001电子组装中助焊剂的选择_待续_

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 电子组装中助焊剂的选择 (待续 ) 史建卫 1 ,许愿 2 ,王建斌 2 ,梁权 1 (1. 日东电子科技 (深圳 )有限公司 ,广东 　深圳 　518103; 2. 德邦科技有限公司 ,山东 　烟台 　264006) 摘　要 :助焊剂是电子组装技术中最重要的材料之一 ,通过其去除材料表面氧化膜及污染物 等 ,保证钎料和母材之间很好地润湿 ,形成良好焊点。介绍了助焊剂的作用与组成、分类与性能要 求以及涂覆方式和工艺评定 ,有助于实际生产中助焊剂的选择与使用。 关键词 :电子组装 ;无铅化 ;助焊剂选择 中图分类号 : TN 604　　　文献标识码 : A　　　文章编号 : 1001 - 3474 (2009) 03 - 0181 - 04 Choice of Flux in Electron ic Assembly SH I J ian - we i1 , XU Y uan2 , W ANG J ian - b in2 , L IANG Quan1 ( 1. Sun Ea st Electron ic Technology Com pany L td, Shenzhen　518103, Ch ina; 2. Darbond Technology Com pany L td, Yan ta i　264006, Ch ina) Abstract: The flux is one of the important materials in electronic assembly, which get rid of oxide and contam ination of surface for solder materials in order to shape good solder joints by wetting between solder and solder pad. Introduce the function and components, kinds and performance, work styles and p rocess assess of flux, and help to choice and use of flux in p ractice. key words: Electronic assembly; Lead - free; Flux choice D ocum en t Code:A　　　Article ID : 1001 - 3474 (2009) 03 - 0181 - 04 　　助焊剂是电子组装技术中不可缺少的材料 ,其 通过物理与化学作用影响钎焊过程 ,最终形成可靠 的焊点。钎焊过程中熔融钎料与母材的润湿可以说 主要是取决于助焊剂的作用 ,钎焊接头的强度和抗 腐蚀性则主要取决于钎料以及它与母材的作用和关 系。钎料与母材的润湿能力与钎料的本性固然有相 当大的关系 ,但与助焊剂的作用相比则次要得多。 波峰焊工艺中助焊剂与钎料合金分开使用 ,而再流 焊工艺中助焊剂则作为焊膏的重要组成部分与钎料 合金一起使用 [ 1～2 ]。 1　助焊剂的作用与组成 助焊剂在电子组装软钎焊过程中主要作用为去 除钎焊区材料的表面氧化物 ,为液态钎料在母材上 铺展润湿创造必要条件 ;形成液态薄层覆盖母材和 钎料表面 ,隔绝空气而起保护作用 ,防止钎料合金再 氧化 ;起界面活性作用 ,降低液态钎料表面张力 ,改 善液态钎料对母材的润湿 ,增强焊点的传热能力 ;辅 助热传导 ,将热量传递到钎焊区。 作者简介 :史建卫 (1979 - ) ,男 ,硕士 ,毕业于哈尔滨工业大学 ,主要从事 SMT工艺与设备方面的研究工作。 181 第 30卷第 3期 2009年 5月 　　　　　　　　　　　　　　　 电 子 工 艺 技 术 Electronics Process Technology 　　　　　　　　　　　 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 　　助焊剂的概念非常广泛 ,包括熔盐、有机物、活 性气体和金属蒸气等 ,即除母材和钎料外 ,泛指第三 种用来降低母材和钎料界面张力的所有物质。有些 钎料与母材无论从相图上或实践上都是不能润湿 的 ,但通过适当助焊剂的作用却能使它们完全润湿 , 但接头强度和抗蚀性是很差的。助焊剂的主要成分 见表 1,包括成膜剂、活化剂、溶剂和添加剂等 [ 3 ]。 表 1　助焊剂的组成 助焊剂组成 典型原材料 不挥发 性物质 成膜剂 天然树脂 松香 合成 树脂 改性酚醛树脂、改性丙稀树脂、改性松 香、改性环氧树脂、聚氨基甲酸脂、聚 乙烯树脂、聚乙二醇和硬脂酸酚等 矿脂 矿物油、凡士林、纤维素和石脂等 不挥发 性物质 活性剂 无机酸 盐酸、正磷酸、氢氟酸和氟硼酸等 无机金 属盐 ZnCl2、SnCl2、CdCl2、PbCl2、NaCl、氟硼 酸镉和氟硼酸锌等 有机酸 乳酸、硬脂酸、柠檬酸、松香酸、苯二甲 酸、水杨酸、谷氨酸、油酸、安息香酸、 草酸和十二烷酸等 有机卤 化物 溴化水杨酸、溴化肼、盐酸联胺、盐酸 苯胺、盐酸二乙胺、盐酸谷氨酸、氢溴 酸肼、盐酸肼、十六烷基溴化吡啶、溴 化胺、十六烷三甲基溴化胺和二乙基 二甲基十六烷溴化胺等 胺、酰 胺等 乙二胺、三乙醇胺、苯胺、联胺、磷酸苯 胺、磷酸联胺、环乙烷二胺、环丁烷二 胺、二乙烯肼、二乙烯三胺、甘油和氟 碳等 不挥发性物 质添加剂 乳剂、甘油和润湿剂等 挥发 物质 溶剂及 稀释剂 水、乙醇、丙三醇、甲醇、异丙醇、聚乙 二醇、乙醚和松节油 1. 1　成膜剂 常用成膜物质有天然树脂、合成树脂剂和部分 有机化合物 ,加入量质量分数一般为 10% ～20% , 有时高达 40% ,过多会影响扩展率 ,使助焊剂性能 下降。加入成膜物质后助焊剂能形成一层致密的有 机膜 ,防止焊接过程中熔融合金进一步氧化。 免清洗助焊剂中 ,成膜物质还会形成机械、化学 性质稳定的有机膜 ,对焊点和基板等焊接部位起到 一定保护作用 ,具有防腐蚀性和优良的电气绝缘 性 [ 4 ]。在普通家电或要求不高的电器装联中 ,焊后 可不必清洗 ,以降低成本 ,而在精密电子装联中 ,即 使免清洗焊接也要焊后清洗。 1. 2　活性剂 活性剂是为了提高助焊剂性能而加入的活性物 质 ,加入的质量分数一般为 2% ～10% ,主要起到去 除氧化物的作用 ,同时还可降低合金表面张力。活 性剂的活性是指与表面氧化物等起化学反应的能 力 ,它反映了清洁金属表面和增强润湿性的能力。 活性剂的作用机理是 :在加热时释放出 HCl,微量的 HCl将钎料及被焊金属表面的氧化物转化为可溶于 水的氯化物 ,使其与清洁的金属表面分离开来。活 性剂的一般性质见表 2,包括分子量、活性温度及溶 解度等。 表 2　活性剂的一般性质 活性剂 分子量 活性剂 强度 活性剂活 性温度 活性剂对 水溶解度 小 →大 强 →弱 低 →高 易 →难 　　活性剂常分为无机活性剂和有机活性剂两种。 无机活性剂助焊性好 ,但作用时间长 ,腐蚀性大 ,不 宜在电子装联中使用 ;有机活性剂活性柔和 ,作用时 间短 ,腐蚀性小 ,电气绝缘性好 ,适宜用于电子装联 中。当活性剂为盐酸二乙胺、三乙胺时 ,加入量的质 量分数常为 1% ～5%。如果活性剂中含有氯化物 , 氯离子的质量分数通常在 0. 1% ～1. 0%之间 (根据 M IL - F - 14265规定 ,氯的质量分数应控制在 0. 2% 以下 ) ,随着其含量的提高 ,助焊剂的活性也在提 高 ,润湿速率迅速增大。但是当质量分数大于 1% 后作用就不再明显 ,此后如果再增加含量 ,反而会造 成铜层的腐蚀 ,说明活性剂用量的增加在改善可焊 性的同时 ,也会导致焊后表面绝缘电阻降低 ,产生不 应有的腐蚀性。 1. 3　溶剂 溶剂要与活性剂和触变剂兼容 ,不应是吸湿性 的 ,并且应该是高闪点和全挥发性物质 ,但不能是高 挥发性物质 ,在焊膏干燥前应当尽量保持 ,在干燥后 全部挥发掉 ,以免回流焊接时残留的溶剂沸腾 ,造成 空洞和焊球。溶剂加入量的质量分数一般为 1% ～ 7% ,应具有对助焊剂中各种固体成分均具有良好的 溶解性 ,常温下挥发程度适中 ,在焊接温度下迅速挥 发 ,气味小 ,毒性小等特点。常见的溶剂有醇类和醚 类 ,其中在水洗型焊膏中多元醇应用最为广泛 ,比如 乙醇 (78. 1 ℃)和异丙醇 ( IPA 82. 5 ℃)等 ,因为它 的羟基特别多 ,完全挥发的温度高 ,焊接时有更强的 还原性 ,能减小表面张力 ,促进润湿。在松香型焊膏 中醚类应用最为广泛 ,其具有较高的熔点并且对松 香的溶解能力强。 1. 4　添加剂 添加剂是为适应工艺和环境而加入的具有特殊 281 　　　　　　　　　　　　　　电 子 工 艺 技 术 　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 30卷第 3期 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 物理和化学性能的物质。常用添加剂有 pH 调节 剂、消光剂、缓蚀剂、光亮剂、阻燃剂、润湿剂和发泡 剂等。 (1) pH调节剂 : pH调节剂是为酸性而加入的 材料 ,如三乙醇胺 ,在无机类助焊剂中加入盐酸 ,除 了可以调节酸性 ,还可抑制氧化锌生成 ; (2)消光剂 :消光剂可以使焊点消光 ,在操作和 检验时克服眼睛疲劳和视力衰退。消光剂材料一般 为无机卤化物、无机盐、有机盐、有机酸及其金属盐 类 ,如氯化锌、氯化锡、滑石、硬脂酸、硬脂酸铜、钙 等 ,加入量的质量分数约为 5% ,添加的高级脂肪酸 在焊接温度下生成脂肪酸盐 ,急速冷却后呈微细晶 体析出 ,附着在焊点表面形成一层薄膜 ,使反射光变 成漫反射 ,达到消光目的 ; (3)缓蚀剂 :缓蚀剂大多是以氮化合物为主体 的有机物 ,能保护印制板和元件引线 ,具有防潮、防 霉和防腐蚀性能 ,保持优良的可焊性 ; (4)光亮剂 :光亮剂材料一般为甘油和三乙醇 胺等 ,能使焊点发光 ,加入量质量分数约为 1% ; (5)阻燃剂 :阻燃剂可提高抗燃性以保证助焊 剂使用安全 ,如 1. 3 -二溴丙醇等 ; (6)触变剂 :触变剂主要用于调节焊膏的黏度 及印刷性能 ,起到印刷中防止出现拖尾和粘接等现 象。触变剂一般都是高熔点溶剂 ,由乳化石蜡及其 它物质组成 ,质量分数一般为 5% ,作为增黏剂或副 溶剂 ,起调解剂的作用 ,控制焊膏具有膏状或胶状物 理特性 ,外形上具有一定固态性质 ,提供胶状结构保 持悬浮状态而不至于发生沉淀。触变剂的作用机理 是触变剂颗粒在溶剂中发生肿胀 ,其分子的极性基 团之间会产生微弱的氢键结合 ,而高级脂肪酸部分 则呈现近似的层状结构 ,以胶状体分散 ,从而形成触 变结构 ,在搅拌时破坏分子间的氢键 ,可以达到切变 变稀的效果 ; (7)黏稠剂 :当焊膏黏度不够而欲增加时 ,比起 水溶性焊膏来要困难的多 ,因限制太多 ,故焊膏中可 用的增稠剂也很有限。最常见的就是一种就是改质 蓖麻油的衍生物 ,其是一种三元酯类的油酸 ,外貌呈 现一种不干性的油类 , 其中蓖麻油质量分数为 90% ,其是一种 18个碳的链状化合物 ,在 9碳到 l0 碳之间有双键 ,在 12碳上有 OH基。此种蓖麻油可 进行氢化或胺化而得以改质 ,因而其已具有氧化状 态的安定性及无吸水性。与助焊剂混合时 ,要特別 注意到加入的时机、温度及搅拌的大小 ,当其完全分 散才会呈现胶状情形。 无铅助焊剂不只是简单地混入一些替代物 ,更 重要的是每一种元素都对钎料抗氧化能力、表面张 力、回流及防潮有一定影响 ,并具有自己独一无二的 特性。钎料与助焊剂的配方必须针对某种具体的金 属而定。 2　助焊剂的分类 助焊剂分类的方法很多 ,通常按照活性、腐蚀 性、基材和清洗方式来划分。按腐蚀性划分可分为 高腐蚀性的 (无机酸 )、腐蚀性的 (有机酸 )、中等腐 蚀性的 (基于天然松香 )和非腐蚀性的 (免洗或低残 留物助焊剂 )四种 ;按基材划分可分为酸系助焊剂 和树脂系助焊剂 ,再细分为无机酸、有机酸、天然松 香与人造松香 ,见表 3;按清洗方式可分为有机溶剂 清洗型、水清洗型和免清洗型 [ 5～7 ]。 表 3　助焊剂的总分类 酸系 无机酸( IN) 无机酸 无机盐 酸系 有机酸(OR) 有机酸 (羧酸和谷氨酸等 ) 有机卤素 (氯化胺和苯胺等 ) 树脂系 天然 松香 (RO) 无活性 (纯 )松香 (R, w≥75% ) 中等活性松香 (RMA, w≥80% ) 完全活性松香 (RA, w≥90% ) 超活性松香 ( SRA, w≥95% 树脂系 人造松香 /合成树脂 (RE) 注 : RMA以波峰焊和再流焊方式大量使用在商业电子中 ; RA广泛用于工业和消费类电子产品的制造 ,适当的助焊 剂配合下可常留在组件上不清洗 ; SRA普遍被用于双波 峰焊接中 ,除含有少量天然松香外 ,还含有合成树脂 ,其 活性随活化剂等级变化 ,属于合成型松香系助焊剂 ,残留 物较软 ,室温下呈液态 ,比松香助焊剂更易去除。 　　高腐蚀性无机酸助焊剂很少在电子工业中使 用。天然松香助焊剂可以用水洗或溶剂方法来清 洗 ,中等腐蚀性天然松香和人造松香助焊剂具有与 OR助焊剂可比的活性 ,因此大量使用在商业电子 中 ,并设计为溶剂清洗型 (OR 助焊剂是用于水洗 的 )。非腐蚀性助焊剂具有很低的活性 ,一般设计 为免清洗型。 波峰焊接工艺中可使用免洗焊剂、RMA、RA和 OR类焊剂 ,回流焊接工艺中可使用免清洗焊剂、天 然松香和 OR焊剂 ,其中 RA焊剂很少在锡膏中使 用。不管使用哪种类型助焊剂 ,都必须提供工作所 需的活性水平与板的清洁度要求之间的良好平衡。 J - STD - 004描述了每个分类中三种助焊剂活 性或腐蚀性水平 : L (低 )、M (中 )和 H (高 )。每一个 3812009年 5月 　　　　　　　　　　　　　　史建卫 :电子组装中助焊剂的选择 (待续 ) © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 次分类中进一步地分级由数字 0和 1表示 , 0表示 不含卤素 ,而 1在低活性助焊剂中表示卤素的质量 分数小于 0. 5% ,在中等活性助焊剂中表示卤素的 质量分数介于 0. 5% ～2. 0% ,在高活性助焊剂中表 示卤素质量分数大于 2. 0%。值得注意的是该 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的卤素含量表示方法与以前其它标准形式一样 ,但 含义不同 ,这是由于测试方法不同所造成的 ,本标准 引用的测试方法基本来自 IPC - TM - 650,其卤素含 量是指卤素占焊剂固体部分的含量 , 旧标准如 GB9491或 J IS Z3197 - 86等则是指卤素占整个焊剂 的含量 ,因此 ,用 J - STD - 004 标准规定的卤素含 量常常比旧标准的规定高得多 ,它们之间无法直接 进行比较。另外若是含有松香的助焊剂 ,则在 L、M 和 H代字后加上“R”。J - STD - 004基于材料成分 和卤化物含量的助焊剂分类见表 4。 表 4　基于材料成分和卤化物含量的助焊剂分类 树脂系助焊剂种类 酸系助焊剂种类 天然松香 有机酸 天然松香低 (0) L0 有机酸低 0 L0 天然松香低 (w <0. 5% )L1 有机酸低 (w < 0. 5% ) L1 天然松香中 (0) M0 有机酸中 (0) M0 天然松香中 (w = (0. 5～ 2. 0) % ) M1 有机酸中 (w = (0. 5～ 2. 0) % ) M1 天然松香高 (0) H0 有机酸高 (0) H0 天然松香高 (w >2. 0%) H1 有机酸高 (w > 2. 0% ) H1 人造松香 无机酸 人造松香低 (0) L0 无机酸低 (0) L0 人造松香低 (w <0. 5% ) L1 无机酸低 (w < 0. 5% ) ) L1 人造松香中 (0) M0 无机酸中 (0) M0 人造松香中 (w = (0. 5～ 2. 0) % ) M1 无机酸中 (w = (0. 5～ 2. 0) % ) M1 人造松香高 (0) H0 无机酸高 (0) H0 人造松香高 (w >2. 0%) H1 无机酸高 (w > 2. 0% ) H1 注 : L0和 L1无腐蚀 ,可清洗也可不清洗 ; M0和 M1轻微 腐蚀 ,可清洗也可不清洗 ; H0和 H1较重腐蚀 ,需清洗。 2. 1　无机类助焊剂和有机类助焊剂 无机类助焊剂包括无机酸和无机盐两大类。无 机酸包括盐酸和氢氟酸等 ,常与水、酒精或凡士林混 合使用 ,具有很高的化学活性 ,直接与氧化物反应 , 去除氧化物能力极强 ,但使用后有强烈的腐蚀性 ,需 要清洗。无机盐包括氯化锌、氯化锡、氯化亚铅、氟 化钠或钾等 ,去氧化膜时 ,先与水形成络合酸 ,再与 氧化物反应 ,生成易溶的共晶盐而被清除。无机类 助焊剂残留物可能引起腐蚀和严重的局部失效 ,存 在潜在的可靠性问题 ,一般用于非电子应用。 有机类助焊剂包括有机胺盐、胺和酰胺类有机 物、有机酸及树脂四大类。 2. 1. 1　有机胺盐 有机胺盐包括磷酸苯胺、盐酸肼、盐酸二乙胺、 盐酸苯胺、盐酸烃胺、盐酸谷胺酸和脂酸溴化物等。 有机胺盐一般是由碱性的胺、肼等与酸生成的可熔 性盐 ,对温度敏感 ,在钎焊加热过程中 ,分解为碱性 和酸性两部分去除氧化膜。焊后冷却过程中 ,剩余 的酸与碱性的胺又结合起来 ,减轻了残渣的腐蚀性。 此类物质比其余有机助焊剂更具有腐蚀性 ,要求进 行认真的焊后清洗。 2. 1. 2　胺和酰胺类有机物 胺和酰胺类有机物包括尿素、乙二胺、乙酰胺、 三乙醇胺、二乙胺和单乙醇胺等。胺和胺的各种衍 生物也被用作助焊剂材料 ,最普通的就是磷酸苯胺。 胺及酰胺类有机物助焊剂作用机理是 :钎焊过程中 , 其与 Cu +等形成胺铜配位化合物 ,达到去膜目的 ; 在随后加热过程中又可能热分解析出活性铜 ,与钎 料和母材之间发生作用 ,降低界面张力 ,促进润湿铺 展。这类物质由于不含卤化物 ,因而成为许多专利 助焊剂的添加剂。 此类助焊剂焊后具有一定的腐蚀性 ,且对温度 非常敏感。 (未完待续 ) 参考文献 : [ 1 ]　吴兆华 ,周德检. 表面组装技术 [M ]. 北京 :国防工业 出版社 , 2001. 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