (4)印刷工藝過(guò)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(jī)金屬化合物與有機(jī)金屬鹽析出，造成流動(dòng)性下降，粘度升高，給印刷性能帶來(lái)影響，成為焊接不良的原因。 無(wú)鉛免清洗錫膏的性能特點(diǎn)      無(wú)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

8、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(shí)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(dòng)，如使用過(guò)程中錫膏粘度變大甚至發(fā)干、印刷質(zhì)量隨時(shí)間下降、焊接不良率波動(dòng)嚴(yán)重等。很多人認(rèn)為這種波動(dòng)可能是由于錫膏廠商在生產(chǎn)過(guò)程中控制不嚴(yán)所造成。其實(shí)，由生產(chǎn)控制問(wèn)題產(chǎn)生的波動(dòng)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(dòng)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(guò)程中也相對(duì)較為穩(wěn)定。國(guó)產(chǎn)某品牌無(wú)

9、鉛錫膏LF-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)生反應(yīng)，因此在連續(xù)印刷過(guò)程中粘度變化很小。在回流焊接時(shí)，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(shí)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(guò)程中的活性過(guò)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(gè)重要作用是其可靠性能也相對(duì)較高。所有錫膏在回流后總會(huì)留下部分助焊劑殘留于焊點(diǎn)周圍，因此殘留下的助焊劑的穩(wěn)定性對(duì)表面絕緣電阻等電性能指標(biāo)會(huì)產(chǎn)生直接影響。LF-200P的長(zhǎng)期可靠性完全不遜于Alpha, Tamura的同類型產(chǎn)品。   

10、    LF-200P與Tamura TLF-204 及Alpha OM-338T的基本特性比較： Tamura TLF-204Alpha 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(cè)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(shí) >10小時(shí) 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

11、時(shí)間（2-10） 6個(gè)月 6個(gè)月 6個(gè)月 室溫保存時(shí)間（25） 1個(gè)月 2星期 1個(gè)月       無(wú)鉛焊接采用的合金（SAC305為主流合金）由于熔點(diǎn)提高，所以相對(duì)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(duì)元件及PCB都會(huì)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(huì)有所差異。LF-200P無(wú)鉛錫膏的推薦回流曲線具有回流時(shí)間較短，所需峰值溫度較低等特點(diǎn)，符合無(wú)鉛錫膏的發(fā)展趨勢(shì)。     

12、; 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(shí)間 60-120sec90-120sec60-120sec>220時(shí)間 20-40 sec45-70 sec20-50 sec峰值溫度 230-240232-250230-240冷卻速度 2-5/sec-2-4/sec      L

13、F-200P無(wú)鉛錫膏專為高精度表面貼裝應(yīng)用而設(shè)計(jì)，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(jì)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(wú)腐蝕、無(wú)色透明，無(wú)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(shí)間短；印刷粘度穩(wěn)定，保證直通率；潤(rùn)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(shí)間短。過(guò)高的回流峰值溫度或長(zhǎng)回流時(shí)間會(huì)對(duì)元器件和PCB造成不同程度的損傷，同時(shí)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(shí)間對(duì)電子產(chǎn)品的可靠性有重要

14、意義。通過(guò)調(diào)整回流工藝，LF-200P的峰值溫度可降低至230，同時(shí)亦能獲得良好的焊點(diǎn)質(zhì)量。圖（1）為L(zhǎng)F-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(guò)程中保持穩(wěn)定的粘度對(duì)印刷質(zhì)量及直通率有極大影響。有些錫膏在小量試用時(shí)并無(wú)太大問(wèn)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(dòng)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%)可保證連續(xù)12小時(shí)印刷后粘度無(wú)顯著變化。圖（2）為L(zhǎng)F-200P在印刷過(guò)程中與其他品牌錫膏(W)的粘度變化比較：3. 潤(rùn)濕性優(yōu)良，鋪展率高。潤(rùn)濕性是保證焊接

15、質(zhì)量的重要因素。潤(rùn)濕性優(yōu)良的錫膏不但可獲得可靠的焊點(diǎn)，同時(shí)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L(zhǎng)F-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(diǎn)間發(fā)生橋連等不良。圖（4）為L(zhǎng)F-200P與某進(jìn)口品牌錫膏(S)的抗熱坍塌性比較：試驗(yàn)條件：陶瓷基板，150±5，10分鐘目前LF-200P無(wú)鉛免清洗錫膏已在全國(guó)獲得廣泛應(yīng)用和認(rèn)同。低銀無(wú)鉛

16、錫膏與低溫錫鉍銅錫膏      國(guó)產(chǎn)某品牌低銀無(wú)鉛錫膏LF-200P-SAC02與低溫錫鉍銅錫膏LF-200P-SBC1705由于具有優(yōu)良的性價(jià)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(jiǎn)單介紹：（一） 無(wú)鉛免清洗錫膏LF-200P-SAC02      1. 基本性能      SAC0307是目前業(yè)界研究較多的無(wú)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

17、間，有著很好的應(yīng)用前景。SAC305和SC07都有著各自明顯的不足：SAC305雖然可焊性及機(jī)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(jià)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(duì)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(duì)較為平衡，是最有希望取代SAC305成為行業(yè)主流的無(wú)鉛合金。 表（1）為SAC0307與其它合金的物理性能對(duì)比：  SAC0307SC07SAC305SnPb37合金成分 Sn: 99%Ag: 0.3%Ci: 0.7%Sn: 99.3%Cu: 0.7%Sn: 96.

18、5%Ag: 3.0%Cu: 0.5%Sn: 63%Pb: 37%熔點(diǎn) （） 217-225227共晶 217-219183共晶 密度 （g/cm3） 電阻率 （m·cm）  120.2%屈服強(qiáng)度MPa加工態(tài) 301635抗拉強(qiáng)度 MPa加工態(tài) 403745延伸率 (%)加工態(tài) 2248宏觀剪切強(qiáng)度MPa 2343焊點(diǎn)外觀 焊點(diǎn)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(rùn)濕測(cè)量法來(lái)衡量焊料、助焊劑或母材的可焊性。

19、潤(rùn)濕時(shí)間越短或潤(rùn)濕力越強(qiáng)說(shuō)明某一被測(cè)材料的可焊性越強(qiáng)。圖（3）為SAC0307與SC07無(wú)鉛合金的可焊性對(duì)比：      由上圖可見，采用相同的助焊劑，SAC0307在潤(rùn)濕時(shí)間和潤(rùn)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(wú)鉛錫膏使用專為SAC0307設(shè)計(jì)的助焊劑系統(tǒng)，該錫膏完全可達(dá)到與SAC305同樣的潤(rùn)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(wú)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(bào)告

20、。）      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(shí)間應(yīng)控制在30-60秒間。4. 冷卻區(qū)： 推薦降溫速率2/秒。過(guò)慢的冷卻速度有時(shí)易造成器件移位及降低焊接強(qiáng)度,而冷卻過(guò)快易增加殘留物脆性。（二） 無(wú)鉛免清洗錫膏LF-200P-SBC17051. 基本性能：      典型無(wú)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(duì)耐熱性差的元件或PCB造成損傷。 針對(duì)這一問(wèn)題，LF-200P-SBC1705選用Sn/B