2-2 焊锡膏.doc

作为SMT第一道工序就要用到焊膏，而焊膏的好坏对产品起关键作用，据有人统计，电子产品 72%的缺陷是由于焊膏引起的，可见其重要程度称之为产品成败因素都为之不过分。目前市场上各种档次各种品牌的焊膏有很多（很多还是国产的），销售人员都会讲其多好多好，可不见得每人能把其焊膏材料特性和工艺特性真正昭示给人们，最多是讲那个国家某某品牌而已。我们不能只听是某某品牌，要的是其真正的性能，唯有做过焊膏的性能（多项）测试，才能将其用到生产中去，否则，一旦焊膏质量出问题将断送产品前途。掌握焊膏的测试(试验)手段，对焊膏进行评估，是每位SMT工程师的首要任务。对于焊膏的选择，SMT工程师首先需明确焊膏所使用的产品，是用于精密可靠性产品还是民品，是要求清洗的产品还是免清洗的产品。决不可将民用的焊膏用于精密可靠产品上，也不能将免清洗焊膏随便用于军品上（包括航天的，一般都不允许）。一、焊膏的分类与组成焊膏是一种膏状流体，在常温下有一定的粘性，可将电子元器件粘在既定的位置，在钎焊的温度下，将被焊元器件与印刷电路焊盘永久地连接在一起，并起电路道通作用。焊膏由钎料合金粉和焊剂组成，并根据其粘度、流动性及漏板的种类设计配方。焊膏按熔点分高温焊膏（230以上），中温焊膏（200-230），常用焊膏（180-200）和低温焊膏（180以下）；按焊剂活性分类有“R”级（无活性），“RMA”级（中度活性），“RA”级（完全活性）和“SRA”级（超活性）；按清洗方式分类为有机溶剂清洗类（传统松香焊膏，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焊膏，以满足军用和民用产品的要求），水清洗类（活性强，可用于难以钎焊的表面，焊后残渣易于用水清除，网板寿命长），半水清洗和免清洗类（配方特殊，焊接过程要氮气保护，非金属固体含量极低，焊后残留物少到可以忽略，减少了清洗的要求）。焊膏是由细小颗粒的金属粉和焊剂均匀混合而成，对于焊膏的材料分析最主要就是对合金粉的分析，其次是焊剂的分析。（1）合金粉及颗粒试验合金粉（颗粒）是焊膏的重要组成部分，也是起焊接（和电路导通）作用的部分。通常取占焊膏总重量的85%-92%，这时可获得钎焊后较高的合金沉积量。滴注形式中焊膏里合金粉比重含量为8586%，丝网和模板印刷中焊膏里合金粉比重含量为88%-91%，体积接近50%。当合金粉含量增加时，（1）焊膏的粘度增加，能有效地抵抗预热过程中汽化所产生的力，（2）使金属粉末排列紧密，焊膏在熔化时更容易结合而不被吹散，（3）可能减少焊膏印刷后的“塌落”，（4）由于粘度加大而可能产生焊膏粘网的现象。合金粉原料为在惰性气体中用气体喷雾法或离心喷雾法获得，并在氮气中储存防止其氧化。为得到均匀球径的粉末颗粒，目前多用离心喷雾法制合金粉。合金粉颗粒的大小和形状对于焊膏的粘性和印刷性能有着直接的影响。焊球直径应小于金属印刷模板厚度的三分之一，最小孔径宽度的五分之一，否则，直径过大的焊球和不规则的颗粒容易阻塞漏印窗口，造成焊锡膏印刷不良。焊球直径过小，其表面氧化物会随直径变小而非线性快速增加，在回流焊（再流焊）中将大量消耗助焊成分，严重影响焊接质量。所以，合金粉的颗粒不能太大也不能太小。如果用免清洗焊膏，其去氧化物物质偏少，焊接效果会变差。因此，免清洗焊膏也不是更好的焊膏。典型的合金成分有铅、锡、银、铜等，典型的杂质含量为：氧化物0.50%,锑0.50%,锌0.005%,铁0.001%,铜0.08%,砷0.03%,磷0.01%,硫0.005%,镉0.002%,铝0.001%。合金粉粒度的大大小、形状、粒度、均匀度和表面氧化程度对焊膏的性能影响很大。粒度愈小粘度愈大，但容易氧化，反之亦然。合金粉粒度试验可用100倍的读数显微镜进行，主要用来测试其分辨率。试验过程是使用膏状助焊剂将焊膏稀释，并置于载物台玻片上。在观察时，要注意选择界面内颗粒清楚的部分，有些相连的颗粒需要排除。焊膏的分辨率为焊膏粒度的3-5倍。合金粉的颗粒度一般取100目（105m）、200目（75m）、250目（58m）、300目（48m）、325目（45m）、400目（38m）、500目（30m）和625目（20m），以适应不同的涂覆方法。目是英制，指筛网每平方英寸面积上的网孔数。实际中，要用几个不同网眼的网筛来收集合金粉，最后收集到的合金粉是个区域值。-325/+500目表示至少90%重量比的粉末颗粒应能过通过325目的网，至少20%重量比的粉末颗粒通过500%网。 理想的合金粉是粒度一致的球形颗粒，实际形状为球形或非球形，粉末长款比不超过1.5：1。球形合金粉表面积比较小，氧化程度低，制成的焊膏粘度低，具有良好的印刷功能，一般应用于精细间距的LSI（大规模集成电路）中。不定型合金粉粘度高，一般使用于普通应用中。（2）焊剂：焊剂的主要成分有活化剂、触变剂、基材树脂和溶剂。活化剂主要起到去除PCB板上的焊盘表面层及零度焊接部位的氧化物，同时降低合金表面张力，在焊剂中的重量比占0.21.0%。触变剂主要用来帮助合金粉悬浮、调节焊膏粘度以及印刷性能，起到印刷中防止出现拖尾、粘接等现象，一般由溶剂、乳化石蜡等组成，作为增添剂或副溶剂，起着调解剂的作用，其中溶剂一般都是高熔点的溶剂。基材树脂主要有松香脂、合成树脂等，常用基材树脂占剂重量比为20-30%，主要作用是去除氧化膜，形成保护膜防止焊接过程中合金粉进一步氧化，另外在免清洗焊接中形成机械、化学性质稳定的膜，对焊接部位起到一定保护作用。溶剂可使金属颗粒在钎料膏中形成糊状体，起到调节均匀性的作用，要求其不易吸湿，对焊膏寿命有一定影响。二、焊膏的粘度试验首先要知道焊膏的“触变性”。焊膏是一种假塑性流体，有触变性。其粘度随时间、温度、剪切强度等因素而发声变化。焊膏在低剪切率（慢或不流动）的环境下是粘稠的，随着流动性的增加和剪切率的增加，其粘度回逐渐变稀。同样，在固定的剪切率下，粘度也会随着时间的增加而下降。一旦剪切力停止，粘度就立即回升。理论上，最终返回初始的状态，恢复过程也许需要几小时。焊膏的这种特性在流变学中称为“触变性”。焊膏的粘度主要与焊膏合金粉含量、粉末尺寸、焊剂粘度有关，各厂家对焊膏粘度的要求是随应用范围的不同而不同。粘度太高，会粘连网孔；太低无法保形且无法粘固元器件。三、焊膏的工艺性科技的发展使元器件之间焊脚的间距越来越小。细间距对焊膏的工艺性提出了更高的要求：（1）良好的印刷性能丝网印刷用于焊点的高度为0.3mm以上，模板印刷用于焊点的高度在0.10-0.30mm之间。细间距器件的焊膏印刷都采用了金属模板接触印刷。焊膏中合金粉末直径为模板开口尺寸的1/5以下，否则容易发生堵塞。焊膏粘度受钎合金粉的形状、颗粒度、焊剂成分及含量和温度等因素影响。为获得良好印刷性，就要在印刷过程中不粘网、不糊网。焊膏粘度一般注射滴涂敷为100-300Pa.s，丝网印刷为300-800Pa.s，模板印刷为400-1200Pa.s，最高可达1400Pa.s。粘度大时，焊点成型好且不易塌陷，适用于细间距焊接，但焊膏不易穿过漏印板开口；太低又容易流淌、塌陷、产生桥连，影响印刷分辨率和线条平整性，而且焊剂容易从焊膏中流淌出来，为以后产生焊球或桥连留下隐患。焊膏中添加合适触变剂能很好地解决这一矛盾。印刷时，焊盘被焊膏覆盖的面积不应小于75%，无铅工艺中不应小于90%。（2）良好的保形性焊膏的坍塌性与其粘度、合金粉的形状和颗粒度分布、焊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陷，造成元件引脚间的桥连。另外，合金颗粒直径大小一致性好，可使印刷后线条完整均匀，棱角挺括性趋炎附势一致，最大塌陷小于规定的10%，印刷分辨率高，减少缺陷。焊膏的工作寿命理论上为3天，但是使用时，一般在印刷后4-8小时内就应贴装上元件进行焊接。（3）良好的粘结性焊膏的粘结性可改善脱模性。粘结性良好且保持足够时间的焊膏，可使元件贴装时减少飞片或掉片。在进行回流焊前保持正确的位置，并且经受振动和颠簸。SMC/SMD的贴片应用中，焊膏的粘结力应大于40gf。（4）少焊球性焊后在焊点附近常常会发生一些钎料小球。产生的原因一是印刷时园形边缘合金粉脱落，二是合金粉的含氧量过高或过低，三是合金粉末的氧化严重，另外，还与温度曲线及焊膏内水份、钎料颗粒的均匀性、焊剂的活性有关。组装电路板经几道印刷工艺之后，电路板面与印刷网板之间形成间隙大概为0.04mm左右，易产生漏膏而熔化形成焊球。焊膏中合金粉含氧量过高，经长时间放置后粘度变化太大，易产生残留颗粒，熔化产生焊球。焊膏进料时就要测试粘度，放久了就要重行测试，看是否发生了变化。焊剂量过多，焊膏印刷后局部塌陷，流淌带微小钎料粒子（0.010-0.015mm左右），焊接时易形成钎料球。合金颗粒越小，粒子表面积越大，越容易氧化，反之越小。合金粉氧化后可焊性降低，表面张力增大，熔融后自然形成小球状。当氧化物含量达到0.5%以上时，钎料球发生的几率相当大，一般细间距用焊膏的合金氧化物应控制在0.03%，极限值应小于0.15%。焊剂活性度较低时，去氧能力弱，也易产生钎焊球。免清洗焊膏的活性一般比松香型和水溶性焊膏的活性低，使用时要特别注意。焊膏使用时间太长，贴片后到回流焊的间隔时间过长，焊剂变质也易产生焊球。（5）良好的残渣清洗性除水清洗焊膏之外，使用其它类型的焊膏，民用品上通常可以不用清洗，而在要求高可靠性的军用产品上必须清洗。常用的CFC清洗，除了了能有效地清除掉松香焊剂残渣外，还可以有效清除粘附在板上的极微小钎料球。（6）良好的软钎焊性焊膏的软钎焊性是指焊膏润湿焊接表面的能力，主要取决于其焊剂的活性和合金粉的性能，对此可参照焊剂、合金种类的特点加以分析和检验。通常“R”级适合于航天及军用电子设备，“RAM”级适用于军用及专业电子设备，“RA”级适用于消费品类电子设备。四、焊膏的使用和保管要求（1）使用要求大部分焊膏在常温下只能短时间保存，过热会导致焊剂与合金粉末分离，改变焊膏的流动性，造成性能不良。理想的使用温度为253，相对湿度为40-60%，最佳40-50%；要避免放在空气流动的环境中，不可有冷风或热风直接对吹，最好在相对密闭且空气对流小的空间中印刷；尽量减少光线照射焊膏的时间。使用前应在室温（前所说最好是253）下放置46小时，使焊膏温度回到室温，绝不可加热升温，否则会造成焊剂等成份析出。未完全回到室温使用的话，焊膏会冷凝空气中的水气，焊接时造成塌陷、溅射等问题；同时，吸收的水份在回流焊的高温下会与某些活性剂起反应，引起焊接不良等。使用前用锡膏搅拌机对焊膏进行搅拌，使焊膏的各个组份均匀分布，时间为15min，转速为30r/min。如用人工搅拌，可能会产生气泡，所以一般都用机器。印刷时，要保证焊膏滚动前进，采用直线印刷以提高效率。焊膏首次释放量为印刷用量的2-3倍，涂抹的长度为印刷有效区域的长度。在最初的几次行程中，刮刀会带起一些焊膏，而且长度也会比有效长度长，所以在最初印刷了3到4块板子之后，要再检查漏板表面焊膏的量，以少量多次为原则补充焊膏。为保证焊膏良好滚动，考虑到焊膏量与印刷压力的关系，一般模板上焊膏的量最少要保证焊膏滚动时，其直径在10-20mm之间，最佳为15mm。生产后如有剩余焊膏希望在下一轮使用，应再次将焊膏容器密封，但不可放入冰箱保存，室温下即可；下次使用时与新鲜的焊膏按1（旧）：2（新）混合使用。焊膏使用完毕后，必须将容器壁上残留围干的焊膏用刮刀刮干净并压入容器低部的焊膏中，以免容器壁上的焊膏干燥固化。注意不要将容器壁上已干化的焊膏颗粒混入下面的焊膏中。（2）保管要求焊膏是一种贵重耗材，保管不当会造成很大的浪费。存放的温度和时间长短是要时刻注意，避免错误的存放温度或存放时间过长而性能变坏。焊膏需以密闭状态存放在恒温恒湿的冰箱里，保存在2-10环境中，最佳为4-8，决不可冷冻保存，否则会造成焊剂的沉淀或结晶，影响使用效果。水溶性焊膏一般冷藏寿命为36个月，免清洗焊膏为6个月到1年。焊膏没开罐在室温下放置168小时后报废，开罐后则在 24小时后报废。所以焊膏在运送时要用绝缘材料和干冰保护，避免过热。五、可焊性评价：可焊性是焊膏的最重要的指标。（1）扩展试验：是测试钎焊料在母材平行板上的扩展性，也是测试熔融钎料润湿性最普通的方法。用扩展试验对可焊性的评价有：扩展面积、扩展率、接触角等。扩展面积法扩展面积法是把一定量的钎料在规定的母材板上加热扩展以测定扩展面积。扩展面积越大，表示可焊性越好。扩展率法（依据QQ-S-571E的4.7.7.22，ASTM-B-545）焊剂的活性程度表示焊剂清洁金属表面和促进润湿的能力。焊膏中的焊剂活性可以通过扩展率测试方法来确定。接触角法六、焊膏的工艺性焊膏的工艺性包括焊膏物理稳定性，焊剂固体成份含量、不挥发物含量、氯化物含量、表面绝缘电阻、水萃取液电阻率、粘着性、酸性、腐蚀性等。这些工艺性能可采取以下方法进行测试。（1）金属含量测试（2）焊剂含量测试（3）不挥发物含量测试（4）粘着力测试（5）工作寿命试验（6）润湿性测试（7）焊球测试（8）塌陷性测试七、其它焊膏的自然尺寸和焊接后的尺寸也是测量的指标之一。焊膏的沉积高度是其自然尺寸的一个重要指标。一般采用厚度为0.1mm（4mi