低温免清洗助焊剂中溶剂的优化研究

低温免清洗助焊剂中溶剂的优化研究院 系：理学院 冶金系专业：冶金工程年级： 学生姓名： 学号： 导师及职称： 20XX 年 4 月红河学院本科毕业论文（设计）摘要本文研究的助焊剂是一种低松香的助焊剂，也称免清洗助焊剂。根据免清洗型助焊剂中溶剂的作用和特点，确定好助焊剂中溶剂的种类，并在低温 178 的条件下做单一溶剂实验和正交试验。实验过程中以 Sn-Bi 无铅焊膏的铺展性能作为评价指标，通过焊接实验，对溶剂进行优化研究。溶剂的选择对助焊剂的性能至关重要，不仅要保证能够溶解有机酸，同时还要对焊接面有很好的保护作用。实验根据沸点、粘度、焊接温度和含有极性基团等因素初选出四种符合条件的溶剂，所选出的溶剂由三种醇（四氢糠醇、异戊醇、乙二醇）和单一醚（乙二醇丁醚）组成。首先对单一溶剂进行焊接实验，接着分别做四因素三水平和三因素二水平复配溶剂的正交实验，再分别计算出其铺展率并绘出单一曲线图和复配曲线图。结果表明：单一溶剂实验时，异戊醇配制出来的焊膏铺展率是最高的，可达75.58%，而四因素三水平的正交实验时，当（四氢糠醇：异戊醇：乙二醇：乙二醇丁醚）为 2:3:1:2 时得到的焊膏性能最优，焊膏铺展率高达 81.82%，在三因素二水平的正交实验时，当（四氢糠醇：异戊醇：乙二醇丁醚）为 2:1:2 时得到的焊膏性能最佳，其铺展率达到 83.18%。关键词：溶剂；低温；优化研究；免清洗红河学院本科毕业论文（设计）ABSTRACTFlux of this study is a low-rosin flux, also called no-clean flux. According to the role and characteristics of no-clean flux solvent, determine the type of good flux solvent and at low temperature of 178 to do a single solvent and orthogonal experiment, experiment with lead-free solder Sn-Bi spreading performance evaluation as by welding experiments, solvent optimization.The choice of solvent is critical to the performance of flux, not only to ensure that it can dissolve organic acids, but also to have a good weld surface protection. Experimental primaries according to boiling points, viscosity, temperature and factors welding polar groups, which contain a four qualified solvent, the solvent being selected from the three types of alcohol (tetrahydrofurfuryl alcohol, isoamyl alcohol, ethylene glycol) and a single ether (ethylene glycol butyl ether) composition.First experiments on single solvent welding experiments were done then four factors and three levels and three levels of complex factors that two orthogonal solvents, and then it spread rates were calculated and plotted graphs and complex single graph. The results showed that: a single solvent experiments, isoamyl alcohol formulated out of solder paste spreading rate is the highest, up 75.58 percent , while the four factors and three levels orthogonal experiment, when the (tetrahydrofurfuryl: isoamyl alcohol: B glycols: ethylene glycol butyl ether) is 2: 3: 1: 2 to get the best performance of solder paste, solder paste spreading rate of up to 81.82%, in the three factors and two levels orthogonal experiment, when the (tetrahydrofurfuryl alcohol : isoamyl alcohol: ethylene glycol butyl ether) is 2: 1: 2:00 paste to get the best performance, the spreading rate of 83.18%.Keywords: solvent; low temperature; Optimization research; no-clean红河学院本科毕业论文（设计）目录1 前言.11.1溶剂简介.11.1.1溶剂的性质.11.1.2溶剂的主要用途.11.1.3溶剂的选择原理.21.2选题的意义与研究现状.21.3研究内容.32 实验部分.42.1试验试剂及仪器.42.1.1试验试剂.42.1.2试验仪器.42.2试验方法和步骤.42.2.1助焊剂的制备.42.2.2助焊剂中不挥发物含量的测定.52.2.3焊膏的制备与焊接过程.62.3实验数据的计算.62.3.1紫铜片处理及标尺绘制.62.3.2铺展面积的计算.62.3.3铺展率计算方法.83 实验结果及讨论.93.1免清洗助焊剂的性能测试结果.93.1.1单一溶剂的性能测试结果.93.1.2复配溶剂四因素三水平的性能测试结果.93.1.3复配溶剂三因素二水平的性能测试结果.93.2溶剂对焊接性能的影响.103.2.1单一溶剂对焊接性能的影响.103.2.2复配溶剂四因素三水平实验对焊接性能的影响.113.2.3复配溶剂三因素二水平实验对焊接性能的影响.134 结论.15红河学院本科毕业论文（设计）参考文献16致谢16红河学院本科毕业论文（设计）1 前言免清洗型助焊剂是随电子工业发展及环境保护的需要而产生的一种新型焊剂,本身具有不含卤化物活性剂，焊接后不需要清洗等特点。使用这类助焊剂不但能节约对清洗设备和清洗溶剂的投入，而且还可减少废气和废水的排放对环境带来的污染，所以用免清洗型助焊剂替代传统助焊剂具有重要的经济效益和社会效益。为此，国内外很多研究人员进行了免清洗助焊剂产品的研制1。免清洗型助焊剂的成分通常包括溶剂、活化剂和其它添加剂。其它添加剂又包括表面活性剂、缓蚀剂、成膜剂和抗氧化剂等。实验过程中个人可根据焊料的种类、成分和焊接工艺条件等选择合适的助焊剂，所以助焊剂的配方多种多样，种类也不固定。1.1 溶剂简介1.1.1 溶剂的性质溶剂按化学组成分为有机溶剂和无机溶剂。有机溶剂包括多类物质，如链烷烃、烯烃、醇、醛、胺、酯、醚、酮、芳香烃、氢化烃、卤代烃、含氮化合物及硫化物等等，多数对人体有一定毒性。有机溶剂能溶解一些不溶于水的物质，其特点是在常温常压下呈液态，具有较大的挥发性，在溶解过程中，溶质与溶剂的性质均无改变。有机溶剂具有脂溶性，因此除经呼吸道和消化道进入机体内外，尚可经完整的皮肤迅速吸收。有机溶剂吸入人体后，将作用于富含脂类物质的神经、血液系统，以及肝肾等实质脏器，同时对皮肤和粘膜也有一定的刺激性。不同有机溶剂其作用的主要靶器官和作用的强弱也不同，这决定于每一种有机溶剂的化学机构、溶解度、接触浓度和时间，以及机体的敏感性。1.1.2 溶剂的主要用途在免清洗助焊剂中有机溶剂通常是酮类、醇类、酯类和醚类中的一种或几种混合物，常用的有乙二醇、异戊醇、四氢糠醇、丙酮、醋酸乙酯、乙二醇丁醚等。作为液体成分，其主要作用是溶解助焊剂中的所有固体成分，使助焊剂形成均匀的液体，在焊接过程中能与焊料充分作用，很好地完成焊接过程，同时它还可以把金属表面的污垢清洗干净。而且，溶剂作为一种载体，能提供一个电离环境使有机酸电离出 H+，而 H+会在焊接过程中起到去除基板氧化膜的作用，从而增加焊膏的润湿性能2。13 实验结果及讨论1.1.3 溶剂的选择原理对溶剂的选择，应考虑以下几点3：1) 沸点：溶剂的沸点应适中，如沸点太低，在焊接过程中溶剂过早挥发，H+ 过早失去电离环境。溶剂的沸点若过高，则焊后残留物增多；2) 含有极性基团：溶剂中含有OH 亲水基团越多，助焊剂的活性越能得到发挥；含有疏水基团 R的分子量越大，溶剂的极性越小，助焊剂的活性越差；3) 粘度：溶剂具有适当的粘度，焊接和焊后对焊接表面具有保护作用。良好的溶剂既要对焊接表面具有良好的保护作用，又要有适当的粘度。由于高沸点醇保护效果好，但粘度大、使用不便；低沸点醇粘度低，但对焊接表面保护性差，所以采用混合醇作为溶剂效果较好。1.2 选题的意义与研究现状为了提高焊膏的焊接性能，采用三种不同的醇和单一醚作为焊膏溶剂分别进行单一溶剂实验和复配溶剂正交试验，找出焊膏性能最好时的溶剂成分和比例，使其在焊接工艺中能更好地帮助和促进焊接过程，同时更好地起到保护作用、阻止氧化反应的化学物质。20 世纪 90 年代初，我国的免清洗型助焊剂主要依靠进口，如美国 Alpha grillo RF-12A 助焊剂、日本的 NC316 助焊剂等4 。 最近几年， 我国也不断的出现了一些免清洗助焊剂产品，如化工部晨光化工研究院成都分院5 研究的NCF 低固含量免清洗助焊剂扩展率达 84%，无卤素，能满足发泡、喷淋等多种涂布方式的工艺要求，在光通信设备、通讯手机、电子调谐器、传真机、VCD、航空仪表、计算机及医疗设备等领域得到应用。这些助焊剂在外观、物理稳定性、助焊性能等方面都达到了商用助焊剂的水平，具有很好的应用前景。国外一些大型企业已经开始使用免清洗型助焊剂代替传统松香型助焊剂，如美国 IBM 公司、摩托罗拉公司，加拿大的北方电讯公司等都采用了免清洗助焊剂和焊膏6 。因此免清洗型助焊剂成为世界电子行业研究的 一个热点。随着电子行业的飞速发展，对电子封装技术的要求越来越高，特别是在全球推广无铅化的进程中，无铅焊料将成为一个发展热点。而在各种助焊剂中，免清洗助焊剂具有环境友好、焊接生产周期短、成本低等优点，是助焊剂发展的趋势。目前国内外对于无铅焊料用免清洗型助焊剂的研究非常多，但是由于无铅焊料的种类繁多，助焊剂成分也较复杂，配套性不好，所以无铅焊料用免清洗助焊剂将成为研究热点。另外由于目前助焊剂中的溶剂多为低沸点醇，这些醇类属于易挥2红河学院本科毕业论文（设计）发的有机化合物(VOC)，而 VOC 对人体和环境的影响较大，且由于容易燃烧而带来安全隐患，所以已有学者研究使用去离子水代替 VOC 作为助焊剂溶剂，但由于某些活性剂和添加剂在去离子水中溶解度不大，所以优良无 VOC 免清洗助焊剂的研制是今后重要的发展方向7。1.3 研究内容（1）确定溶剂（根据沸点、粘度、焊接温度和含有极性基团等因素确定好溶剂）（2）单组分溶剂实验（将选出的溶剂按成分要求配成助焊剂，与 Sn-Bi 无铅焊粉配成焊膏，进行焊接实验）（3）复配溶剂四因素三水平的正交实验（按与单一溶剂相同的成分要求配成助焊剂，进行四因素三水平的正交实验，优化焊膏的焊接性能）（4）复配溶剂三因素二水平的正交实验(选出四因素三水平中极差最大的三个溶剂按相同的成分再一次进行正交实验)（5）不挥发物含量的测定（助焊剂中残留物的含量测定）（6）铺展率的测定（结合 Word 与 AutoCAD 测出焊膏的铺展率）33 实验结果及讨论2 实验部分2.1 试验试剂及仪器2.1.1 试验试剂有机胺（乙醇胺）；抗氧化剂（对苯二酚）；缓蚀剂（苯并三氮唑）；表面活性剂（聚氧乙烯月桂醚）；溶剂（四氢糠醇、异戊醇、乙二醇、乙二醇丁醚）；活化剂（柠檬酸、水杨酸、苹果酸）；水白松香。具体配方见表 2-1。表 2-1助焊剂配方（质量分数）（%）溶剂活化剂有机胺抗氧化剂缓蚀剂表面活性松香剂62.525710.5132.1.2 试验仪器烧杯；玻璃棒；表面皿；分析天平；电炉；玻璃干燥器，可控温实验室烘箱，镊子，铜片，细砂纸，剪刀等。2.2 试验方法和步骤2.2.1 助焊剂的制备本实验的制备方法是将活化剂和缓蚀剂及抗氧化剂和水白松香按比例加入到烧杯中，加入溶剂且放在电炉上加热（温度控制在 7080）搅拌溶解，待溶解完毕后便可取下，将其冷却到一定的温度，加入有机胺搅拌约 5 分钟，加入表面活性剂，搅拌使其形成均一的溶液，完全冷却即可。图 2-1 为助焊剂的制备工艺流程图，图 2-2 为配制好的助焊剂。4红河学院本科毕业论文（设计）活化剂对苯二酚缓蚀剂溶剂有机胺水白松香加热、搅拌、溶解表面活性剂搅拌混匀即可图 2-1 助焊剂的制备工艺流程图图 2-2 助焊剂图 2-3 焊膏2.2.2 助焊剂中不挥发物含量的测定8不挥发物含量是指在一定温度下，助焊剂中残留物的含量。由于助焊剂的固体通常都有黏性，对焊缝和母材有腐蚀性，因此希望它的残留物量越小越好。不挥发物含量的具体测量方法如下：将 6g 助焊剂准确称量 m1，并精确到0.002g后，放入热水浴中加热，使大部分溶剂挥发。再将其放入（1102）通风箱中干燥 8h，然后取出，放到干燥箱中冷至室温，称量，反复干燥和称量，直至称量误差保持在0.05g 之内时为恒量，此时试样质量为 m2，共做两个试样，求其平均值作为焊剂的不挥发物含量值。W（不挥发物含量）%=（m2/m1）100%53 实验结果及讨论式中:w 为不挥发物含量；m1 为初始试样的质量，g；m2 为试样经干燥后恒量时不挥发物的质量，g。2.2.3 焊膏的制备与焊接过程将上述配置好的助焊剂用玻璃棒挑两滴在表面皿上(每组实验都尽量统一)，然后加入适量 Sn-Bi 无铅焊粉，搅拌均匀，制成焊膏（如图 2-3）。然后将焊膏滴在事先准备好的铜片上，同时用标尺和铜片相切以作为对比对焊接前的焊膏进行拍照备用。之后将其放在电炉上加热（焊接温度控制在 178左右），大约 30s后关闭电炉，完成焊接。焊接前后的形貌见 2-4,2-5 图所示。图 2-4 焊接前的效果图图 2-5 焊接后的效果图2.3 实验数据的计算92.3.1 紫铜片处理及标尺绘制紫铜片的处理和标尺的准备。紫铜片的处理是先将其剪成 2cm2cm 的片，然后用砂纸擦去铜片表面的氧化膜和灰尘，最后放到 150的烘箱中氧化一个小时待用，为了防止实验过程中混杂最好在每块铜片上先编号，之后便可对号入座。焊接之前还要做的一个准备工作就是在 CAD 中以 1mm 为单位做一个标尺（便于以后面积的计算）打印出来后用游标卡尺验证其误差在 0.25%之内，如图 2-6。图 2-6 以 1mm 为单位的标尺2.3.2 铺展面积的计算1对图片进行裁剪6红河学院本科毕业论文（设计）在计算面积过程中，为了凸现所显示焊点部分的图像更加清晰，需要对图像进行裁剪。将拍下来的图片输入电脑后，复制到 Word 文档中，此时屏幕会自动弹出“图片工具栏”，若未自动弹出此栏，则单击鼠标左键点击已复制在文档中的图片，然后点击右键，在菜单中点击“显示图片工具栏”，从弹出的工具栏中裁剪图标，即可对图片进行裁剪，使得焊接部分的轮廓更加明显。在裁剪过程中要注意保留部分标尺，并适当放大图片，以便可以更好的观察其细部结构。裁剪后的效果见图 2-7 所示。图 2-7 裁剪后效果图图 2-8 焊点边界封闭曲线2Word 文档与 AutoCAD 图像转换点击裁剪后的图像，单击鼠标右键点击下拉菜单栏中的“复制”，关闭 Word文档，打开 AutoCAD 软件，将图像粘贴到图形窗口内，此时屏幕自动弹出“OLE特性”对话框。此时不需对粘贴的图像缩放比例进行设置，直接点击“确定”即可。有时我们有必要在粘贴图像到图形窗口之前，先点击菜单栏中的“视图（V）”，再点击“缩放”，之后点击弹出的“全部（A）”，可以扩大图形窗口的操作范围。确定图像的放大比例。由于 AutoCAD 所绘图形以 mm 为单位，1:1 比例绘图，经裁剪后的图像比例已发生变化，粘贴到 AutoCAD2007 图形窗口后，显示的比例并非 1:1。通过“OLE 特性”对话框对比例进行设置较为复杂，通常可以采取以下方法确定改变的比例值：点击选中的图像，单击右键点击下拉菜中的“绘图次序”中的“后置”。再点击标注工具栏中的“对齐标注”图标，标注出图像中某一段距离的尺寸，最好以标尺中 10 格（即 10mm）作为标注距离，此值一般均大于 10mm。该数值除以标尺的实际尺寸（10mm），即为图像在 AutoCAD2007中显示的放大比例值，算出焊点铺展面积。关闭状态栏正交功能，通过工具栏的“窗口缩放”和“实时平移”，调整和显示图像位置和细部结构，点击绘图工具栏中的“直线”图标，调出划线功能，沿着焊点边界选点，画一条由直线头尾相73 实验结果及讨论连的封闭曲线，该封闭曲线应尽量与焊点边界一致。封闭曲线画好后，将鼠标对准图像内任一点，单击右键，点击下拉菜单栏中的“删除”图标，删除图像，此时仅留下所绘的封闭曲线。如图 2-8 为所画的焊点边界封闭曲线。如图可得到 10mm 标尺的距离在 CAD 中标注得到的距离为 30.04mm，则图像放大的比例是 3.004，此时需要把曲线还原为 1:1，则对应的比例因子是13.004=0.333，用鼠标左键全选封闭曲线，点击缩放功能，在曲线上随便点一点作为基点输入比例因子按 Enter，即得到 1:1 的封闭曲线（如图 2-8）。还原为 1：1 以后就可以用工具(T)中的面积查询功能来查询面积了，通过平移和缩放调整好图像位置，然后点击面积查询功能，打开对象捕捉中的端点然后在曲线上选择一点作为起点开始选点，注意选择直到回到起点，完成后按回车屏幕下方便显示面积和周长。2.3.3 铺展率计算方法根据上述面积的计算方法，可以计算出焊接前的面积 A1 和焊接之后的铺展面积 A2，即可计算出铺展率 W，铺展率 W 计算公式：W ( A2 A1 ) A18红河学院本科毕业论文（设计）3 实验结果及讨论3.1 免清洗助焊剂的性能测试结果3.1.1 单一溶剂的性能测试结果表 3-1 单一溶剂的性能测试结果溶剂种类外观颜色状态分层与否黏性W（不挥发物含量）/%四氢糠醇黄色透明液体分层有22.362异戊醇浅黄色透明液体分层有19.975乙二醇浅黄色不透明液分层有19.825体乙二醇丁浅黄色混浊液体分层有23.764醚3.1.2 复配溶剂四因素三水平的性能测试结果表 3-2 复配溶剂四因素三水平的性能测试结果溶剂比例外观颜色状态分层与否黏性W（不挥发物含量）/%1:1:1:1黄色液态少量分层有24.6321:2:2:2黄色液态少量分层有21.8031:3:3:3黄色液态不分层有23.5622:1:2:3黄色液态不分层有19.8842:2:3:1黄色液态不分层有19.8722:3:1:2黄色液态不分层有20.1433:1:3:2黄色液态不分层有21.5413:2:1:3黄色液态不分层有23.7533:3:2:1黄色液态不分层有20.923注：表格中的溶剂比例均按（四氢糠醇：异戊醇：乙二醇：乙二醇丁醚）的顺序。3.1.3 复配溶剂三因素二水平的性能测试结果93 实验结果及讨论表 3-3 复配溶剂三因素二水平的性能测试结果溶剂比例外观颜色状态分层与否黏性W（不挥发物含量）/%1:1:1黄色液态不分层有19.9401:2:2黄色液态不分层有21.0072:1:2黄色液态不分层有21.3312:2:1黄色液态不分层有23.314注：表格中的溶剂比例均按（四氢糠醇：异戊醇：乙二醇丁醚）的顺序。由表 3-1，3-2，3-3 可以看出：在免清洗助焊剂中，助焊剂的性能会随加入溶剂的不同而发生一定的改变，如单一溶剂配制出来的助焊剂容易分层，而且助焊剂的颜色大多是不透明的；对于四因素三水平的正交溶剂配制出来的助焊剂只有少部分出现分层现象，而三因素二水平的正交溶剂配制出来的助焊剂几乎不分层。然而对于助焊剂的不挥发物含量来说，不管是单组份溶剂配置的助焊剂还是正交溶剂配置的助焊剂，不挥发物的含量都较为接近,并且没有规律可言。原因是助焊剂中不挥发物含量主要取决于松香和活性剂的含量，本文无论是单组份溶剂实验还是正交溶剂实验，都采用了相同比例的松香和活性剂成份。因此，不挥发物含量不会出现太大的波动。3.2 溶剂对焊接性能的影响3.2.1 单一溶剂对焊接性能的影响表 3-4 单一溶剂对焊接性能的影响序号1#2#3#4#项目溶剂四氢糠醇异戊醇乙二醇乙二醇丁醚焊点形貌铺展率53.1773.5869.5563.28E(%)10红河学院本科毕业论文（设计）铺展率76747270686664626058565452 012345实验序号图 3-1 单一溶剂实验对铺展率的影响曲线图由表 3-4 可以看出：单一溶剂作为助焊剂时，所配制的焊膏铺展率和焊点形貌都较差，由表可以看出四氢糠醇焊后出现炸裂、焊点形状不规整、铺展率较差等；异戊醇焊后出现回缩现象，且焊点周围出现黑色物质和少量白色残留物；乙二醇焊后焊点形状规整，铺展性较好；乙二醇丁醚焊后助焊剂易析出，且焊点周围出现白色残留物。从图 3-1 可以明显看出单一溶剂配制助焊剂时，焊膏铺展率最高只能达 73%左右，且最低接近 54%。3.2.2 复配溶剂四因素三水平实验对焊接性能的影响113 实验结果及讨论表 3-5 复配溶剂四因素三水平实验对铺展率的影响项目四氢糠醇异戊醇乙二醇乙二醇丁醚铺展率 E（%）序号1#111175.312#122272.973#133375.924#212376.535#223174.116#231281.827#313280.178#321373.229#332176.95K174.7377.3476.7875.46K277.4973.4375.4878.32K376.7878.2376.7375.22R2.764.81.33.1表 3-6 复配溶剂四因素三水平实验配制焊膏的焊点形貌序号1#2#3#4#5#项目焊点形貌序号6#7#8#9#项目焊点形貌12红河学院本科毕业论文（设计）铺展率838281807978777675747372012345678910实验序号图 3-2 四因素三水平的正交实验对铺展率的影响曲线图由表 3-5,3-6 可以看出在其他组分一定的条件下，采用四因素三水平的溶剂正交实验时，焊膏的焊点形貌都较饱满，光亮，并且铺展率相对单一溶剂时较好。由图 3-2 可以直观的看出，焊膏的铺展率均在 70%以上，并且在溶剂为四氢糠醇：异戊醇：乙二醇：乙二醇丁醚为 2:3:1:2 时，其铺展率将近 82%，与单一溶剂的焊接实验相比，采用溶剂正交实验优化了焊膏的焊接性能，使其铺展率得到了一定的提高。3.2.3 复配溶剂三因素二水平实验对焊接性能的影响表 3-7 复配溶剂三因素二水平实验对铺展率的影响因素四氢糠醇异戊醇乙二醇丁醚铺展率序号1#11179.322#12280.873#21283.184#22181.24K180.0981.2580.28K282.2181.0582.02R2.120.21.74133 实验结果及讨论表 3-8 复配溶剂三因素二水平实验配制焊膏的焊点形貌序号1#2#3#4#项目焊点形貌铺展率848382818079012345实验序号图 3-3 三因素二水平的正交实验对铺展率的影响曲线图由表 3-7,3-8 可以看出在其他组分一定的条件下，采用三因素二水平的溶剂正交实验时，焊膏的焊点形貌都很饱满，光亮，并且铺展率相对四因素三水平时更好。由图 3-3 可以直接看出在其他组分一定的条件下，采用三因素二水平的溶剂正交实验时，焊膏的铺展率几乎在 80%以上，并且在溶剂为四氢糠醇：异戊醇：乙二醇丁醚为 2:1:2 时，其铺展率达到最大值，与单一溶剂和四因素三水平的焊接实验相比，实验进一