溶剂对助焊剂性能的影响

第28卷 第9期 电 子 元 件 与 材 料 Vol.28 No.9 2009 年 9 月 ELECTRONIC COMPONENTS AND MATERIALS Sep. 2009 溶剂对助焊剂性能的影响 周永馨，雷永平，夏志东，徐冬霞，尹兰礼 （北京工业大学 材料科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，北京 100124） 摘要: 选用四种不同的醚与单一醇复配作为溶剂配制出四种助焊剂。通过扩展试验、润湿力试验和表面绝缘电 阻测试，评价各种助焊剂的性能。结果表明，溶剂种类对焊料的平均扩展率、润湿性能和表面绝缘电阻均有影响； 沸点与焊料熔点相近的溶剂所配助焊剂使焊料具有 75.4%的平均扩展率；对活化剂有最好溶解能力的溶剂可提高润 湿速率约 12.5%。 关键词: 溶剂；助焊剂；润湿性；表面绝缘电阻；平均扩展率 doi: 10.3969/j.issn.1001-2028.2009.09.019 中图分类号: TG407 文献标识码:A 文章编号:1001-2028（2009）09-0069-04 Influence of the solvent on the flux performances ZHOU Yongxin, LEI Yongping, XIA Zhidong, XU Dongxia, YIN Lanli (The College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China) Abstract: In order to study the effect of various solvents on the performances of flux, four kinds of ethers and a certain alcohol were mixed to prepare four different kinds of fluxes. Moreover, the performances of flux were investigated with the tests of expansion、wettability and surface insulation resistance. The results indicate that the solvents types have the effects on the average spread rate, the wettability and the surface insulation resistance. The solvent whose boiling point closes to the solder melting point has the average spread rate of 75.4%. The solvent which has strong dissolving capacity for activator can promote the flux active and increase the wetting rate about 12.5%. Key words: solvent; flux; wettability; surface insulation resistance; average spread rate 松香型助焊剂的主要组分有活化剂、触变剂、 改性松香和溶剂。其中溶剂是助焊剂的重要组成部 分，助焊剂中的溶剂既要对焊接表面起到良好的保 护作用,又要有适当的黏度，一般情况下多采用有机 溶剂。这是因为有机溶剂一方面提供一种电离环境， 让松香酸和有机酸在有机溶剂中电离出游离的 H+； 另一方面还起到一种载体作用，在焊接过程中，载 着游离的 H+去除氧化膜，同时，载着其他助焊剂成 分起着助焊作用[1]。 近几年来，有关无铅钎料的研究工作发展很快。 Sn-Ag-Cu 合金以其优良的润湿性能和力学性能，受 到了国内外的广泛关注[2]。但是由于 Sn-Ag-Cu 无铅 焊料合金的熔点比传统 SnPb焊料熔点高出约 35 ℃， 这就出现了由于钎焊温度的提高带来的焊料高温氧 化严重的问题。因此，无铅焊接对助焊剂的性能也 提出了更高的要求。助焊剂必须具有较好的热稳定 性和高温下的活性，才能达到较好的焊接效果。这 样，作为助焊剂组分之一的溶剂的选择就至关重要。 溶剂的沸点若过低，在焊接过程中，溶剂易过早挥 发，H+过早失去电离环境；溶剂的沸点若过高，则 焊后残留物增加[1]。因此，笔者选用的溶剂为沸点接 近无铅焊料焊接温度的乙基己二醇，但是使用单一 的醇类作为溶剂很难获得良好的铺展效果，所以考 虑使用多组分溶剂进行复配处理。笔者采用二元醇 和适量的醚按体积比 1:1 的比例进行复配作为溶剂 的思路制备助焊剂。加入醚主要是考虑到醚在焊接 收稿日期：2009-05-06 通讯作者：雷永平 基金项目：国家“十一五”计划重点资助项目（No. 2006BAE03B02）；2006 年度高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（No. 20060005006）； 北京市高校“学术创新团队计划”资助项目 作者简介：雷永平（1957―），男，陕西西安人，教授，博士，当前研究方向为先进电子连接材料与技术，E-mail: yplei@bjut.edu.cn ；周永馨（1982―）， 女，内蒙古乌海人，硕士，当前研究方向为先进电子连接材料，E-mail: zhouyx_2006@mails.bjut.edu.cn 。 研 究 与 试 制 70 周永馨等：溶剂对助焊剂性能的影响 Vol.28 No.9 Sep. 2009 中有三大好处：a)熔点高，对松香的溶解能力强；b) 可以起到表面活性剂和润湿剂的作用；c)在焊接过程 中能完全挥发[3]。 1 试验 1.1 助焊剂的制备与编号 为了便于比较，本试验选用了四种醚与乙基己 二醇配制溶剂进行试验。四种醚分别为二乙二醇乙 醚、二乙二醇丁醚、二乙二醇己醚和二乙二醇辛醚， 它们的沸点分别是 201.9，230.4，260.0 和 275.0 ℃。 采用这四种溶剂配制助焊剂，保持四种助焊剂中活 化剂、触变剂和改性松香的种类和含量不发生变化， 只是改变溶剂中醚的种类。助焊剂中的活化剂为二 元羧酸和有机胺的混合物，触变剂选用石蜡或蓖麻 油。使用以上四种助焊剂进行扩展试验、润湿力试 验和表面绝缘电阻(SIR)测试。为了便于说明，将各 种醚所制溶剂和助焊剂进行编号，如表 1 所示。 表 1 溶剂与助焊剂的编号 Tab.1 The codes of solvents and fluxes 醚的种类 溶剂 助焊剂 二乙二醇乙醚(A) A A 二乙二醇丁醚(B) B B 二乙二醇己醚(C) C C 二乙二醇辛醚(D) D D 1.2 扩展试验 （1）试片的制备 参考 GB/T2040，从规定的铜板(牌号为 T2)上切 取 25.0 mm×25.0 mm×0.5 mm 平整试片十二块。去油 后用#500 细砂纸去除氧化膜并用抛光膏抛光，再用 无水乙醇清洗干净并充分干燥。将试片放在温度为 (150±2) ℃的烘箱中氧化 1h，所有试片应放在烘箱的 同一高度上。试片从烘箱中取出后，放在密封的干 燥器中备用。 （2）焊球的准备 将 Sn3.0Ag0.5Cu 钎料剪为(0.300±0.005) g 的小 球，使用前先用丙酮清洗，再用无水乙醇清洗并干 燥，放入干燥器中备用。 （3）试验步骤 从干燥器中取出十二块试片(共四组)，在每块试 片的中部放一个焊料球，在其上滴约 0.1 mL 的焊剂， 然后将试片放在高于 Sn3.0Ag0.5Cu 熔点（217~220 ℃）约 30 ℃的热板上加热 60 s 取下。 1.3 润湿力试验 （1）试样的制备 根据文献 [5]介绍，对规格为 10.0 mm×30.0 mm×0.3 mm 的纯铜片试样进行去油、干燥和清洗等 预处理，室温下晾干，备用。 （2）试验步骤 试验采用日本 Malcom 公司的 SWB—2 润湿力 测量仪。将焊料放入焊料槽内并加热熔化，焊料槽 的加热温度设定为(260±3) ℃。浸入焊料深度为 2 mm，保持时间 10 s，浸入和提出速度均为 4 mm/s。 取四只试样依次使用四种助焊剂进行试验。 1.4 表面绝缘电阻测试 （1）试件的制备 所使用的试件图形如图 1 所示。试件用清洗剂、 自来水及去离子水清洗后，再用异丙醇漂洗并晾干。 最后测量试件的初始表面绝缘电阻值(Rs)并记录。选 取初始 Rs 不小于 1.0×1012 Ω 的试件若干块，备用。 每种助焊剂测试六块，并分为两组。 导线宽度：0.4 mm；导线间距：0.5 mm；试件厚度：1.5 mm 图 1 测量 SIR 的梳形试件图形 Fig.1 Schematic of comb pattern sample for SIR testing （2）试验步骤 分别将 0.3 mL 的助焊剂试样滴在六块试件上 (两组)，其中一组在(85±2) ℃烘箱中保持 30 min，取 出，冷却至室温待用。另一组试件在(260±5) ℃的焊 料槽上漂浮 3 s(有线路面向下)，焊完后表面不进行 处理，冷却至室温。然后将两组试样同时放入 40 ℃ 和相对湿度为 90%的试验箱中保持 96 h，在室温和 相对湿度为 90%的条件下恢复 1 h，用高阻仪(量程为 106~1017 Ω，电压为 D.C.500 V)，按图 1 所示分别测 1~2，2~3，3~4 和 4~5 点间的绝缘电阻(1 min 后读数)， 并记录[6]。选取每组中三块试件的最小值作为焊接 前、后的绝缘电阻值。 2 结果及讨论 2.1 扩展试验 图 2 为使用四种助焊剂进行扩展试验后焊料的 形貌(清洗后)，表 2 为扩展试验数据。 由表 2 可知，使用助焊剂 C 的焊料平均扩展面 积最大，焊点形状规则；使用助焊剂 D 的焊料平均 扩展面积最小，焊点形状较规则。这是由于 C 醚的 沸点与焊接温度最为接近，在焊接时，活化剂充分 溶解在溶剂 C 中发挥助焊作用。而 A 醚和 B 醚沸点 较低，在未达到焊接温度时就已部分挥发，导致助 焊剂浓度改变，致使活性物质析出，助焊剂性能下 降，所以扩展面积较小；D 醚沸点过高，对活化剂 第 28 卷 第 9 期 71 周永馨等：溶剂对助焊剂性能的影响 的溶解能力有限，虽然助焊剂 D 的保护效果好，但 是黏度太大，不利于 H+在溶剂中的游离，从而影响 焊接效果。 助焊剂 A 助焊剂 B 助焊剂 C 助焊剂 D 图 2 焊料扩展试验后形貌 Fig.2 Morphologies of solders after spread tests 表 2 扩展试验数据 Tab.2 Data of spread ability test 助焊剂 平均扩展面积/mm2 平均扩展率/% 焊点形状 A 56.63 73.10 较规则 B 57.28 73.28 规则 C 63.83 75.40 规则 D 50.29 71.23 较规则 另一方面，助焊剂中的活化剂为二元羧酸和有 机胺，经测定（见表 3），活化剂在溶剂 C 中的溶解 度为 51.6，大于其在其他三种溶剂中的溶解度，所 以在焊接过程中，助焊剂 C 中的有效 H+浓度增加， 从而使得助焊剂的活性增强，助焊性能优于其他三 种助焊剂。 表 3 溶解度与酸度试验数据 Tab.3 Data of dissolvability and acidity tests 溶剂 活化剂在溶剂中的溶解度(室温) 助焊剂的 pH 值(室温) A 31.8 4.04 B 38.0 3.98 C 51.6 3.71 D 48.8 3.52 2.2 润湿力试验 图 3 为不同助焊剂对焊料的润湿曲线，表 4 是 润湿试验相关数据。根据润湿力曲线中最大润湿力 图 3 润湿力曲线 Fig.3 The wetting force curves Fmax和润湿时间 t两个参数来评价助焊剂对焊料的润 湿性。Fmax 越大，t 越小，表明助焊剂的活性越好， 对焊料的润湿能力也越强。因为 Fmax 越大，说明润 湿过程中对母材的润湿程度越大，沾锡量越大；t 越 小，说明润湿过程发生越迅速[7]。 表 4 润湿力试验数据 Tab.4 Data of wetting tests 助焊剂 的编号 零交时间 t0/s 润湿上升 时间 t’/s 润湿时间 t/s 最大润湿力 Fmax/mN 最终润湿力 Fend/mN A 0.65 0.13 0.78 6.768 6.768 B 0.66 0.14 0.81 6.867 6.857 C 0.60 0.11 0.72 6.847 6.827 D 0.72 0.08 0.81 6.710 6.710 试验发现，四种助焊剂对焊料的最大润湿力 Fmax 相近，Fmax 和最终润湿力 Fend 的差距均不大于 0.02 mN，润湿性能的稳定性良好。这主要是由于助焊剂 的活化剂为有机酸和有机胺，酸和胺在常温下发生 中和反应，但是在焊接温度下，中和产物分解为有 机酸和有机胺，活性增强，促进润湿。反应原理如 下： M—COOH + HN—N → M—COOH : HN—N M—COOH : HN—N → M—COOH + HN—N 式中：M—COOH 为酸；HN—N 为胺；M—COOH: HN —N 为中和产物。 溶剂在以上的润湿过程中未发挥直接的助焊作 用，只是间接起到载体作用。但是由助焊剂 C 的润 湿时间 t 最短可知，对活化剂具有最好溶解能力的溶 剂能够使助焊剂的活性得到更好的发挥，提高润湿 速率约 12.5%，缩短润湿时间。 2.3 表面绝缘电阻测试 图 4 为梳形试件焊后形貌（未处理），表 5 为使 用四种助焊剂(8 组)的梳形试件表面绝缘电阻测试的 结果。根据 SJ/T 11273—2002 标准，试件焊后 Rs 应 不小于 108 Ω[8]。 助焊剂 A 助焊剂 B 助焊剂 C 助焊剂 D 图 4 梳形试件焊后形貌 Fig.4 Morphologies of comb pattern samples after soldering 5 mm 5 mm 5 mm 5 mm 0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3.0 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 11 1. 助焊剂 A 2. 助焊剂 B 3. 助焊剂 C 4. 助焊剂 D 1 2 3 4F / m N 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3.0 t / s – – – – 72 周永馨等：溶剂对助焊剂性能的影响 Vol.28 No.9 Sep. 2009 表 5 四种助焊剂的试件表面绝缘电阻测试结果 Tab.5 Results of the four group fluxes as samples for SIR tests 助焊剂 焊前绝缘电阻/Ω 焊后绝缘电阻/Ω A 7.8×109 7.0×109 B 4.7×1010 2.2×1010 C 2.7×1010 2.0×1010 D 1.7×1012 1.2×1011 如图 4 所示，试件挂锡均匀，无桥连，其表面 深色区域为焊后残留物覆盖所致，由图 4 可知，助 焊剂 A 和助焊剂 D 的残留物最多，助焊剂 B 次之， 助焊剂 C 最少。在八组试验中，使用相同助焊剂的 试件，其焊后绝缘电阻较之焊前阻值均有所下降， 这是由于四种助焊剂的焊后残留物在湿热条件下均 发生了吸潮现象。由试验结果可知(表 5)，使用助焊 剂 A 的梳形试件 Rs 最小，使用助焊剂 D 的梳形试件 Rs 最大；使用前三种助焊剂的梳形试件 Rs 下降幅度 较小，使用助焊剂 D 的梳形试件 Rs 下降的幅度最大， 下降了一个数量级。溶剂 A 中 A 醚的沸点为 201.9 ℃，低于 Sn3.0Ag0.5Cu 无铅焊料的熔点，在焊接时 挥发，造成活化剂中的有机酸和有机胺结晶析出， 在常温下，没有溶剂作为载体，有机酸和有机胺的 晶体无法进行中和反应，形成大量的羧酸类焊后残 留物，这些羧酸残留物不仅本身具有腐蚀性，而且 在湿热环境中发生吸潮，形成弱酸性电解质溶液， 腐蚀试件表面，造成表面绝缘电阻较低；溶剂 D 中 D 醚的沸点为 275.0 ℃，高出焊接温度约 15 ℃，在 焊接完成后，部分溶剂未挥发，残留在 PCB 表面， 这些醚类残留物中的—O—键易于和水形成氢键，故 易吸收环境中的水气，同时这些残留物将溶解其中 的水分运输到梳形电路表面，造成电化学腐蚀或电 化学迁移，增大了表面绝缘电阻的降幅。 3 结论 （1）使用不同溶剂的助焊剂对焊料的平均扩展 率影响不同。使用与焊料熔点最为接近的二乙二醇 己醚配制的助焊剂时，焊料平均扩展率最大。 （2）助焊剂对焊料的润湿性能与活化剂在溶剂 中的溶解度有关，对活化剂有较好溶解能力的溶剂 能够促进助焊剂活性的发挥，提高焊料润湿速率。 （3）虽然使用助焊剂 D 的梳形试件 Rs 降幅最 大，但其焊后 Rs 也为最大，其原因有待进一步考察。 参考文献： [1] 王友山. 无铅焊膏用松香型无卤素免清洗助焊剂的研究 [D]. 北京: 北京工业大学焊接研究所, 2006. [2] 郭康富, 康惠, 曲平. Sn-Ag-Cu 无铅钎料性能的研究 [J]. 现代焊接, 2007, (6): 14－16. [3] 王伟科, 赵麦群, 邬涛. 焊膏用免清洗助焊剂的制备与研究 [J]. 电 子工艺技术, 2006, 27(1): 8－13. [4] 全国量和单位标准化技术委员会. GB/T2040—2002 铜及铜合金板材 [S]. 北京: 中国标准出版社, 2002. [5] 马鑫, 何鹏. 电子组装中的无铅软钎焊技术 [M]. 哈尔滨: 哈尔滨工 业大学出版社, 2006: 24, 143. [6] 徐冬霞, 雷永平, 张冰冰, 等. 无VOC免清洗助焊剂焊后残留物的可 靠性评价 [J]. 电子元件与材料, 2008, 27(3): 68－71. [7] 史建卫, 何鹏, 钱乙余, 等. 焊膏工艺性要求及性能检测方法 [J]. 电 子工业专用设备, 2004. 33(12): 19－25. [8] 信息产业部. SJ/T 11273-2002 免清洗液态助焊剂 [S]. 北京: 中国标 准出版社, 2002. （编辑：陈渝生） 中国建设网络安全防御体系面临两大机遇 目前，中国面临着建设网络安全防御体系的重 大战略机遇。 过去，国际上把网络安全的焦点放在争取国际 共管互联网这一议题上，但这一议题因遭到美国的 反对而无法实现。现在，国际上正在进行第三次网 络革命，重新打造一个全新框架的第三代互联网(又 称未来互联网和未来网络>巳成为国际主流路线和 竞争热点。美国、欧洲和国际标准组织等都已经相 继投入这一领域的开发，这意味着中国也可以参与 这一领域的竞争，根据自己的需要，开发具有中国 特色的第三代互联网体系，全面而系统地解决网络 安全防御问题。 对于中国而言，面临的另一个战略机遇是，中国 在全新框架新型互联网开发方面，不但在时间上领先 于其他主要竞争者，而且在新技术体系研究方面也取 得了丰硕成果。中国的十进制网络在理论上完全可以 满足“知”、“根”、“自”、“底”这四大要求，而且是目 前唯一可以实现这四大要求的自主开发的技术体系， 可显著提高中国的网络安全性和防御能力。在十进制 底层网络结构基础上，中国还可以开发和使用新型网 络安全技术如地址加密等，形成一整套具有自主知识 产权和自主掌控的网络安全防御体系。 网络战时代的来临，给中国的网络安全带来了 严峻挑战，但同时创造了百年一遇的战略机遇。中 国的国家实力和科技不断进步，已经具备了自主开 发全新框架的网络安全防御体系的能力。 下一步中国要做的是，排除守旧型、引进型技 术思维对国家安全战略决策的干扰，尽快提出网络 安全防御体系的战略目标和技术要求，展开对中国 自身现有技术的调查和评估，特别是重视具有国际 领先水平的十进制网络技术，为其提供进一步发展 的战略性支持，争取早日建成新一代网络安全防御 体系。 （摘自中国电子报，2009-08-06）