無(wú)鉛焊錫助焊膏配方分析

無(wú)鉛焊錫助焊膏配方分析

一.背景出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代的表面貼裝技術(shù)(SurfaceMountAssembly，簡(jiǎn)稱SMT)，是指在印制電路板焊盤(pán)上印刷、涂布焊錫膏，并將表面貼裝元器件準(zhǔn)確的貼放到涂有焊錫膏的焊盤(pán)上，按照特定的回流溫度曲線加熱電路板，讓焊錫膏熔化，其合金成分冷卻凝固后在元器件與印制電路板之間形成焊點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)冶金連接的技術(shù)。焊錫膏是伴隨著SMT應(yīng)運(yùn)而生的一種新型焊接材料。焊錫膏是一個(gè)復(fù)雜的體系，是由焊錫粉、助焊劑以及其它的添加物加以混合，形成的乳脂狀混合物。焊錫膏在常溫下有一定的勃度，可將電子元器件初粘在既定位置，在焊接溫度下，隨著溶劑和部分添加劑的揮發(fā)，將被焊元器件與印制電路焊盤(pán)焊接在一起形成永久連接。二.無(wú)鉛焊錫膏2.1焊錫膏的組成焊錫膏由超細(xì)（20-75微米）的球形焊錫合金粉末、助焊劑、添加劑混合形成的膏狀體系。這種膏狀體在常溫下具有一定的粘性，可將電子元件初粘在既定位置，在焊接溫度下，隨著焊錫合金的熔化、溶劑和部分添加劑的揮發(fā)，將被焊元器件與基板互聯(lián)在一起形成永久連接。焊錫膏的成分成分質(zhì)量百分比w/%體積百分比V/%合金焊料粉末85~90%50~60%助焊劑、添加劑10~15%40~50%2.1.1合金粉末合金粉末：合金粉末由熔融態(tài)焊錫合金經(jīng)高壓惰性氣體噴霧或超聲波霧化沉積工藝制成。合金粉末的形狀、粒度及均勻性主要影響焊錫膏的印刷性能，而表面氧化程度則對(duì)焊膏的潤(rùn)濕性能有很重要的影響。合金釬料粉末按形狀分有無(wú)定形和球形兩種，球形合金粉末表面積比較小、氧化程度低、制成的焊錫膏具有良好的潤(rùn)濕性能。理想的合金粉末是粒度一致、大小均勻的球形顆粒，這樣才不會(huì)影響印刷的均勻性和分辨率。傳統(tǒng)SnPb釬料（63Sn37Pb）共晶釬料因其熔化溫度低、潤(rùn)濕性能良好，在焊接電子產(chǎn)品中應(yīng)用最為廣泛。但是，傳統(tǒng)SnPb釬料中的鉛作為危害人類(lèi)健康和污染環(huán)境的有害物質(zhì)，已被歐盟、美國(guó)、日本以及我國(guó)等列入電子材料禁用物質(zhì)。從可焊性、抗氧化性、成本、毒性、廢棄物回收及資源供應(yīng)方面考慮，最適合作為SnPb釬料替代產(chǎn)品的為SnAg、SnCu、SnAgCu三大合金系列，其中再流焊中應(yīng)用最廣泛的為nsAg、snAgcu兩大系列。一般要求釬焊峰值溫度高出釬料熔點(diǎn)20一40℃，這就導(dǎo)致無(wú)鉛化后釬焊峰值溫度高達(dá)250℃左右。再流焊工藝溫度曲線隨之發(fā)生變化，預(yù)熱溫度和再流峰值溫度相應(yīng)升高。無(wú)鉛釬料的潤(rùn)濕性要弱于傳統(tǒng)的SnPb釬料，加之高溫對(duì)焊盤(pán)和高含錫量無(wú)鉛釬料的氧化作用，很容易導(dǎo)致焊點(diǎn)潤(rùn)濕不良，產(chǎn)生許多焊后缺陷，影響焊點(diǎn)質(zhì)量和可靠性。這就對(duì)焊錫膏的助焊劑體系提出了更高的要求。2.1.2助焊劑助焊劑是指能凈化金屬表面，幫助焊接的物質(zhì)，具有綜合性能的有機(jī)和無(wú)機(jī)混合物。焊膏用助焊劑不同于一般助焊劑，它要求不僅有著良好的助焊活性，而且還要求具有與焊錫粉末易成膏狀、焊錫粉末易懸浮、對(duì)焊料的保護(hù)性，以及觸變特性、粘彈性和熱穩(wěn)定性等。研究表明，助焊劑不僅能去除被焊金屬表面的氧化物，而且能夠防止焊接時(shí)基體金屬被氧化，比促使熱從熱源區(qū)向焊接區(qū)傳遞，促使焊料的熔化并潤(rùn)濕被焊金屬表面，并且還能降低熔融焊料的表面張力。而在焊錫膏中，除了這些作用外，助焊劑還起到承載合金粉末的作用。焊錫膏的助焊劑的主要成分有活化劑、觸變劑、樹(shù)脂和溶劑等。助焊劑的成分和含量對(duì)焊錫膏的勃度、潤(rùn)濕性能、抗熱塌性能、黏結(jié)性能有很重要的影響。1)溶劑溶劑是用來(lái)溶解各種活性劑、觸變劑的，在焊錫膏的攪拌過(guò)程中起到調(diào)節(jié)均勻的作用，并對(duì)焊錫膏的粘性起到一定的調(diào)節(jié)作用，對(duì)焊錫膏的壽命也有一定的影響。最常見(jiàn)的溶劑有多元醇、一元醇、醚類(lèi)等。用作助焊劑的溶劑應(yīng)具備以下條件：1)對(duì)助焊劑中各種固體成分均具有良好的溶解性；2)常溫下?lián)]發(fā)程度適中，在焊接溫度下迅速揮發(fā)；3)氣味小，無(wú)毒性或低毒性。對(duì)溶劑的選擇，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：1)沸點(diǎn)：溶劑的沸點(diǎn)應(yīng)適中，沸點(diǎn)太低，溶劑易揮發(fā)，所配制的焊膏干燥快，使用壽命短；2)適宜的粘度：一般溶劑的粘度低，則所配置的助焊劑粘度也低，而焊膏配用焊劑需要有一定的粘度，以滿足焊膏粘性要求；3)含有極性集團(tuán)，溶劑中含有－OH親水集團(tuán)越多，焊劑的活性越能得到發(fā)揮，含有疏水集團(tuán)R-的分子量越大，溶劑的極性越小，焊劑的活性越差2)成膜物質(zhì)成膜物質(zhì)主要是指松香、樹(shù)脂類(lèi)物質(zhì)和脂類(lèi)物質(zhì)。常用的成膜物質(zhì)有松香、酚醛樹(shù)脂、丙烯酸樹(shù)脂、氯乙烯樹(shù)脂、聚氨酯等。一般加入量在10%～20%，加入過(guò)多會(huì)影響擴(kuò)展率，使助焊作用下降。在普通家電或要求不高的電器裝連中，使用成膜物質(zhì)，裝連后的電器部件可不清洗，以降低成本，然而在精密電子裝連中焊后仍要進(jìn)行清洗。如松香及其衍生物，是調(diào)節(jié)焊錫膏粘度的主要成分，并且在焊接中，可以起到防止合金粉末進(jìn)一步被氧化的作用，另外松香中的松香酸可以做為活性劑以清除化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物。焊接后，松香的殘留物會(huì)形成一層緊密的有機(jī)膜以保護(hù)焊點(diǎn)和基板，從而具有一定的防腐蝕和電絕緣性能，但過(guò)多的殘留物不僅妨礙探針測(cè)試，也會(huì)使得擴(kuò)展面積減小，影響焊點(diǎn)美觀。3)活化劑活性劑的主要作用為去除焊粉和被焊表面的氧化物，使焊接時(shí)的表面張力減小，增加焊料和焊盤(pán)金屬的潤(rùn)濕性，提高可焊性?？蓪⒒钚詣┓譃橛袡C(jī)活性劑和無(wú)機(jī)活性劑，但是無(wú)機(jī)活性劑的酸性太強(qiáng)，腐蝕性大，一般在電子行業(yè)中很少使用。有機(jī)活性劑的活性大小則與其本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，例如，含有羧基和胺基等活性官能團(tuán)的有機(jī)物是很好的活性劑。一般使用的有機(jī)活性劑包括：脂肪酸、芳香酸、脂肪胺及其衍生物、胺的鹵酸鹽，其作用柔和、時(shí)間短、腐蝕性小、電氣絕緣性好，適宜在電子裝連中，廣泛使用潤(rùn)濕性強(qiáng)則焊劑的擴(kuò)展性高，可焊性好；無(wú)機(jī)活性劑，如氯化鋅、氯化銨等，通常無(wú)機(jī)活性劑的助焊活性強(qiáng)，但作用時(shí)間長(zhǎng)，腐蝕性大，不宜在電子裝連中使用。在焊劑中，一般活性劑的添加量較少，通常為2%～5%，若用含氯的化合物，其含量應(yīng)控制在0.2%以下。雖然活性劑的添加量少，但是在焊接時(shí)起很大的作用。4)觸變劑觸變劑主要是用來(lái)幫助合金粉末的懸浮、調(diào)節(jié)焊錫膏的勃度以及印刷性能，起到在印刷中防止出現(xiàn)拖尾、粘連等現(xiàn)象的作用。觸變性的主要來(lái)源是助焊劑分子中的氫鍵，如很多羥基基、烷基以及羧基基等。通過(guò)加入一定量的觸變劑，在攪拌時(shí)破壞分子間的氫鍵，可以達(dá)到切變變稀的效果。觸變劑觸變的原理是:觸變劑顆粒在溶劑中發(fā)生腫脹，其分子的極性基團(tuán)之間會(huì)產(chǎn)生微弱的氫鍵結(jié)合，而高級(jí)脂肪酸部分則呈現(xiàn)近似的層狀結(jié)構(gòu)，以膠體狀分散，從而形成觸變結(jié)構(gòu)。最常用的流變添加劑為蓖麻油及其衍生物和聚酰胺類(lèi)。它們多為碳?xì)浠衔铮诿馇逑春稿a膏和RMA型焊錫膏中使用居多。而在水洗焊錫膏中，聚乙烯和其衍生物是最好的選擇。5)抗氧化劑抗氧化劑是為了防止助焊劑在高溫下的氧化變質(zhì)，如酚類(lèi)抗氧化劑（BHT、苯酚等）。6)緩蝕劑對(duì)某些特定的焊盤(pán)金屬選擇緩蝕劑，加入緩蝕劑能保護(hù)印制板和元器件引線，具有防潮、防霉、防腐蝕性能又能保持良好的可焊性。用作緩蝕劑的物質(zhì)大多是含氮化合物為主流的有機(jī)物。銅的緩蝕劑一般是供電子的含氮化合物，如苯并三氮唑（BTA）、甲基苯并三氮唑（TTA）、咪唑啉、咪唑等物質(zhì)。7)調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)劑主要是為了調(diào)整助焊劑的酸堿度，最常用三乙胺、三乙醇胺或者其他的胺類(lèi)物質(zhì)來(lái)調(diào)整助焊劑的酸性，而調(diào)整助焊劑的堿度需加入有機(jī)酸，如一元酸、二元酸等（己酸、甲基丁二酸、己二酸、葵二酸等）。在無(wú)機(jī)助焊劑中加入鹽酸可抑制氧化鋅生成。8)消光劑消光劑能使焊點(diǎn)消光，在操作和檢驗(yàn)時(shí)克服眼睛疲勞和視力衰退。一般加入無(wú)機(jī)鹵化物、無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)酸及其金屬鹽類(lèi)，如氯化鋅、氯化錫、滑石、硬脂酸、硬脂酸銅、鈣等。9)光亮劑光亮劑能使焊點(diǎn)發(fā)光，可加入甘油、三乙醇胺等，一般加入量約1%。10)阻燃劑為保證使用安全，提高抗燃性而加入的材料，常用的阻燃劑有：如2，3－二溴丙醇等。2.2焊錫膏助焊能力的影響因素2.2.1粘度香港城市大學(xué)研究了焊錫膏的粘性對(duì)表面組裝焊點(diǎn)的機(jī)械性能和多孔性的影響，發(fā)現(xiàn)焊錫膏的粘度越大，焊點(diǎn)中多孔的區(qū)域越多，當(dāng)粘度的變化為35.3-213kcp時(shí)，對(duì)應(yīng)的多孔區(qū)域所占的比例為3.0-9.9%。在對(duì)焊錫膏的熱失重分析中發(fā)現(xiàn):在錫粉熔化前，有機(jī)物含量高(粘度較低)的焊錫膏的揮發(fā)率大大地高于有機(jī)物含量低的焊錫膏;但在熔化后，揮發(fā)率卻低于有機(jī)物含量低的焊錫膏;剪切測(cè)試表明使用有機(jī)物含量高的焊錫膏得到的焊點(diǎn)有更高的剪切強(qiáng)度。當(dāng)粘度的變化為213-35.3kcp時(shí)，對(duì)應(yīng)的焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度為35.3-46.3Mpa，增加了30%。以上說(shuō)明要獲得高可靠性、高剪切強(qiáng)度的焊點(diǎn)，有機(jī)物含量高(粘度較低)的焊錫膏是可行的。2.2.2表面潤(rùn)濕性的影響焊錫膏的潤(rùn)濕性能測(cè)試表明:加入兩種不同類(lèi)型的陽(yáng)離子表面活性劑能互補(bǔ)地改善助焊劑的潤(rùn)濕性能，當(dāng)助焊劑中油酸季錢(qián)鹽的比例為0.5%和氟烷基梭酸錢(qián)鹽的比例為1%時(shí)，焊錫膏的潤(rùn)濕性能最好。2.2.3合金粉的含量的影響對(duì)不同合金粉比例的焊錫膏的印刷性能進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)：調(diào)整焊錫膏的印刷性能可以通過(guò)調(diào)整合金粉的比例來(lái)實(shí)現(xiàn)。常見(jiàn)的合金粉比例為88.5%和89.0%時(shí)，焊錫膏的印刷性能最好。三.常見(jiàn)的參考配方：3.1無(wú)鉛焊錫膏成分質(zhì)量百分比成分說(shuō)明錫（Sn）82-84%焊料銀（Ag）3-4%焊料銅（Cu）0.3-1%焊料鎂（Mg）0.1-0.3%焊料脫氫松香3-6%成膜物質(zhì)十六烷基溴代吡啶0-1%表面活性劑葵二酸1-4%活化劑乙二胺1-3%調(diào)節(jié)劑二乙二醇單丁醚1-3%溶劑二乙二醇單己醚2-5%溶劑雙硬脂酸酰胺0-1%觸變劑BHT0-1%抗氧化劑2,3－