無鉛焊錫助焊膏配方分析

無鉛焊錫助焊膏配方分析

一.背景出現(xiàn)在20世紀70年代的表面貼裝技術(SurfaceMountAssembly，簡稱SMT)，是指在印制電路板焊盤上印刷、涂布焊錫膏，并將表面貼裝元器件準確的貼放到涂有焊錫膏的焊盤上，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而實現(xiàn)冶金連接的技術。焊錫膏是伴隨著SMT應運而生的一種新型焊接材料。焊錫膏是一個復雜的體系，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焊接在一起形成永久連接。二.無鉛焊錫膏2.1焊錫膏的組成焊錫膏由超細（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焊膏的潤濕性能有很重要的影響。合金釬料粉末按形狀分有無定形和球形兩種，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、潤濕性能良好，在焊接電子產(chǎn)品中應用最為廣泛。但是，傳統(tǒng)SnPb釬料中的鉛作為危害人類健康和污染環(huán)境的有害物質(zhì)，已被歐盟、美國、日本以及我國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20一40℃，這就導致無鉛化后釬焊峰值溫度高達250℃左右。再流焊工藝溫度曲線隨之發(fā)生變化，預熱溫度和再流峰值溫度相應升高。無鉛釬料的潤濕性要弱于傳統(tǒng)的SnPb釬料，加之高溫對焊盤和高含錫量無鉛釬料的氧化作用，很容易導致焊點潤濕不良，產(chǎn)生許多焊后缺陷，影響焊點質(zhì)量和可靠性。這就對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和無機混合物。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、對焊料的保護性，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、樹脂和溶劑等。助焊劑的成分和含量對焊錫膏的勃度、潤濕性能、抗熱塌性能、黏結性能有很重要的影響。1)溶劑溶劑是用來溶解各種活性劑、觸變劑的，在焊錫膏的攪拌過程中起到調(diào)節(jié)均勻的作用，并對焊錫膏的粘性起到一定的調(diào)節(jié)作用，對焊錫膏的壽命也有一定的影響。最常見的溶劑有多元醇、一元醇、醚類等。用作助焊劑的溶劑應具備以下條件：1)對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，無毒性或低毒性。對溶劑的選擇，應考慮以下幾點：1)沸點：溶劑的沸點應適中，沸點太低，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，溶劑中含有－OH親水集團越多，焊劑的活性越能得到發(fā)揮，含有疏水集團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、樹脂類物質(zhì)和脂類物質(zhì)。常用的成膜物質(zhì)有松香、酚醛樹脂、丙烯酸樹脂、氯乙烯樹脂、聚氨酯等。一般加入量在10%～20%，加入過多會影響擴展率，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反應產(chǎn)物。焊接后，松香的殘留物會形成一層緊密的有機膜以保護焊點和基板，從而具有一定的防腐蝕和電絕緣性能，但過多的殘留物不僅妨礙探針測試，也會使得擴展面積減小，影響焊點美觀。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，使焊接時的表面張力減小，增加焊料和焊盤金屬的潤濕性，提高可焊性?？蓪⒒钚詣┓譃橛袡C活性劑和無機活性劑，但是無機活性劑的酸性太強，腐蝕性大，一般在電子行業(yè)中很少使用。有機活性劑的活性大小則與其本身的結構有關，例如，含有羧基和胺基等活性官能團的有機物是很好的活性劑。一般使用的有機活性劑包括：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，廣泛使用潤濕性強則焊劑的擴展性高，可焊性好；無機活性劑，如氯化鋅、氯化銨等，通常無機活性劑的助焊活性強，但作用時間長，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，其含量應控制在0.2%以下。雖然活性劑的添加量少，但是在焊接時起很大的作用。4)觸變劑觸變劑主要是用來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。通過加入一定量的觸變劑，在攪拌時破壞分子間的氫鍵，可以達到切變變稀的效果。觸變劑觸變的原理是:觸變劑顆粒在溶劑中發(fā)生腫脹，其分子的極性基團之間會產(chǎn)生微弱的氫鍵結合，而高級脂肪酸部分則呈現(xiàn)近似的層狀結構，以膠體狀分散，從而形成觸變結構。最常用的流變添加劑為蓖麻油及其衍生物和聚酰胺類。它們多為碳氫化合物，在免清洗焊錫膏和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)，如酚類抗氧化劑（BHT、苯酚等）。6)緩蝕劑對某些特定的焊盤金屬選擇緩蝕劑，加入緩蝕劑能保護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物質(zhì)來調(diào)整助焊劑的酸性，而調(diào)整助焊劑的堿度需加入有機酸，如一元酸、二元酸等（己酸、甲基丁二酸、己二酸、葵二酸等）。在無機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消光，在操作和檢驗時克服眼睛疲勞和視力衰退。一般加入無機鹵化物、無機鹽、有機酸及其金屬鹽類，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粘度香港城市大學研究了焊錫膏的粘性對表面組裝焊點的機械性能和多孔性的影響，發(fā)現(xiàn)焊錫膏的粘度越大，焊點中多孔的區(qū)域越多，當粘度的變化為35.3-213kcp時，對應的多孔區(qū)域所占的比例為3.0-9.9%。在對焊錫膏的熱失重分析中發(fā)現(xiàn):在錫粉熔化前，有機物含量高(粘度較低)的焊錫膏的揮發(fā)率大大地高于有機物含量低的焊錫膏;但在熔化后，揮發(fā)率卻低于有機物含量低的焊錫膏;剪切測試表明使用有機物含量高的焊錫膏得到的焊點有更高的剪切強度。當粘度的變化為213-35.3kcp時，對應的焊點剪切強度為35.3-46.3Mpa，增加了30%。以上說明要獲得高可靠性、高剪切強度的焊點，有機物含量高(粘度較低)的焊錫膏是可行的。2.2.2表面潤濕性的影響焊錫膏的潤濕性能測試表明:加入兩種不同類型的陽離子表面活性劑能互補地改善助焊劑的潤濕性能，當助焊劑中油酸季錢鹽的比例為0.5%和氟烷基梭酸錢鹽的比例為1%時，焊錫膏的潤濕性能最好。2.2.3合金粉的含量的影響對不同合金粉比例的焊錫膏的印刷性能進行測試，發(fā)現(xiàn)：調(diào)整焊錫膏的印刷性能可以通過調(diào)整合金粉的比例來實現(xiàn)。常見的合金粉比例為88.5%和89.0%時，焊錫膏的印刷性能最好。三.常見的參考配方：3.1無鉛焊錫膏成分質(zhì)量百分比成分說明錫（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－