【環(huán)球SMT與封裝】特約稿

吳懿平 博士

武漢光電國家實驗室 光電材料與微納制造部 教授

華中科技大學(xué) 連接與電子封裝中心 教授/博導(dǎo)

Email: ypwu@mail.hust.edu.cn

軟釬料與軟釬劑- 焊膏

      【摘要】《釬焊手冊》（第二版）是由北京大學(xué)張啟云教授主編的一部大型手冊，2008年由機(jī)械工業(yè)出版社出版。該書是一本理論和實際并重的工具書。全書以被釬焊的母材為主線，對釬焊技術(shù)進(jìn)行了詳盡介紹，其中包括軟釬焊。本人編寫了該書第二版的第四章“電子工業(yè)中的軟釬焊”。該書第一版的相同章節(jié)是由哈爾濱工業(yè)大學(xué)的方鴻淵教授編寫的，第二版的相關(guān)內(nèi)容是在此基礎(chǔ)上重新編寫的。本刊在前三期上分別連載發(fā)表了書中有關(guān)軟釬焊連接原理和軟釬焊料與軟釬劑的內(nèi)容，本期將刊載書中有關(guān)焊膏（釬料膏）的基本內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】焊膏軟釬料軟釬劑 無鉛

      焊膏又稱為錫膏或釬料膏。它和藥芯軟釬焊絲（俗稱焊錫絲）都是釬料合金與釬劑的復(fù)合體，其共同的特點(diǎn)是在釬焊時，釬料和釬劑是一次性同時施加上去的。本文僅向讀者介紹《釬焊手冊》（第二版）第四章中有關(guān)焊膏的相關(guān)內(nèi)容而略去焊錫絲的內(nèi)容。應(yīng)該指出的是，《釬焊手冊》（第二版）是在2008年出版的，而最近幾年來的焊膏技術(shù)又有了飛速發(fā)展，特別是在高密度封裝和芯片級封裝領(lǐng)域使用的焊膏又有了突破性發(fā)展。另外，關(guān)于釬料（焊）粉的技術(shù)也有了很大的發(fā)展。制備各種超細(xì)無氧釬料合金粉以及粒徑控制均不是難的事情了。

1 焊膏的組成與分類

       焊膏是由合金釬料粉、糊狀釬劑和一些添加劑混合而成的膏狀體。它是一種均勻的、穩(wěn)定的混合物，有一定粘性和良好觸變特性。在常溫下焊膏可將電子元器件初粘在既定位置，當(dāng)焊膏被加熱到一定溫度時，隨著溶劑和部分添加劑的揮發(fā)、合金粉的熔化，焊膏再流使被焊元器件與焊盤互連在一起，經(jīng)冷卻形成永久連接的焊點(diǎn)。

焊膏是表面組裝技術(shù)中重要的工藝材料，品種很多，通?？砂匆韵滦阅芊诸悾?/span>

(1) 合金釬料粉的熔點(diǎn)

        最常用的焊膏熔點(diǎn)為179-183°C，隨著所用金屬種類和組成的不同，焊膏的熔點(diǎn)可提高至250°C以上，也可降為150°C以下，可根據(jù)焊接所需溫度的不同，選擇不同熔點(diǎn)的焊膏。

(2) 釬劑的活性

      參照通用液體釬劑活性的分類原則，可分為無活性(R)，中等活性(RMA )和活性(RA)三個等級，根據(jù)PCB和元器件的情況及清洗工藝要求進(jìn)行選擇。

(3) 焊膏的粘度

       可分為低粘度焊膏、一般粘度的焊膏和高粘度焊膏等。焊膏的粘度變化范圍很大，通常為100-600Pa×s，最高可達(dá)1000Pa×s以上。依據(jù)施膏工藝手段的不同進(jìn)行選擇。

(4) 清洗方式

       分有機(jī)溶劑清洗、水清洗、半水清洗和免清洗等方式。從保護(hù)環(huán)境的角度考慮，水清洗、半水清洗和免清洗是發(fā)展的主流。

2 合金釬料粉

      合金釬料粉是焊膏的主要成份，約占焊膏重量的85%-90%，它是形成焊點(diǎn)和實現(xiàn)PCB板和元器件互連的重要材料。常用的合金釬料粉有錫-鉛(Sn-Pb)、錫-鉛-銀(Sn-Pb-Ag)、錫-鉛-鉍(Sn-Pb-Bi)、和無鉛釬料粉錫-銀（Sn-Ag）、錫-銅（Sn-Cu）、錫-銀-銅（Sn-Ag-Cu）、錫-鋅（Sn-Zn）等。合金釬料粉的成份和配比以及合金粉的形狀、粒度和表面氧化程度對焊膏的性能影響很大。

表1給出了幾種常用焊膏的金屬成份、熔點(diǎn)范圍、性質(zhì)及用途。

表1 常用焊膏的金屬成份、熔點(diǎn)范圍、性質(zhì)及用途

       最常用的合金成份為Sn63/Pb37、Sn62/Pb36/Ag2，Sn-Ag-Cu。其中尤其值得提出的是有錢焊料中的含銀體系，通常稱為摻銀釬料，它具有較好的物理特性和優(yōu)良的焊接性能，且不具腐蝕性，適用范圍極廣，其熔點(diǎn)僅為179-180℃，且2%銀的加入可提高焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度（拉伸強(qiáng)度為56.6MPa），還可防止銀離子在與元器件接觸過程中發(fā)生遷移。尤其是多層陶瓷電容器往往具有銀/鈀鍍層，當(dāng)采用只含Sn/Pb的焊膏時，銀鍍層會與釬料的接觸表面發(fā)生“溶蝕”現(xiàn)象，從而降低了焊點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度。

       有關(guān)焊料合金的詳細(xì)資料已在本刊專稿的其他文章中介紹過，本文就不再重復(fù)介紹了。關(guān)于焊粉特別是優(yōu)質(zhì)超細(xì)無鉛焊粉的制備技術(shù)和最新的用途等，我們也有相應(yīng)的研究和產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗，相關(guān)的內(nèi)容和最新的技術(shù)發(fā)展，將在以后的專稿中撰文介紹。

3 釬劑

       在焊膏中，釬劑可以看成是合金釬料粉的載體。其主要作用是清除被焊件以及合金粉表面的氧化物，使釬料迅速擴(kuò)散并附著在被焊金屬表面。焊膏中釬劑的組成與波峰焊及浸焊中用的釬劑基本相同，除活性劑、成膜劑、潤濕劑、穩(wěn)定劑和溶劑外，為改善粘接性、觸變性和印刷性，還需加入膠粘劑、增稠劑、觸變劑和其它添加劑。一般占整個焊膏質(zhì)量的8％-10％。釬劑的組成對焊膏的擴(kuò)展性、潤濕性、塌落度、粘度變化、清洗性、焊珠飛濺及貯存壽命均有較大形響。

根據(jù)焊膏的特性，焊膏中的釬劑除具備通用釬劑的基本要求外，還應(yīng)具備以下特點(diǎn)：

(1) 釬劑與釬料合金粉要能混合均勻；

(2) 要采用高沸點(diǎn)溶劑，防止再流焊時產(chǎn)生飛濺；

(3) 高粘度，使合金釬料粉與釬劑不會分層；

(4) 低吸濕性。防止因水蒸汽引起的飛濺；

(5) 氯離子含量低。

      焊膏中的釬劑包括活性劑、成膜劑和膠粘劑、潤濕劑、觸變劑、溶劑和增稠劑及其它添加劑。

3.1 活性劑

      與通用液體釬劑一樣，活性劑的主要作用是去除釬料粉和被焊件表面的氧化層，使焊接時表面張力減小，增加元器件引腳和焊盤的潤濕性，提高可焊性。對微細(xì)間距元器件，因為要采用小顆粒直徑的釬料粉，表面積大，要求活性高，而對免清洗焊膏，為了使腐蝕性試驗合格，并具的較高的表面絕緣電阻值，活性又不能太高。常用的活性劑有：

一元酸：丁酸、辛酸、C17-20飽和脂肪酸、亞油酸、油酸、對一羥基苯甲酸、對一甲氧基苯甲酸等。

       二元酸：丙二酸、丁二酸、己二酸、癸二酸、蘋果酸，β－羰基戊二酸、檸檬酸等。

胺:單乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、苯并三唑單乙醇胺，環(huán)己胺、四乙基氫氧化胺。

胺鹽：二乙胺·HBr、二乙胺·HC1、環(huán)己胺·HBr、環(huán)己胺·HCl、二苯胍·HBr、四正丙胺·HBr、二乙醇胺·HBr。

       焊膏的活性與添加的活性劑有關(guān)?；钚詣┝刻倏赡芤蚧钚圆疃绊懞附有Ч?，但活性劑量過多又會引起殘留量增加，甚至使腐蝕性增強(qiáng)，特別是對釬劑中的鹵素含量更需嚴(yán)格控制，對免清洗焊膏，釬劑中鹵素含量必須小于0.05%，甚至完全不含鹵素，其活性主要靠加入有機(jī)酸來達(dá)到。

3.2 成膜劑與膠粘劑

       成膜劑和膠粘劑的主要作用是防止合金釬料粉進(jìn)一步氧化，并具有一定的粘接作用，有利于元器件位置的臨時固定，以免發(fā)生位移。另外，對焊膏的粘度和流變性有較大影響，其含量太低會使?jié)櫇裥宰儾睿瑪U(kuò)展率降低，并產(chǎn)生焊膏塌落等缺陷。但松香或合成樹脂含量高又會增加焊后殘留里，對免清洗焊膏不利。常用的成膜劑和膠粘劑有：

各類松香，如：普通松香、水白松香、聚合松香及改性松香；其它聚合物:環(huán)氧樹脂、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚氨酯、聚丁烯、聚乙烯基丙烯酸、多聚甲醛、聚酞亞胺硅氧烷和羥乙基纖維素等。

      其中有些組份兼具多種性能，如松香和聚丙烯酸既有活性又有粘接性。還起增稠作用。另外上面所列聚合物既是膠粘劑又是增稠劑。在焊膏中可根據(jù)禽要只加一種成份或兩種同時加入。

3.3 觸變劑與潤濕劑

       焊膏的觸變性是指焊膏的粘度隨時間、溫度、剪切強(qiáng)度等因素而發(fā)生變化的特性。為改善觸變性需加人觸變劑，常用的有蓖麻油、氫化蓖麻油、蓖麻蠟、脂肪酸酰胺、羥基脂肪酸、硬脂酸鹽類等。

      潤濕劑的作用是增加焊膏和被焊件之間潤濕性，有利于合金釬料粉的擴(kuò)展，具有較好的可焊性，同時對焊后殘留物的清洗有利。為增加潤濕性，通常加入各類表面活性劑，尤其以非離子型表面活性劑使用較多。

3.4 溶劑與增稠劑

       溶劑的作用主要是溶解活性劑、成膜劑、膠粘劑、潤濕劑、觸變劑以及其它添加劑，使釬劑能與合金釬料粉成為均勻的混合物。除加入低沸點(diǎn)的溶劑外，通常還需加人高沸點(diǎn)溶劑起增稠作用。所用溶劑的沸點(diǎn)由焊膏所需干操時間的長短而確定，尤其要注意溶劑本身的吸水性不可太強(qiáng)。低沸點(diǎn)溶劑有利于焊膏干燥，但焊膏工作壽命縮短。而高沸點(diǎn)溶劑可相對增加焊膏工作壽命和可印性，但要控制好溶劑的揮發(fā)溫度和時間，以防溶劑揮發(fā)不徹底，因飛濺而使元器件移位或產(chǎn)生釬料球。

常用的溶劑有：

一元醇：乙醇、異丙醇、新戊醇、辛醇、苯甲醇、十二醇、松油醇等。

多元醇及醚：乙二醇、丁二醇、甘油、二丙二醇、山梨糖醇、乙二醇醚、2－丁氧基乙醇、二甘醇二乙醚等。

酯及其它：鄰笨二甲酸二丁酯、亞磷酸二丁酯、磷酸三丁酯、二甲苯、N－甲基吡咯烷酮等。

3.5 其它添加劑

      為改進(jìn)焊膏的抗腐蝕性，焊點(diǎn)的光亮度以及阻燃性能等，有時還需在釬劑的配方中加入抗蝕劑、消光劑、光亮劑或阻燃劑等。

隨著對焊膏特性的不同要求，所加釬劑成份也各不相同。對水清洗焊青，選擇的釬劑成份應(yīng)在水中有較大的溶解度，而對免清洗焊膏則要選擇在再流焊溫度條件下能揮發(fā)、升華、分解或轉(zhuǎn)化的成份為好。但由于焊膏對爆劑粘接性和粘度的特殊要求，免清洗焊膏要達(dá)到焊后肉眼見不到殘留物非常困難，只能要求殘留物盡量少，表面絕緣電阻和離子潔凈度能達(dá)到免清洗要求。

3.6 焊膏的配比

       焊膏中合金焊料粉與焊劑的通用配比常為：合金焊料重量百分比為85-90, 焊劑為15-10；或合金焊料的體積百分比為60-50，焊劑為40-50。其實，根據(jù)性能需要，焊劑的重量比還可擴(kuò)大至8%-20w/%。焊膏中焊劑的組成及含量對塌落度，粘度和觸變性等影響很大。金屬含量較高(大于90%)時，可改善焊膏的塌落度，有利于形成飽滿的焊點(diǎn)，并且由于焊劑量相對較少可減少焊劑殘留物，有效地防止焊料球的出現(xiàn)，缺點(diǎn)是印刷焊膏難度較大且焊接工藝要求更嚴(yán)格；金屬含量較低時(小于85%)，刷性好，焊膏不易粘刮刀，漏板壽命長，潤濕性好，加工較易，缺點(diǎn)是易塌落，易出現(xiàn)焊料球和橋接等缺陷。對通常的再流焊工藝金屬含量控制在88%-92%范圍內(nèi)，氣相再流焊可在85%左右。對細(xì)間距元器件的再流焊，為避免塌落，金屬含量可大于92%。

4 焊膏的性能

      焊膏的性能參數(shù)主要有粘度、密度、熔點(diǎn)、觸變性能和貯存性能等。

4.1 粘度

       焊膏是一種流體，它具有流變性，在外力作用下能產(chǎn)生流動。通常將流體分為以下幾種類型：牛頓(理想)流體、塑性流體、假塑性流體、膨脹流體和觸變性流體。

粘度是流體的重要物理性能，以公式K＝s/r來表示，即粘度定義為恒定的剪切應(yīng)力(s)與恒定的剪切速率(r)之比值。若K為常數(shù)，則稱為牛頓流體，而K為變量則為非牛頓流體。

焊膏屬觸變性流體，基本上與假塑性流體相同。當(dāng)剪切速率增加時這兩類流體的表觀粘度都減小，只是觸變性流體要經(jīng)過一定時間才能返回原始粘度。當(dāng)剪切速率恒定時，假塑性流體的粘度將為定值，而觸變性流體的粘度將隨時間增加有下降的趨勢，達(dá)到平衡時才為定值。

焊膏的上述特性在印刷和再流焊過程中極為有用。焊膏在印刷時，由于受刮刀壓力的作用開始流動，通過絲網(wǎng)或漏板的孔眼流到印制電路板上，當(dāng)刮刀壓力消失時。焊膏恢復(fù)到原來的高粘度狀態(tài)，這樣才能在PCB上留下精確的圖形。在再流焊時，環(huán)境溫度同樣影響焊膏的粘度。圖1表示在焊膏印刷時的流動特性。根據(jù)粘度變化可將印刷過程分為攬拌、刮動、印刷和流平四個階段，見圖2。

圖1在恒定剪切速率下焊膏粘度隨時間的變化

圖2 印刷過程中焊膏粘度的變化

4.2 密度、合金與釬劑配比

       前面已經(jīng)提到，焊膏中合金釬料粉和釬劑的組成以及兩者的配比對焊膏的特性有很大影響。通常在介紹焊膏時必須說明合金釬料粉的成份、配比以及釬料粉與釬劑的配比或者釬劑的含量。而焊膏的密度直觀地反映了焊膏中合金粉的組成以及釬劑的含量，也可作為影響焊膏性能的重要參數(shù)。

(1) 熔點(diǎn)與相應(yīng)的再流焊溫度

       焊膏的熔點(diǎn)主要取決于合金釬料粉的成份與配比。隨著焊膏組成和熔點(diǎn)的不同，需采用不同的再流焊溫度，而焊接效果和性能也各不相同。

(2) 合金釬料粉的形狀和粒度

大多數(shù)焊膏都采用球形釬料粉，而粒度最適用的范圍為200-325目，超出此范圍的釬料粉以不多于10%為宜。對細(xì)間距器件的組裝，需采用更細(xì)的釬料粉，其粒度為270-500目或325-500目。

4.3 觸變指數(shù)和塌落度

       焊膏作為觸變性流體，觸變指數(shù)是其重要參數(shù)。

焊膏的塌落度主要與焊膏的粘度和觸變性有關(guān)，即焊膏的粘度和觸變性在很大程度上控制著印刷后圖形的保持特性，而且也影響著再流焊后焊膏的塌落情況，圖3反映了焊膏觸變指數(shù)與塌落度的關(guān)系。當(dāng)觸變指數(shù)高，塌落度就小，而觸變指數(shù)低則塌落度。

圖3 焊膏觸變指數(shù)與塌落度的關(guān)系

4.4 工作壽命和貯存壽命

      由于焊膏的性能，尤其是粘度隨時間和室溫而變化，在一定時間后，焊膏將喪失原有特性而不能使用。通常對焊膏規(guī)定了工作壽命和貯存壽命兩個期限。工作壽命是指焊膏從被施加到PCB上至貼裝元器件之前的不失效時間，一般要求為12-24小時，有時需達(dá)到72小時。貯存壽命是指焊膏能夠不失效的正常使用之前的低溫或室溫保存時間，要求在2-5℃下貯存3-6個月。目前已研制出在常溫下能保存3-6個月的焊膏。

5 焊膏的選用

     焊膏的選用的主要依據(jù)為：

(1) 焊膏的活性可根據(jù)PCB和元器件的存放時間以及表面氧化程度來決定。GB/T 15829.2-1995一般采用中等活性樹脂基釬劑RMA的焊膏，如存放時間長，表面嚴(yán)重氧化，則可采用活性樹脂基釬劑RA的焊膏。

(2) 根據(jù)不同的施膏工藝選用不同粘度的焊膏，一般注射滴涂用焊膏粘度為100-200Pa·s； 絲網(wǎng)印刷用粘度為100-300Pa·s；漏板印刷用200-500 Pa·s。

(3) 精細(xì)間距印刷時選用球形、細(xì)粒度焊膏。

(4) 雙面再流焊時，第一面采用高熔點(diǎn)焊膏，第二面采用低熔點(diǎn)焊膏，保證兩者熔點(diǎn)相差30-40%。以防止第一面已焊的元器件脫落。

(5) 當(dāng)焊接熱敏元件時，應(yīng)采用含鉍的低熔點(diǎn)焊膏。

(6) 對免清洗工藝要用不含氯離子或其它強(qiáng)腐蝕性化合物的焊膏；對采用水清洗工藝就要用水清洗焊膏，再用純水或去離子水洗凈殘留物并干燥。

（2011年2月10日）