無鉛焊錫助焊膏配方分析
發布時間:2012/8/31 11:01:59 來源(yuan)：陳工(gong) 字體: 
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導讀：助(zhu)焊膏在焊接過程中(zhong)能去除氧化物，降低被焊接材質(zhi)表(biao)面張力，廣(guang)泛應用于鐘表(biao)儀器(qi)、精密部(bu)件、醫(yi)療(liao)器(qi)械、移動通信、數碼產品及各類PCB板(ban)和BGA錫球的(de)釬焊．本(ben)(ben)文(wen)主(zhu)要介紹了助(zhu)焊膏的(de)產生背景(jing)，組成(cheng)，參考(kao)配方等(deng)．需(xu)注意的(de)是(shi)，本(ben)(ben)文(wen)中(zhong)的(de)助(zhu)焊膏配方僅(jin)做為參考(kao)，且其中(zhong)的(de)具(ju)體數據(ju)經過修改，如需(xu)要了解更多，可以(yi)聯系我們的(de)相關技術人(ren)員．
關鍵詞：助焊膏配方(fang) 禾川化工
一.背景
出現在20世紀70年代的表面貼裝技術(Surface Mount Assembly，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，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，將被焊元器件與基板互聯在一起形成永久連接。
焊錫膏的成分
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成分 |
質量百分比 w/% |
體積百分比 V/% |
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合金焊料粉末 |
85~90% |
50~60% |
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助焊劑、添加劑 |
10~15% |
40~50% |
2.1.1合金粉末
合金粉末：合金粉末由熔融態焊錫合金經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，在焊接電子產品中應用最為廣泛。但是，傳統SnPb釬料中的鉛作為危害人類健康和污染環境的有害物質，已被歐盟、美國、日本以及我國等列入電子材料禁用物質。
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，產生許多焊后缺陷，影響焊點質量和可靠性。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，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，比促使熱從熱源區向焊接區傳遞，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。
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節均勻的作用，并對焊錫膏的粘性起到一定的調節作用，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) 常溫下揮發程度適中，在焊接溫度下迅速揮發；
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，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
成膜物質主要是指松香、樹脂類物質和脂類物質。常用的成膜物質有松香、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，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，是調節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。可將活性劑分為有機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、調節焊錫膏的勃度以及印刷性能，起到在印刷中防止出現拖尾、粘連等現象的作用。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生腫脹，其分子的極性基團之間會產生微弱的氫鍵結合，而高級脂肪酸部分則呈現近似的層狀結構，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，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。
7)調節劑
調節劑主要是為了調整助焊劑的酸堿度，最常用三乙胺、三乙醇胺或者其他的胺類物質來調整助焊劑的酸性，而調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，發現焊錫膏的粘度越大，焊點中多孔的區域越多，當粘度的變化為35.3-213kcp時，對應的多孔區域所占的比例為3.0-9.9%。在對焊錫膏的熱失重分析中發現:在錫粉熔化前，有機物含量高(粘度較低)的焊錫膏的揮發率大大地高于有機物含量低的焊錫膏;但在熔化后，揮發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，發現：調整焊錫膏的印刷性能可以通過調整合金粉的比例來實現。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
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成分 |
質量百分比 |
成分說明 |
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錫（Sn） |
82-84% |
焊料 |
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銀（Ag） |
3-4% |
焊料 |
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銅（Cu） |
0.3-1% |
焊料 |
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鎂（Mg） |
0.1-0.3% |
焊料 |
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脫氫松香 |
3-6% |
成膜物質 |
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十六烷基溴代吡啶 |
0-1% |
表面活性劑 |
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葵二酸 |
1-4% |
活化劑 |
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乙二胺 |
1-3% |
調節劑 |
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二乙二醇單丁醚 |
1-3% |
溶劑 |
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二乙二醇單己醚 |
2-5% |
溶劑 |
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雙硬脂酸酰胺 |
0-1% |
觸變劑 |
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BHT |
0-1% |
抗氧化劑 |
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2,3－二溴丙醇 |
0-1% |
阻燃劑 |
3.2焊錫膏用助焊劑的配制（無金屬焊料）
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成分 |
質量百分比 |
成分說明 |
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聚合松香 |
20-40% |
成膜物質 |
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岐化松香 |
20-40% |
成膜物質 |
|
聚異丁烯 |
10-30% |
增粘劑 |
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改性氫化蓖麻油 |
5-15% |
觸變劑 |
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戊二酸 |
0-3% |
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2, 3 - 二溴- 2 - 丁烯- 1, 4- 二醇 |
0-3% |
活性劑 |
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二甘醇二丁醚 |
25-45% |
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BHT |
0-2% |
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三乙醇胺 |
0-2% |
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五.市面常見焊錫膏
無鉛焊錫膏、高溫無鉛焊錫膏、0.3銀無鉛焊錫膏、低溫無鉛焊錫膏
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