微电子器件的软钎焊及表面组装技术.ppt

第四章 微电子器件的软钎焊及表面组装技术,第一节 概述,第二节 软钎焊的基本原理,第三节、软钎料合金,第四节 软钎剂,第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏,第六节 机械化软钎焊技术,第七节 表面组装技术及再流焊方法,第八节 SMT焊点的可靠性问题,第一节 概述,所谓软钎焊，是指采用熔点（或液相线温度）低于427的填充金属（钎料）在加热温度低于被连接金属（母材）熔化温度的条件下实现金属间冶金连接的一类方法。 软钎焊连接依靠钎料对母材的润湿来形成接头。 与硬钎焊相比，软钎焊连接的温度低，操作方便，并且不过分强调母材与钎料之间的溶解、扩散等相互作用过程。,第一节 概述,一、 软钎焊在电子工业中的地位 在电子工业中，软钎焊技术由于以下几方面的原因而使其始终并将继续居于主导地位。 1、软钎焊具有显著的经济性、高效性和可靠性。由于连接是在相对较低的温度下完成的。使得许多常规有机高分子材料和电子元件因受热而改变性能和破坏等问题得以有效地避免。并且，相对低成本的材料，简单的工具和可控的工艺使得软钎焊具有特别明显的经济性和高效性。而且在自动化软钎焊操作中，在一般民用产品上，已经取得接头返修率低于百万分之一的水平，而在北美航空部门，已有了每小时钎焊150亿个焊点而无失败的报导。这些都充分说明了软钎焊方法的经济、高效和可靠的特点。 2、软钎焊具有制造和修理的方便性。与其它冶金连接方法相比，软钎焊是对操作工具要求相对简单和易于操作的工艺，并且由于软钎焊接头是可以“拆卸” 的接头，或者说软钎焊过程是“可逆”的，因而使得软钎焊连接的修补十分简单方便。并且修补过的接头可以像原始接头一样可靠。可以预料，只要我们还使用由导体、半导体和绝缘体等构成的基于电磁脉冲的电路，软钎焊技术就是必不可少的。,第一节 概述,从材料来看，在电子工业中的被连接材料主要是有色金属，并且种类繁多，经常涉及到贵金属和稀有金属以及多元合金多层金属组合体系。此外，还常常涉及到非金属材料的连接问题。由于被连接对象的多样性，因而完成连接所使用的材料（钎料等）也表现出种类繁多和组成复杂的特点。从被连接对象的尺寸特征来看，小、细、薄、精，构成了这类被连接对象最为鲜明的标志。例如：许多焊点的尺寸常常不足一个平方毫米；焊点间距也仅有零点几毫米等。并且，随着电子产品小型化、轻量化、高精度及高可靠性的要求，使得连接对象的尺寸还在不断减小。 电子产品的这种特点和发展趋势对连接技术提出新的更高的要求，因而，一些新的工艺方法不断涌现。目前最具生命力的最有影响的当首推表面组装技术（surface mount technology ，简称SMT）。这一技术的出现使得在印刷电路板制造中传统的通孔安装技术迟早将被淘汰。在技术发达国家中，SMT技术在印制板上的应用已达到90，在我国，SMT也正在迅速推广。SMT技术的出现对软钎焊材料提出了新的要求，使得对钎料膏的需求量迅速增加，并且推动了一些产业的发展和进步,二、电子工业中钎焊连接的特点及发展趋势,第二节 软钎焊的基本原理,一、软钎焊的定义 钎焊一直被区分为“硬钎焊”（Brazing）和“软钎焊”（Soldering）。为此，将450作为分界线，规定钎料液相线温度高于450所进行钎焊为硬钎焊，低于450的为软钎焊。从事电子产品钎焊工作的人认为，在315以下进行的钎焊为软钎焊。 在电子行业中，绝大多数的钎焊工作是在300以下完成的。在450以上进行的钎焊连接，在电子行业中是比较少的。 二、钎料与母材间的相互作用 在电子钎料中，应用最广泛的金属元素是锡，在大多数电子钎料中都或多或少地含有锡。在众多的被连接材料中，应用最多的是铜。因此，研究铜与锡之间的相互作用问题就具有特别重要的意义。 我们知道，使钎料与母材之间发生适当的相互作用，从而实现冶金结合是获得优良焊点的基本前提。这就要求母材组分可以在液态钎料中溶解，并最终可以形成固溶体，共晶体或金属间化合物。,第二节 软钎焊的基本原理,锡以易于和多种金属元素形成金属间化合物为特征，用锡基钎料进行钎焊时，在结合处形成金属间化合物当是最为常见的现象。由铜锡二元合金平衡相图可知，铜与锡在液态下可以无限互溶，在固态下铜在锡中的溶解度则很小。因此，钎焊时母材铜将向液态的锡钎料中溶解，在随后的冷却过程中将会出现金属间化合物Cu6Sn5( )。如果铜的溶解量过多，还可能出现Cu3Sn（相）。可以说，化合物相Cu6Sn5的出现是保证锡钎料与铜母材之间实现冶金连接的基本前提。 由于化合物相通常都具有硬而脆的特点，因此，出现过多的化合物相对焊点的性能是不利的。尽管在钎料冷却凝固之后，由液态金属直接形成化合物相的条件已经不存在，但是由于在随后的热过程中，铜与锡之间的相互扩散过程仍可进行。因此，化合物相仍将继续形成和长大。通常是在结合前沿处形成一层连续的化合物层。化合物层在靠近铜母材一侧为Cu3Sn，在邻近锡钎料一侧为Cu6Sn5。当化合物层达到一定厚度时，将会对接头性能产生极为不利的影响。 当钎料中含有铅元素时，将会影响到化合物相的长大，这是因为化合物生长速度常数是与扩散体系的成分有关的。,第二节 软钎焊的基本原理,三、软钎焊性 软钎焊性是指材料易于进行软钎焊连接的能力。对于那些易于实现软钎焊连接的材料，我们称之为软钎焊性优良的材料。反之，则认为其软钎焊性不佳。 软钎焊性的好坏，在很大程度上取决于母材钎料体系的润湿状态。一般来说，如果钎料对母材的润湿性能良好，则软钎焊性通常也比较好。所以，人们习惯于用润湿情况来评价和表明软钎焊性，但软钎焊性与润湿性不是完全等同的，如某种钎料在某母材上的润湿性能极佳。润湿角接近于零度，但在钎焊时却可能由于其过分流散而不能保持在钎焊间隙中，因而不能形成良好的钎缝。这样的例子，在实际应用中是屡见不鲜的,第二节 软钎焊的基本原理,软钎料对母材润湿是形成优良焊点的基本前提。润湿的程度可以用钎料在母材上的接触角来表征。接触角小于、等于90时，认为焊点是合格的；大于90时，则认为焊点不合格（见图4-1）,图4-1 合格和不合格焊点的接触角,第二节 软钎焊的基本原理,电子部件钎焊时，母材表面的氧化物在加热过程中被钎剂去除。加热不仅使钎剂活化，而且使钎料的表面张力减小，使润湿作用增强。如果母材与钎料之间没有良好的润湿作用，将导致不润湿或反润湿。图4-2给出了元器件引线在印刷电路板润湿良好时形成的钎角形态。此时接触角小于90，并且在焊盘上会留下均匀光滑的钎料层。,图4-2 引线良好润湿时焊点形态示意图,第二节 软钎焊的基本原理,造成焊点润湿不良的原因有以下两方面，一是由于母材表面的氧化物未被钎剂去除干净，使得钎料难以在表面上铺展，从而导致接触角大于90。另一原因是，钎料本已良好润湿母材，但由于工艺不当（如加热时间过长或温度过高等），使得母材表面易于被钎料润湿的金属镀层完全溶解到液态钎料中，并裸露出不易被钎料润湿的基体金属表面，或是由于钎料与母材相互作用，形成了连续的不易被钎料润湿的化合物相。一旦出现这类情形，已铺展开的液态钎料就会回缩，使其表面积趋于最小，使接触角增大，最终形成所谓的反润湿（或称润湿回缩）焊点（见图4-3）。,图4-3 反润湿示意图,第二节 软钎焊的基本原理,四、影响电子元器件软钎焊性的因素 当带有镀层的印制板和元器件引线在较高温度下长时间放置或在氧化气氛中存放时，会造成镀层金属氧化，同时还会使镀层与基体金属之间所形成的化合物层不断长大。这两类情况都将影响到软钎焊性。,镀层过分氧化会增加钎剂去除氧化膜的难度，因而可能造成润湿不良，从而影响元器件管脚的软钎焊性。对于这类问题，可以通过增强钎剂活性的方法来解决。但随着钎剂活性的增加，腐蚀性危险性也增大，因此必须进行严格的钎后清洗。这将使生产成本显著增加，并且也不能完全避免腐蚀问题。所以保证印制板和元器引线在钎焊前不过分氧化是非常重要的。,第二节 软钎焊的基本原理,锡铅钎料在暴露于大气中的铜锡化合物表面上的润湿性是很差的，因此要保证镀层具有一定的厚度，使其在长期存放过程中化合物不至于生长到表面，镀层的厚度一般不得低于7.5m。保证锡铅共晶合金镀层在某些人为造成的严酷环境中24h后仍具有优良软钎焊性。而当镀层厚度小于2.5m时，经过4h的老化后，就可能出现反润湿现象。 镀层质量对软钎焊同样具有重要意义。热浸镀层的厚度常常不均匀，因而出现局部区域涂层太薄并影响到软钎焊性。电镀镀层的厚度比较均匀，但镀层如果呈现多孔性，并且在镀层表面下常有一些有害的有机物质，这也可能影响到软钎焊性，对于多孔性问题，可以通过控制电镀工艺，形成尺寸细小的晶粒来解决。较小的晶粒尺寸可以保证镀层表面致密光洁，因而不易氧化。,第三节 软钎料合金,锡铅钎料是应用最广泛的软钎料。尤其是在电子工业中，锡铅钎料的应用更为普遍。锡铅钎料的性能与其组成有关密切的关系。为此，首先分析锡铅二元合金的平衡相图（见图4-4）。锡铅二元合金构成的是有限固溶体的共晶状态图。其共晶成分为w（Sn）=61.9，w（Pb）=38.l，共晶温度为183。共晶体由面心立方的 （Pb）相和,一、锡铅钎料 （一）锡铅钎料的物理性能和力学性能,图4-4 锡铅相图,体心立方的（Sn）相组成。共晶温度下，w（Sn）在Pb中的固溶度为19.5。室温时，Sn在Pb中的固溶度仅有23。共晶温度时，Pb在Sn中的固溶度为2.5，室温下，Pb在Sn中的固溶度仅为万分之几。,第三节 软钎料合金,工业用锡铅合金的最佳力学性能是含w（Sn）量为73的合金，而非共晶合金。表 4-1给出了电导率、密度，抗拉强度等性能随合金成分的变化。,由于锡铅合金的熔点较低，其再结晶温度低于室温，因此不能产生冷作硬化，而是表现出明显的粘性特征。当锡铅合金的变形量增大时，可以促使（Sn）相从过饱合的（Pb）相中析出，使其强度降低，因而表现出变过形的锡铅合金的强度要比铸态时低。在较高温度下(100 150)，元素的扩散速度较快，此时的力学性能明显下降。,第三节 软钎料合金,表4-1 锡铅钎料的物理性能和力学性能,第三节 软钎料合金,纯Sn，纯Pb和共晶合金都具有良好的流动性，而在固液相温度区间最大处（含w（Sn）=19.5）的合金流动性最差。软钎料合金的流动性是评价钎料工艺性能的重要指标之一，流动性好的钎料具有优良的填缝性能，可以保证获得稳定，良好的钎缝质量。,锡铅钎料对铜等多种母材金属均具有良好的润湿性及铺展能力，尤其是共晶成分的钎料合金，在适当温度下其铺展面积明显增大，加上此成分钎料合金的表面张力小，流动性最好，力学性能也十分优异。因此成为电子工业中应用最为广泛的钎料合金。,第三节 软钎料合金,（二）钎料对母材的溶蚀及防止 在钎焊过程中，由于母材与钎料之间存在相互作用，一些母村组分会溶解到液态钎料中去。例如陶瓷片式电阻或电容器的焊接端都有金或银这类贵金属的金属化层，在钎焊期间，这层金属很容易溶解到液态钎料中去，这样就会露出下面的陶瓷表面，从而导致润湿不良并形成不合格焊点。 不同的材料在不同的液态钎料中的溶解速度是不同的。图4-5和4-6给出了铜和银在Sn68-Sn32钎料中溶解的情况。可以看出随着温度的升高，溶解量迅速增加，并且银的溶解速度要比铜快得多。 为防止陶瓷片式元件金属化端银镀层的过分溶解，可以采取以下两方面的措施： 一是用溶解速度比较缓慢的镍或铂作阻挡层以防止过分溶解; 二是使用含银钎料膏，如 Sn62-Pb36-Ag2，从而减缓溶解程度。但这种作用只能用于再流焊，不能用于波峰焊。,第三节 软钎料合金,图4-5不同温度下铜在 Sn68-Sn32液态钎料中溶解,图4-6不同温度下银在 Sn68-Sn32液态钎料中溶解,第三节 软钎料合金,二、无铅钎料 因Sn-Pb钎料中的铅是有毒的物质，进人人体后在骨骼中积累并且不易排出，因此限制铅的应用。1990年美国国会又酝酿在电子工业及其它工业中禁止使用含铅的钎料，尽管未获通过，但已引起电子行业的恐慌，因此近年来又掀起了对无铅钎料的研究热潮。可以推断，在今后的一段时间内无铅钎料的研究与应用必将获得较大的发展。 目前，国际上公认的无铅钎料定义是以Sn为基体，添加了Ag、Cu、Sb、In、Bi、Zn等其他合金元素，而w（Pb）的含量在； 0.l0.2以下的主要用于电子组装的软钎料合金,第三节 软钎料合金,无铅钎料不是新技术，但今天的无铅钎料研究是要寻求年使用量为56万吨的Sn-Pb钎料的替代产品。因此，替代合金应该满足以下要求： l）其全球储量足够满足市场需求。某些元素，如 In（铟）和 Bi（铋），储量较小，因此只能作为无铅钎料的添加成分（见表3-2）,表3-2 无铅钎料中替代合金元素的供需情况,第三节 软钎料合金,2）无毒性。某些在考虑范围内的替代元素，如Cd（镉）、Te（碲），是有毒的：而某些元素，如Sb（锑），如果改变毒性标准的话，也可以认为是有毒的； 3）能被加工成需要的所有形式，包括用于修补的丝；用于钎料膏的粉末：用于波峰焊的bar等。不是所有的合金能够被加工都成所有形式，如鉍的含量增加将导致合金变脆而不能拉拔成丝状； 4）相变温度（固-液相线温度）与Sn/Pb钎料相近； 5）合适的物理性能，特别是电导率、热导率、热胀系数； 6）与现有元件基板/引线及PCB材料在金属学性能上兼容； 7）足够的力学性能，抗剪强度、蠕变抗力、等温疲劳抗力、热机疲劳抗力、金属学组织的稳定性;,第三节 软钎料合金,8）良好的润湿性 从国外文献看，所选择的主要添加合金元素为Ag、Zn、Cu、Sb、Bi、In等。国内外研究的主要无铅钎料见表4-3。,表4-3 国内外研究的主要无铅钎料,第三节 软钎料合金,目前研究出的无铅钎料趋向于多元合金系统，其力学性能优于传统的Sn63Pb37合金，但润湿性能稍差、烙点相差较大，而且由于多采用贵重金属，导致成本过高。此外，无铅钎料在印制电路板组装中的实际应用可能还会引起一系列新的问题： l）无铅钎料的熔点与Sn-Pb 共晶合金相比均偏高或偏低，难以与传统的软钎焊参数相兼容。 2）需开发相应的新型钎剂。 3）超电势问题 Sn-Pb针料中Sn与Pb对H、Cl 等元素的超电势都较高，而无铅钎料中Ag、Zn、Cu、Ni等元素对H、CI的超电势都很低，因此采用无铅钎料可能会出现由于超电势的降低而引起钎焊区残留的H、Cl离子迁移产生电极反应，从而引起集成电路元件的短路,第三节 软钎料合金,表4-4给出了国外一些公司用于电子行业的无铅钎料合金类型,表4-4 国外一些公司用于电子行业的无铅钎料合金类型,应当指出，在为替代SnPh钎料而开发无铅钎料的同时，还应注意配套钎剂及钎焊方法的开发和钎焊工艺的改进，这样才能使无铅钎料得以迅速的推广和应用,第三节 软钎料合金,三、其它软钎料 由于结构形式和使用要求等方面的差异，有些电子产品或某些器件不适合用常规的锡铅共晶类钎料来钎焊。例如，钎焊带有含银镀层的器件时，为减少银层的损失，常要求采用含银的钎料；钎焊带有金膜的部位时，可以采用铟钎料；对于需要进行两次钎焊的产品，则需要在两次钎焊过程中分别使用较高熔点的软钎料和较低熔点软钎料等等。电子工业中一些常用钎料合金的成分，特点及用途见表4-5。,表4-5 常用钎料合金的成分及用途,第三节 软钎料合金,四、合金的抗氧化处理 当锡铅钎料合金处于液态时，其氧化是非常迅速的。而当采用扒渣方式去除针料槽表面上的氧化渣之后，又会迅速地形成新的氧化渣。特别是对于处在不停地搅动中的液态钎料（如波峰焊），钎料的氧化就更为严重。例如一台容量为 100kg的波峰焊锡槽，每周扒渣所损失的钎料量将近总量的 l4。 钎料槽表面的氧化物层主体是锡的氧化物，有关分析表明，其表面为SnO2，厚度为2 nm，其下为SnO和弥散分布的细小的金属铅颗粒，再下面则是SnO和金属锡和铅。由此可见，钎料的氧化问题主要是锡的氧化。 对于锡的抗氧化问题，大体上可以分为物理方法和化学方法两类。 1）物理方法 2）化学方法,第三节 软钎料合金,1）物理方法 物理方法是通过隔绝液态钎料与大气直接接触来实现抗氧化的。常用的方法是在钎料液面上加一层有机液体物质来复盖，使锡液面的氧分压大大降低，这样不仅可隔绝锡液与大气的接触，还有助于使溶解于锡液中的氧含量降低。现用作抗氧化剂的有机物大体为两种类型: 一类为由低分子聚合物及其羧酸组成的锡合金抗氧化剂，最典型的是低分子量聚苯醚和聚苯醚羧酸混合物，该混合物随着聚苯羧酸含量的增加，抗氧化的效果明显加强，说明聚苯醚羧酸起重要的作用。这类抗氧化剂的特点是耐热性好，在350下仍可正常使用。并且使用寿命长，但其缺点是制备困难，且价格昂贵。 另一类抗氧化剂是由油类和还原剂配合而成。最常用的是矿物油，动物油和植物油及蜡等，还原剂有不饱合羧酸，高分子树脂，天然树脂等，此外还需要配合热稳定剂和防蚀剂等。这类抗氧化剂的原料来源丰富，价格便宜，且还原能力强，但耐热性和使用寿命差一些 。,第三节 软钎料合金,2）化学方法 化学方法是在液态钎料合金中添加微量的表面活性元素，它比Sn和Pb更亲氧，并且与Sn和Pb的氧化物生成稳定致密的表面膜以保持SnPb合金不进一步氧化。这层表面膜一经除去便会再生。常用的保护元素有w（P）0.003和w（Ga）0.001。后者比前者更耐温，可以到400而不失其保护功能。这种化学方法对静态保护特别有效。在波峰焊的动态条件下，由于不断撇除表面膜，导致微量元素的损失，需要定时添加Ga的中间合金,第四节 软钎剂,在绝大多数的软钎焊过程中都要使用软钎剂。钎剂不仅要起到去除母材和钎料表面氧化膜的作用，同时还要在钎焊过程中保护已去除氧化膜的清洁表面不再氧化，并且还应促进钎料在母材表面的润湿和铺展。 电子工业中所用的软钎剂是非常多的。按照钎剂组成物质的不同，可以分为无机软钎剂和有机软钎剂两大类。无机软钎剂主要由盐酸、氢氟酸、磷酸、氯化锌、氯化铵等无机酸和无机盐等组成，由于这类钎剂具有很强的腐蚀性，因而在电子行业中很少应用。应用最多的当属有机软钎剂。 软钎剂分类的另一种方法是按照钎剂具有的活性来划分。可以分为“R”级（无活性）。“RMA”级（中度活性）“RA”（完全活性）、“SRA”（超活性）等。,第四节 软钎剂,一、松香基软钎剂 松香是从松树的根部或树皮中提取的天然产品，其主成是占7085的松香酸C19H29COOH。其中 d一海松香酸和l 海松香酸又约占 10-15。松香的软化点为 172-1750C，略低于锡铅共晶钎料的熔化温度（1830C）。在室温下，固态的松香是无活性的，因而也不具有腐蚀性，电绝缘性能良好。加热时，熔化的松香酸可以与铜、锡等金属表面的氧化物发生反应，从而去除氧化膜。 非活性松香软钎剂 (R型）是由纯松香加溶剂制成的未经活化的液体钎剂。这类钎剂多用于自动钎焊中即要求无腐性残渣，但又规定要使用松香的印刷电路板。这类软钎剂有许多不同品种以满足各种标准的各项要求。 中度活性松香钎剂（RMA型）是目前品种最多的一类软钎剂，由于使用了有机酸、胺和氨化合物，胺的卤化物等物质作为活化剂，使钎剂的活性增强，钎焊质量提高。按照MIL-F-14265的规定，卤素含量应小于0.2。这类软钎剂由于可选用的活化剂种类繁多，因而钎剂的品种也非常多，现已广泛应用于计算机，无线电通讯，航空航天和军事产品上，并且在彩电等民用产品上也有广泛的应用。,第四节 软钎剂,全活性松香软钎剂（RA型）具有更强的活性，因而具有流动性好，扩展速度快的特点。使用这类钎剂可以在黄铜和镍等难以软钎焊的金属上获得一般松香型钎剂所不能达到的效果。选择适当的活性剂，可以保证钎剂无腐蚀性及绝缘性。这类钎剂已广泛用于电线，电缆和电视机等产品，但对于要求高可靠和长寿命的产品，则仍被视为是危险的，因而常常要求钎后清洗。清洗时，常常是采用非极性溶剂去除松香，然后用极性溶剂（如水）去除活化剂残渣和其它离子化合物。也有可能采用这两类溶剂的混合物在一次清洗过程中去除这两类物质。 超活性松香软钎剂（SRA型）是具有很强活性和中等腐蚀性的一类软钎剂。这类软钎剂可以钎焊可伐合金，镍和不锈钢等。由于钎剂残渣非常活泼，因而钎后要进行充分的清洗。这类钎剂都不满足MILF14265的要求，因而只能用于民用产品。并且，除非可以保证将钎剂残渣彻底清洗干净，否则不推荐使用这类钎剂。,第四节 软钎剂,二、非松香基软钎剂 非松香基软钎剂主要包括以下几类物质： 有机酸：有机酸一般具有中等去除氧化膜的能力，并且作用比较缓慢。由于是有机化合物，因而对温度敏感。有机酸钎焊后仍然是具有腐蚀性的，有机酸一般易于清洗。在这一组中常用的有乳酸、油酸、硬脂酸、苯二酸、柠檬酸等。 有机卤化物：有机卤化物或有机肢的卤氢酸盐的活性很强，类似于无机酸类。它们所含有的有机官能团决定了它们对温度敏感。相对来说，这类物质比其它有机软钎剂更具有腐蚀性，因而要求进行认真的钎后清洗。在这类物质中常用的有盐酸苯胺，盐酸烃胺，盐酸谷胺酸和软脂酸溴化物等。,胺和氨类化合物：这类物质由于不含卤化物，因而成为许多专利钎剂的添加剂。这类物质具有一定的腐蚀性，并且对温度非常敏感。常用的有乙二胺、二乙胺、单乙醇胺、三乙醇铵等。铵和氨的各种衍生物也被用作为钎剂材料，最普通的就是磷酸苯胺。 有机酸（OA型）软钎剂比松香基软钎剂的活性强，但比无机软钎剂的活性弱。由于它们可溶于水。因此，当其固体物的含量较少时，可以用极性溶剂很方便的将残渣去除。并同样可以保证较高的可靠性。这类钎剂多用于民用产品，但也有成功地用于军事产品的例子，如Boeing飞机公司就将其用于空中发射巡航导弹和飞机早期预警系统的电子部件的钎焊。,第四节 软钎剂,表3-6按照化学活性由高到低的顺序给出了各类物质作为钎剂时的性能比较结果,表3-6 各类钎剂物质的性能比较,第四节 软钎剂,三、水溶性软钎剂 非活化松香钎剂可以不必钎后清洗，但其活性较低，钎焊性能较差。用添加活性剂来提高钎剂的活性后，腐蚀这一潜在的危险就越来越强烈，因而大多数活性钎剂都需要钎后清洗。电子工业中用于树脂类软钎剂清洗的最常用的清洗剂是CFCll3（三氟三氯乙烷），但由于这类物质对大气臭氧层有破坏作用，因而在1987年，包括美国和欧共体成员国在内的24个国家签署了控制使用CFC化合物的蒙特利尔协议。由于对CFC类物质使用的限制，因而人们开始考虑使用可以用水作为清洗剂的钎剂。 根据组成针剂的活化剂物质的不同，水溶性钎剂可以按表3-7分类.,表3-7 水溶性钎剂类型,第四节 软钎剂,目前许多公司都有可用于电子工业的水溶性软钎剂。如Alpha公司的 850（OA型）水溶性有机软钎剂已普遍用于印刷电路板的钎焊，这类钎剂要求钎后即时清洗；855857为中性的水溶性软钎剂，用于钎焊印制板，可以延迟清洗；870和871钎剂中不含有机酸，而含有水溶性树脂，是可以用水或有机溶剂清洗的钎剂。Multicore的水溶性钎剂分为五种类型： 1）标准型，其固体含量分别为10、20和40三种浓度用于印刷电路板的波峰焊； 2）中性型，用于要求非酸性钎剂的印制板的波峰焊； 3）无卤素型，用于元器件引线的搪锡和难以钎焊的印制板的波峰焊； 4）浓缩型，用于最难钎焊元件引线（如镀镍件）的搪锡； 5）不燃型，用于印制板的辊子镀锡。,第四节 软钎剂,四、免清洗软钎剂 自蒙特利尔公约签署以来，发展起来的另一类具有特色的钎剂是免清洗钎剂。这类钎剂的最大特点是省去了清洗工序，因而减少了与清洗工序相关联的设备、材料、能源和废物处理等方面的费用，有利于降低成本。 免清洗软钎剂一般由合成树脂和性能更加稳定的活性剂组成，其固相成分的典型值为3550，明显低于传统的RMA钎剂（RMA钎剂中固相物的典型值为5560）。免清洗针剂的残渣主要有合成树脂及活性剂残余反应物（金属氧化物），在高温下残渣变软，但不吸潮，表面绝缘电阻的典型值为7.59.91010。 免清洗软钎剂的相容性问题是这类钎剂在应用时需要重点考虑的问题。相容性问题包含以下两方面含意，一是各钎剂之间的相容性，二是免清洗钎剂与现行钎焊工艺之间的相容性。Foxbor公司的研究表明，在印制板的针焊工艺中，如果需要采用不同的免清洗钎剂，则可能由于钎剂之间不相容而导致泄漏电流过大，并对生产线造成危害。在钎焊工艺方面，下列问题是实现由RMA钎剂向免清洗钎剂转换的关键,第四节 软钎剂,l）润湿能力 免清洗钎剂腐蚀性的降低也意味着其去除氧化层能力的降低，从而可能导致促进钎料润湿能力的降低； 2）涂覆工艺 由于免清洗钎剂的溶剂多为低级醇类物质，而这类物质难以发泡并且易燃，因而只能用于波峰涂覆，这又常常造成过量涂覆和留下残渣，而要去除残渣则失去了免清洗的意义； 3）预热工序 免清洗针剂对避免钎焊表面再氧化的保护作用是非常有限的，因此预热温度过高将对钎剂的使用极为不利，但如果预热温度过低，又会造成挥发物质在钎焊时才逸出，从而导致气孔缺陷明显增加； 4）工艺参数 免清洗钎剂的使用将要求钎焊工艺参数重新确定。如波峰焊时，由于钎剂中固相成分相对减少而改变了熔融钎料的界面张力，从而改变了钎料波峰出口区的几何参数，因此需要对传送带速度，倾角和波峰高度等参数重新进行优化组合，以避免钎焊缺陷增加； 5）钎焊气氛 使用免清洗钎剂常常需要使用惰性气体（如氦气）来保护以防止再氧化，但氮气氛可能使某些树脂基钎剂最终形成粘性的、未氧化的残渣，并且氮气还可能引起树脂过分铺展，从而使桥接危险增大。,第四节 软钎剂,对于免清洗软钎剂，通常希望其具有以下特点： l）润湿率或铺展面积大，具有良好的软钎焊性能； 2）焊后无剩余物，印刷电路板表面干净不粘； 3）固态含量极少，不含卤化物，易挥发物含量极少； 4）焊后印刷电路板的表面绝缘电阻高； 5）能够进行良好的探针测试； 6）操作工艺简便易行，烟雾气味小； 7）常温下化学性能稳定，无腐蚀作用。 对于每种具体的免清洗钎剂来说，要同时满足上述要求是非常困难的。国内外的免清洗钎剂都是根据不同的要求来配制的。如固态物含量的降低有利于降低腐蚀性，减少焊后的残余物及获得较高的表面绝缘电阻，但却会削弱发泡质量，影响软钎焊性。而增加固态物的含量虽有利于提高软钎焊性，减少桥接和焊球，但却导致表面绝缘电阻下降，残余物增加，表面发粘等。因此，只能根据具体产品的要求来决定合取和适当平衡。 免清洗软钎剂的具体配方多属专利，各生产厂家对其产品也只是介绍其性能和适用范围，如 Multicore公司的X32-105免清洗钎剂是一种不含天然松香、无卤化物的完全没有残留物的钎剂，可用于一般基板（包括单面板、双面板和多层板）的钎焊。这种钎剂适用于发泡、喷雾和浸渍等工艺方法。该钎剂钎后检验通过了美军清洁度标准（MlLP28809）、美军铜镜试验（MlL-F-1426）、英国军规（DTD-599A）和美国贝尔规范（TR-TSY-00008）。其一般特性为：相对密度0.812 0.001（在25下）；固体含量2.50.5w/w；酸值160.5mg KOHl/g；闪点 12；气味酒精味；色泽无色,第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏,药芯软钎焊丝（俗称焊锡丝）和钎料膏（即焊膏）都是钎料合金与钎剂的复合体，其共同的特点是在钎焊时，钎料和钎剂是一次性同时施加上去的，所不同的是软钎焊丝为丝状，主要用于手工烙铁钎焊，而钎料膏为膏状物，多用于各种再流焊过程。 一、药芯软钎焊丝 药芯软钎焊丝是将软钎剂预先密封在钎料合金坯料的内部，经过拉拔而制成的中心为软钎剂芯，外边包裹有软钎料合金的丝材。按照不同的钎料合金与不同性能的钎剂组合，可以有很多品牌和规格的药芯软钎料丝。而按照钎剂类型的不同，大体上可以分为以下几类：,第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏,（1）树脂芯软钎焊丝 此类为以松香基软钎剂为芯的软钎料丝。以松香为软钎剂制作成松香芯软钎焊丝由来以久，随着各种活性松香基软钎剂的开发和应用，也出现了符合QQS5l7E标准的各种R型、RMA型和RA型等树脂芯软钎焊丝。近年来，为避免树脂芯软钎焊丝中钎剂的空断并提高拉制的效率，国外多数厂家采用三芯和五芯的钎剂模具挤制坯料，并拉制出了多芯的软钎料丝。此外，基于软钎料合金的优良塑性和先进的拉伸技术，现已可将丝径拉伸到023mm。 软钎料丝的性能指标应同时满足对单纯钎料和钎剂所要求的指标，如合金的熔点，钎剂的腐蚀性，残渣量等。此外，由于药芯软钎料丝多由钎焊工人手工操作使用，因此而特别希望药芯软钎料丝的发烟量少，气味无刺激，无有害气体以及不产生钎剂的崩溅等。,第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏,（2）无铅软钎焊丝 这是随着国际社会禁止用铅的呼声不断高涨，各种无铅钎料的研制不断获得成功而出现的新型软钎焊丝。这类软钎焊丝的药芯（钎剂）与传统的各类软钎焊丝并无明显差异，只是用无铅钎料替代了锡铅钎料合金。 （3）水溶性树脂芯软钎焊丝 已有多家公司用水溶性钎剂作为药芯材料制作出了残渣可用水清洗的药芯软钎焊丝。如Alpha公司和Kester公司所生产的水溶性药芯软钎焊丝都具有钎后残渣可用水清洗，以及热稳定性更为优良的特点。Multicore HydroX水溶性软钎焊丝含有专门为电子工业研制的水溶性钎剂。虽然其活性极强而适用于焊难钎焊的零件，但其残渣可以迅速完全地溶于水而除去。,第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏,（4）免清洗药芯软钎焊丝 以免清洗钎剂作为药芯材料所制成的软钎焊丝即为免清洗药芯软钎焊丝。表48给出了KuPing公司生产的免清洗药芯软钎焊丝的各项技术指标,表4-8 免清洗药芯软钎焊丝的技术指标,第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏,二、钎料膏 钎料膏是由钎料合金粉末、钎剂及粘结剂混合所构成的膏状体，其优点在于容易实现钎料量的控制，便于复杂结构的装配和易于实现钎焊过程自动化。在实际生产过程中，经常会遇到需要将粉状钎料与钎剂混合并用溶剂调成糊状来使用。从原则上来说，这也可以称之为钎料膏或膏状钎料。但目前真正以成型产品出售并获得比较广泛应用的还仅限于电子产品钎焊用的钎料膏。随着微电子组装技术的发展和表面组装技术的不断推广应用，对钎料膏的需求量也越来越大。新型的具有更为优异性能的钎料膏也在不断问世。钎料膏已成为印制电路板组装中用来形成电子元器件外引线软钎焊接头的最重要材料。一般而言，印制电路板组装的第一道工序即为在其焊盘上印制/滴注钎料膏。,第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏,（1）钎料膏的组成 电子级钎料膏通常是由钎料合金粉和钎剂载体（软钎剂、溶剂、活化剂和调节流变特性的介质等）组成。 1）钎料合金粉 钎料合金粉末是钎料膏的重要组成部分，约占钎料膏总重量的8590，总体积的5060。钎料合金粉末由熔融态钎料合金经雾化沉积工艺制成。雾化沉积工艺是指采用高压气体（空气、氩气、氮气）或水为介质将液态金属或合全破碎成小液滴，然后快速冷却成粉末的过程,第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏,钎料合金粉末的主要性能参数为粉末颗粒形状和粉末粒度。粉末颗粒形状分为球形和不定形，ANSIJ-STD005 中规定钎料合金粉末中至少有90为球形，球形的定义标准为颗粒长一宽比在l0107之间（见图4-7）。,图4-7 球形钎料合金粉末,第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏,表3-9 粉末目数与粉末直径的对应关系,粉末粒度是粉末直径的一种表征方法，通常以目数为单位。粉末粒度与粉末直径之间的对应关系如表39所示。,第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏,表4-10 J-STD-005 中对钎料合金粉末尺寸分布的要求,目数越大，合金粉末直径越小，固定质量的粉末群的表面积越大，因此也越容易氧化。J-STD005 中规定的粉末颗粒尺寸分布如表4-10所示,第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏,钎料合金粉是构成钎缝金属的主要来源。通常对锡铅系软钎料合金粉的成分及颗料度的允差是很小的。钎料合金粉的形状以球形为主，也有采用不定型粉与球形粉混合使用的。 粉的颗粒度一般取为100目（149m）、200目（74m）、250目（63m）、300目（46m）、325目（45m）和 325目以下（45m）等几个等级，以便适应不同的涂覆方法。丝网印制时，一般要求用200-325目的合金粉，模板印刷时，粉的颗粒度可以稍大一些，并且粉的颗料度要均匀一致。钎料膏中的合金粉含量（质量分数）通常在75-90左右。为获得钎后较高的金属沉积量，常取85-90。,第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏,2）钎料载体 载体控制着钎料膏的干燥速度并与钎料合金粉一起控制着流变行为，主要起着净化钎料合金粉的表面和促进润湿的作用。载体在室温下应是液体或凝胶体，在85下迅速干燥，并且在钎焊温度下维持其活性。 载体主要由松香或树脂、溶剂、活化剂和流变改性剂组成。松香是钎剂的主体，常用水白松香。活化剂可以是有机胺、有机酸或胺的卤氢酸盐等。根据其活性程度同样分为R型，RMA型、RA型、OA型、SRA型、SA型等。同时又将活性剂及其残留物的活性分为三等，低（L）、中等（M）和高（H）；另一方面，又特别注明了活性剂中卤化物的含量，0代表不含卤化物，l代表含有卤化物，在含有卤化物的活性剂中，L形的标准是卤化物含量O5，M形为052.0，H形为2.0。溶剂和流变改性剂主要用于调节液体的流动性和粘度。为保证钎料膏的长期使用性能，溶剂可选用单种或多种有机物系统。,第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏,溶剂作为载体，溶解钎剂系统中的各种固体成分，使之成为均相溶液。溶剂的基本特性如下： l）对钎剂系统中各种固体成分均有良好的溶解性； 2）室温下具有非常低的蒸汽压，可以满足粘性和缓慢干燥的要求； 3）在预热工序可以完全蒸发且不发生飞溅： 4）具有低毒性和高闪点。 添加剂是指为适应工艺及工艺环境而加入的具有特殊物理和化学性质的物质。最重要的添加剂是流变调节剂，又称粘结剂，用来控制钎料膏的粘度和沉积特性。流变性能是钎料膏最重要的整体性能。流变性是指流体在恒定或可变的切力作用下粘度随时间变化的特性。对于钎料膏而言，其粘度应在刮扳的切力作用下迅速减小以利于印制，而一旦印制终止则恢复原来值。这是钎料膏能够被涂覆于印制电路板的焊盘之上，又能在涂覆后保持一定粘度以固定电子元器件的基础,第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏,（2）钎料膏的类型及用途 钎料膏的种类可以按钎料、钎剂和使用方式的不同来划分。 按照使用方式的差异，可以将钎料膏分为丝网印刷用钎料膏，模板印刷用钎料膏和定量分配器用钎料膏。按这种方式划分钎料膏，其差异主要体现在钎料合金粉的颗粒度上，定量分配器用钎料膏的钎料合金粉最细，丝网印刷用钎料膏的合金粉次之，模板印刷用针料膏的合金粉最粗。 钎料膏也可以按合金粉的成分来划分。锡铅合金系钎料膏是应用最为广泛的一类，尤其以 Sn60/Pb40和 Sn63/Pb37两种应用最多。Sn5Pb95和 Snl0/Pb90由于合金的熔点较高，因而用于要求较高钎焊温度的场合。锡铅银系钎料膏主要用于镀银材料的钎焊，钎料合金粉成分中添加银是为了减少厚膜中银的过分溶解。常用的有 Sn62/Pb36Ag2和 Sn5/Pb935Agl5。锡银系钎料膏中典型的为Sn95Ags和Sn965Ag35，其钎焊温度比较高，通常用于要求焊点具有较高强度和较高的抗热疲劳性能的场合。此外还有锡锑系，银锑系，铅铟系和锡铟系等，其特点与相应的钎料合金相同 。,第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏,表4-11 为日本田村钎料膏的合金成分及用途,第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏,按照钎剂类型的不同，又可将钎料膏分为树脂基钎料膏，水清洗钎料膏和免清洗钎料膏，而按照钎剂活性的差异，则可分为R型、RMA型、RA型钎料膏等。这主要取决于所用钎剂的类型。英国Multicore公司的最新产品目录中介绍了它所生产的四类钎料膏： l）免清洗型（氮气氛）配方特殊，氮气钎焊流程完美，固体物含量极低，钎后目检不易分辨出残留物，减少对清洗的要求； 2）免清洗与低残留物型可用于空气或氮气钎焊流程，钎后残留物低，可以不进行清洗； 3）普通松香型传统的松香钎料膏，残留物安全无腐蚀性，也可提供含有卤化物或非卤化物活化剂的钎料膏，以满足军用和民用产品的要求； 4）水溶型一一钎后残渣易于用水清除，活性强，可用于难以钎焊的表面，网印寿命长。 除上述四类之外，还有一种X32型“无渣”钎料膏，其钎剂是根据该公司的X32专利合成化学制剂制成，不含松香，不含卤化物，钎后不留残渣。用这种钎料育生产的印刷电路板，不用清洗即可达到军用标准MlLP28809清洁度试验的要求,第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏,表4-12给出了该公司钎料膏的钎剂类型和用途。表4-13给出了一些国内生产的钎料育类型及适用范围。,表4-12 英国Multicore公司钎料膏的钎剂类型和用途,表4-13 国内市场销售的钎料育,第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏,（3）钎料膏的特性及要求 1）粘度 钎料膏的粘度是受钎料合金粉的形状及颗粒度、钎剂成分及含量和温度等因素影响的主要性能之一。粘度的确定要考虑使用方式、印刷量的大小以及印刷图形的形状等。为获得良好的印刷性能，就要选择粘度适当的钎料膏，从而保证在印刷过程中不粘网，不糊网。表4-14给出了不同使用方式所对应的钎料膏粘度的参考值,表4-14钎料膏使用的参考值,第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏,2）软钎焊性 钎料膏的软钎焊性主要取决于其钎剂的活性和钎料合金粉的性能，对此可参照钎剂、钎料的特点加以分析和检验。 3）坍塌性 钎料育的坍塌性与其粘度、钎料粉的形状和颗料度分布、钎剂含量及印刷厚度等因素有关。细密的印刷图形容易形成塌边，造成器件引脚间的桥接。 4）残留颗料 钎料膏经长时间放置后粘度变化大，钎后容易产生残留颗粒，这主要是由于钎料合金粉的含氧量过高造成的。 5）钎料球 用钎料膏进行钎焊后，在焊点附近常常会发现一些钎料小球。产生的原因一是印刷时图形边缘的钎料粉脱落，二是由于钎料粉的含氧量过高，由于在较高温度下，钎料小球的位置可能变化，因而会影响到产品的可靠性。 6）残渣清洗性 除了水清洗钎料膏之外，使用其它类型的钎料膏，在民用产品上通常可以不用清洗，而在要求高可靠性的军用产品上，由于残渣中有钎料小球存在，在受热时可能滚动，因而必须清洗。,第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏,性能优良的钎料膏，除了要保正确的合金成分之外，还应满足以下要求： 1）成品钎料膏在存放期间内应具有良好的化学稳定性，钎料粉与液态钎剂之间在常温下应不发生化学反应； 2）印刷性、挤出性良好，印刷图形清晰，不易堵塞网眼或针孔； 3）钎料膏涂布后在较长时间内可保持粘性，有利于器件的定位和钎焊； 4）钎剂与钎料粉不易分离，若产生轻微分离后，略经搅拌应即可恢复混悬状态； 5）钎料膏的表皮应不易团化，以防止网眼及针孔堵塞； 6）触变性好，涂布后塌边，渗润小，从而保证印刷图形的清晰以及钎后不产生不必要的焊珠及桥接现象； 7）钎焊时润湿性良好； 8）毒性小。 随着表面组装过程中引线间距的不断减小组装密度的提高，对钎料膏性能的要求也愈加严格。对钎料用于 0.3mm超细间距时的问题进行了分析和总结。其结果见表4-15。,第五节 药芯软钎焊丝和钎料膏,表4-15 钎料膏用于超细间距的试验结果,第六节 机械化软钎焊技术,电子元器件与印刷电路板之间的连接是电子产品中数量最多，批量最大，应用最广泛的一类连接模式。由于印制板上的焊点多，结构形式及尺寸相近，因此最适合于一次可以完成众多焊点连接的软钎焊技术。大批量同规格的产品以机械化方式完成钎焊操作尤其重要。目前，绝大多数的印制板钎焊都是以机械化方式来制造的。 一、机械化软钎焊过程概述 一块印刷电路板自元器件插装完毕之后到形成最终产品需要经过许多步骤，在机械化作业中，这些步骤在同一件传送带上完成的。其过程如图48所示,图4-8 机械化软钎焊过程示意图,第六节 机械化软钎焊技术,在图示的软钎焊过程中，主要包含以下步骤： l）装载印制板 这是过程进行的初始位置，在这里要将已经插装好的元器件和印制板安放到传送带上。在某些自动化程度很高的生产线上，元器件的插装也是由机械完成的，在这种情况下，元器件的插装也可以作为上述过程的一个环节。 2）涂覆软钎剂 插装好元器件的印制板需要在这一工位上对各个连接点涂覆软钎剂。所用钎剂通常都是液体，涂覆可以采用发泡、波峰、浸渍、刷涂和喷射等多种方式来进行。 3）预热 预热的目的:一是通过提高温度来增强软钎剂的流动性，使其顺利达到理想位置，二是使钎剂中易挥发组分挥发掉，活性组分开始去除氧化膜，为钎料的润湿作为准备。 4）软钎焊 经过预热的印制板在这工位上完成钎焊，具体的钎焊方法有浸焊、拖焊和波峰焊几种方式。在某些生产线上，特别是对于通孔安装形式的印制板的软钎焊，常常将软钎焊过程分两步进行，即先进行一次浸焊，然后将伸出长度较长的元器件引线切短，此后再进行一次波峰焊，以保证焊点有理想的形状，并减少软钎焊缺陷，从而保证连接质量。,第六节 机械化软钎焊技术,5）冷却 经过软钎焊工序之后，印制板和元器件都处于较高温度下，并且焊点处的钎料尚未完全凝固，此时稍有振动就会影响焊点的连接质量，并且较高的温度对于一些热敏感的元器件性能是非常不利的。因此，在印制板离开软钎焊位置后就应使其迅速冷却，使焊点处的钎料金属迅速凝固，同时也可以缩短印制板和元器件在高温下的停留时间。 6）卸载印制板 在这一工位上，印制板的软钎焊连接已经完成，可以将其从传送带上取下并准备进行焊点质量检验，对于配备有自动化焊点质量检测系统的生产线，也可以经过检测后再卸载。,第六节 机械化软钎焊技术,二、钎剂涂覆 在机械化软钎焊过程中，所用的软钎剂都是液态的，这主要是便于机械化操作。常用的涂覆方式有以下几种： （1）发泡涂覆 发泡涂覆是利用充气器产生低压空气使液体软钎剂产生泡沫，通过一个收集器使泡沫聚集在一起，印制板在聚集的泡沫上方运动并与泡沫接触，这样就可以将软钎剂涂覆到印制板上（见图4-9）,图4-9 发泡涂覆软钎剂的基本原理,为获得适当的涂覆剂量，要求钎剂组元与溶剂有合适的比例，以维持适当的粘度，所产生的泡沫的大小以其直径1-2mm为佳。所用的空气压力应尽可能低，一般不超过0.3个大气压。 这种方式的优点在于适合于连续作业，对印制板进人泡沫区的深度没有严格要求，但应避免涂覆软钎剂过量，通孔内易于涂覆上钎料同时又不使产生过量沉积。这种方法的不足在于并非所有的软钎剂都适合于发泡；需要对溶剂的蒸发进行定期补偿；应用于较热的印制板时不稳定；硅化物会破坏泡沫，容易造成这类污染区域内的钎剂量不足；由于所用溶剂的沸点都比较高，因而需要延长后续预热工序的时间。,第六节 机械化软钎焊技术,（2）波峰涂覆 波峰涂覆的原理见图4-10。通过一个放置于钎剂糟底部的叶轮旋转产生一个双侧波峰，印制板在些波峰上通过就可以实现软钎剂的涂覆。为维持软钎剂液面的高度，需要配备一个可调节的波高控制器，为去除印制板上多余的软钎剂而配置一个软毛刷。,对于通孔安装式印制板，当板下元器件引线的伸出长度超过1.5mm时，特别适合采用波峰涂覆。波峰涂覆用松香基钎剂中的固体含量可以达到60，而发泡涂覆时一般不超过35。,图4-10 波峰涂覆软钎原理示意图,波峰涂覆软钎剂的优点是适合于连续作业，各种液体软钎剂均可采用这种方法，特别适合于通孔安装印制板，还可用于较热的印制板。其不足之处在于对钎剂液面高度的要求非常严格，溶剂挥发损耗较大，需要定期补充，另外还存在着软钎剂渗