轉(zhuǎn)自半導(dǎo)體封裝工程師之家

張瑩潔、陳斌、丁勇、王玉、劉子蓮、倪毅強(qiáng)

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所、中聯(lián)重科股份有限公司、

中興通訊股份有限公司）

摘要：

焊錫膏的材料一致性關(guān)乎產(chǎn)品的批次穩(wěn)定性，有必要開展對焊錫膏成分的定性定量分析研究工作。采用熔融冷卻、溶劑溶解和離心分離等手段對焊錫膏進(jìn)行預(yù)處理，得到金屬、溶液和懸浮物三部分。再通過電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）、傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)對這三部分的成分進(jìn)行定性定量分析。結(jié)果表明：焊錫膏中各成分和含量（以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)）分別是錫（85.5443）、銀（2.5502）、銅（0.4498）、三丙二醇單丁醚（5.7625）、2-乙基咪唑（0.3494）、正葵酸（0.1460）、己二酸（0.4915）、苯并三氮唑（0.1706）、5-甲基苯并三氮唑（0.1017）、2.4-二叔丁基苯酚（0.0065）、白油（0.6899）、酰胺類低聚物（0.1081）和松香（3.6295）。提出了針對焊錫膏產(chǎn)品的成分定性定量分析研究方法，具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

1引言

隨著電子設(shè)備往高頻、高速、大功率、高集成度方向的發(fā)展，電子裝聯(lián)產(chǎn)品對可靠性的要求越來越高，而對產(chǎn)品裝聯(lián)起到關(guān)鍵作用的是由焊錫膏的品質(zhì)所決定的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子產(chǎn)品72%的損壞和缺陷與焊錫膏的質(zhì)量有很大關(guān)系，因而，焊錫膏的成分和性能對電子裝聯(lián)產(chǎn)品而言，顯得尤為重要。為了確保焊錫膏材料的一致性，提升電子裝聯(lián)產(chǎn)品的可靠性，有必要開展對焊錫膏成分的定性定量分析研究工作。

焊錫膏通常由焊料合金粉末和助焊膏兩部分經(jīng)均勻混合攪拌而制得，其組分復(fù)雜，往往由金屬、有機(jī)小分子和高分子等多種成分構(gòu)成；而且在樣品含量上，不同組分之間的差異懸殊，通常都是常量和微量組分共存一體，有時(shí)起關(guān)鍵作用的成分可能很微量，可見，對于焊錫膏產(chǎn)品的定性定量綜合分析難度較大。目前，對于焊錫膏產(chǎn)品，大部分文獻(xiàn)主要集中在助焊劑部分的定性分析研究，如張玉等采用甲酯化法處理活化粉，經(jīng)GC-MS定性分析了活化粉的活性物質(zhì)?？妭サ炔捎脷赓|(zhì)聯(lián)用法對焊膏助焊劑的化學(xué)成分進(jìn)行分析。這些研究都沒有涉及焊錫膏成分的定量分析。

本文主要利用GC-MS，F(xiàn)T-IR，ICP-OES，對焊錫膏產(chǎn)品進(jìn)行定性定量綜合分析，確認(rèn)了焊錫膏的組成及各組分含量。研究過程和數(shù)據(jù)處理方式可以為焊錫膏類產(chǎn)品的成分綜合分析提供思路，指導(dǎo)研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用工作的開展。

2試驗(yàn)方法

2.1 主要試驗(yàn)試劑 

甲醇（上海凌峰化學(xué)試劑有限公司，色譜純&分析純）；異丙醇（廣州化學(xué)試劑廠，色譜純&分析純）；二氯甲烷（國藥化學(xué)集團(tuán)，色譜純&分析純）；正己烷（國藥化學(xué)集團(tuán)，色譜純&分析純）；某品牌無鉛焊錫膏（SAC305）。

2.2 試驗(yàn)儀器及條件

FT-IR：傅里葉變換紅外光譜儀，透射模式，掃描波長為400~4000 nm，分辨率為4 cm -1 ，掃描次數(shù)為32次。

ICP-OES：電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀。高頻發(fā)射器功率為1.2 kW，等離子氣流量12 L/min，輔助氣流量1 L/min，霧化氣流量0.7 L/min。

GC-MS：氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀。色譜柱DB-5MS，30 m×0.25 mm×0.25 μm；進(jìn)樣口溫度280 ℃；柱溫初溫45 ℃，升溫程序是以10 ℃/min的速率由45 ℃升至300 ℃后，保持10 min；載氣為高純氦氣，流速1 mL/min；進(jìn)樣量1 μL，分流比為30∶1；溶劑延遲2 min。電離源EI，電離電壓70 eV，離子源溫度為230 ℃，接口溫度為250 ℃，四級桿溫度為150 ℃，掃描范圍29～450 amu，全掃描方式，其他條件為調(diào)諧值。

2.3 試驗(yàn)方法流程

處理樣品的具體步驟為：1）稱取一定量焊錫膏放置在燒杯中，加熱熔融后冷卻，并用合適溶劑清除助焊劑，得到金屬部分。2）稱取一定量焊錫膏置于10 ml標(biāo)準(zhǔn)離心管中，然后用一定量有機(jī)溶劑正己烷，或二氯甲烷，或異丙醇甲醇混合液（體積比為9:1）溶解離心，得到溶劑與懸浮物混合液。3）對混合液離心分離，得到溶劑部分和懸浮物沉淀部分。4）對懸浮物集中收集后，依次用正己烷、二氯甲烷、異丙醇甲醇混合液（體積比為9:1）各淋洗3次，得到懸浮液部分。試驗(yàn)方法流程如圖1所示。

3試驗(yàn)結(jié)果

3.1 金屬部分

稱量金屬部分質(zhì)量，可求得金屬部分在焊錫膏中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88.55%。

采用ICP-OES對金屬部分進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果見表1。測試結(jié)果顯示主要有銀和銅兩種金屬元素，另外還有鋁、鐵、銻、鉛等雜質(zhì)元素。而錫（Sn）含量由余量法可知，為96.6056%。

3.2 溶劑部分

考慮焊錫膏中助焊膏成分復(fù)雜，且部分組分微量，不利于分離后定量分析，故未進(jìn)行其他分離操作，而是采用不同極性的溶劑溶解樣品后，直接按用GC-MS測定，將其結(jié)果與NIST14譜圖庫對照。用不同溶劑溶解后的溶液的分析結(jié)果詳見表2、表3和表4，其中微量的二丙二醇單丁醚、2-（2-羥基丙氧基）-1-丙醇、四乙二醇二甲醚、二乙氧基甲烷來源于三丙二醇單丁醚在測試過程中的解離，另外檢索出的多種飽和烷烴信號(hào)，表明含有白油。綜合不同溶劑溶解后溶液的分析結(jié)果可知：溶劑部分主要物質(zhì)是三丙二醇單丁醚、2-乙基咪唑、正葵酸、己二酸、苯并三氮唑、5-甲基苯并三氮唑、2.4-二叔丁基苯酚、白油和松香。

對上述結(jié)果中各組分進(jìn)行定量分析：采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配制不同濃度梯度的溶液，按上述條件用GC-MS測定，根據(jù)峰面積與濃度的相關(guān)關(guān)系繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，并計(jì)算各組分溶解后的濃度，分析結(jié)果見表5。 

3.3 懸浮物部分

將懸浮物質(zhì)烘干稱重后，可求得懸浮物在錫膏中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1081%。

使用紅外光譜儀對其進(jìn)行測試，其紅外光譜如圖2所示。3308 cm -1 是酰胺基-NH的伸縮振動(dòng)；2921cm -1 和2850 cm -1 是-CH 2 伸縮振動(dòng)；1645 cm -1 是羰基-C=O的伸縮振動(dòng)；1557 cm -1 和1256 cm -1 是N-H彎曲和C-N伸縮振動(dòng)；1468 cm -1 是CH 2 對稱彎曲振動(dòng)；3080 cm -1 是1557 cm -1 的倍頻；720 cm -1 是-CH 2的面內(nèi)彎曲振動(dòng)；690 cm -1 是N-H面外搖擺振動(dòng)。由紅外結(jié)果可知懸浮物質(zhì)是酰胺類低聚物。

3.4 綜合分析

結(jié)合金屬部分、溶液部分和懸浮液部分結(jié)果，并結(jié)合公式（1）和公式（2），可得焊錫膏各組分及含量，其中松香為混合物，無法精確定量，含量通過余量法求得。分析結(jié)果見表6。

式中：ω 金屬為金屬部分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ω 1 為在金屬部分中各金屬成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ω 溶液為溶液部分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ω 2 為在溶液部分中各有機(jī)物質(zhì)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；m 溶劑 為溶劑質(zhì)量；m 0 為初始焊錫膏質(zhì)量。

4結(jié)論

本文通過對焊錫膏采取熔融冷卻、不同有機(jī)溶劑溶解和離心分離等分離提取方法，將金屬、溶液和懸浮物部分成功分離，并采用GC-MS，F(xiàn)T-IR，ICP-OES等分析手段對各部分進(jìn)行定性定量分析。本文提供的分析方法和思路可以為焊錫膏的成分定性定量分析提供有效參考，為焊錫膏材料一致性分析提供研究基礎(chǔ)，為提升電子裝聯(lián)產(chǎn)品的可靠性提供了保障。

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