2-3 助焊剂.doc

助焊剂的组成与功用 一、助焊性的重要性 各种焊接进行前，被焊的金属表面皆必须先行涂布助焊剂(flux) ，再经预热之能量激发出助焊剂中的活性成分(Activator ，即某些酸类或盐类) ，而将待焊表面(如铜面、焊锡面、纯锡面、银面等)之轻度氧化物与污着物予以清除(如除去 Entek 皮膜) ，也就是使之产生还原反应，使氧化物被分解而得以被移除之谓也。此种有效的清洁功用，可让焊料(Solder)得与待焊表面迅速产生 IMC 而沾锡(Wetting)而焊牢。故助焊剂亦为焊接行动中的重要成员，绝非只是配角而已。 曾经有许多外国前辈，为了免洗政策之事后清洁问题，而试图放弃液态直接涂着的助焊剂，尝试在焊接联机的机组环境中，大量充填还原性的调配性气体，如氢气与氮气(10%H 90%N )或 10% 甲酸气体(即蚁酸 Formic Acid)等，以代替液态助焊剂执行相当于还原去除氧化物的任务。但从多种结论中可了解到，此等做法虽然在焊锡性 上确能有所改善，甚至与某些良好助焊剂的效果不相上下；然而却出现焊点强度不足一拉即脱之窘境，与正常液态助焊剂之有板有眼，确实十分逊色而尚有差距。在玩不下去之下只好作罢，由此可见助焊剂重要性的一斑了 。 二、助焊剂的概要 2.1 从实务中归纳出助焊剂的功能如下： (1)在外加热量的助力下，其中之活性物质可将待焊表面的氧化物与杂质予以还原性的清除。 (2)还原清洁后到焊接完成前，于组装板行走的高温环境中，尚可继续保护待焊表面不致被再氧化，并协助传热。 (3)协助焊垫向外排除各种污废物，防止板面产生锡网 (Webbing ) 、搭桥(Bridging )及形成锡尖(Icicle)与锡球 (Solder Ball)等缺失 。 2.2 各种品牌的助焊剂，其等保密之商业配方当然各有千秋，然其中主要化学性成分则不脱下列范畴： (1) 载运剂或载剂 (Carrier Materials)- 为组成份之主体及协助活性剂之分布及传热。 (2) 活性剂 (Activator )-可于高温中对金属氧化物产生还原作用 。 (3) 溶剂 (Solvent)-调节整体之黏度与比重，及协助传热。 (4) 湿润剂 (Wetting Agent)-协同助焊剂本体对板面的附着及分散。 2.3 助焊剂的质量要求 早先电子业界有关助焊剂本身的质量要求，其国际归范几乎一向以美国联邦规范QQ-S-571E 为法典。然此份古老文件在年久失修之下早已被ANSI/J-STD-004 (Apr. l992 )所取代。不过此份 004 在电子科技快速进步下又已呈现老态，新版 004A 目前正在进行修订中 ，很快就会登台亮相。一般助焊剂需做品管的主要项目约有： (1) 固形物 (Solid Content)含量-也就是溶剂与挥发物以外的固形本体化学品，如卤化物或固酸类，又称为”非挥发份” (Non-volatile matter) 。一般现场管埋系采测比重的方式加以管控。通常 Flux 之固含量约 15-35% ，另有新式低固形物者只有2-8% (一般 5%以下) ，焊后几乎没有残渣，亦称为免洗 Flux。 (2)酸价(Acid Value)- 系上述各固形物所提供活性指标之一，但也是后续板面腐蚀的来源。 (3)导电度(Conductivity)-可从助焊剂水溶液进行的试验，由其数值之大 小可得知，其不利于绝缘性的离子浓度是否符合规范之要求。现行导电度的单位为 S/cm ；1SK cm(S 为 Siemens 的缩写) 。 (4)铜镜反应(Copper Mirror)-可试验出助焊剂的腐蚀性。 (5)绝缘电阻试验(Insulation Resistance Test)-可看出助焊剂或其它制程化学品，其板面残迹的不可靠度如何(又称为表面绝缘电阻试验 SIR) ，也就是想找出对产品寿命有负面影响的离子存在情况。 (6)其它尚有铬酸银、助焊效率、 残渣清除性、溅出试验、黏着性等各类有关之质量检验。2.4 助焊剂之早期分类法，系按其主成份的属性而做区别(最早按 ISO-9454-1) ，电子用助焊剂可慨分如下： (1)树脂型(Resin)-按其主剂之不同又可再分为松脂型(Colophony Rosin)及非松脂型(Non-Colophony)或只称树脂型等两类。所加入的活性剂则有：非活性、卤素活性、及非卤素活性等三类。至于制品外形则另有液态、固态及浆态三种。 (2)有机型(Organic)-有水溶及非水溶两型，其助焊剂之类别同上，制品外型也如同上三种。 (3)无机型(Inorganic)-本项中由 Flux 主剂性质之差异而又有盐类(如氯化铵或其它) 、酸类(磷酸或其它)与胺类 (胺类或氨水类)之不同。 三、树脂型助焊剂之分类及化性：电子用途之助焊剂很早就锁定在树脂型(Resin)中的松香类(Rosin)，此种 天然化学品足从松树(Pine)中得到的原始松脂(Colophony)，经精制后而成为再制之松香(Rosin) 。松香之所以能够展现出助焊能力者，系因高温中会衍生出多种有机酸来，其中主要可用者就是松脂酸(Abietic Acid) 。此有机酸虽在 高温中具有活性可溶除金属氧化物，但在常温常湿中却呈现为不具活性的固体酸，具有相当好的安全性与可靠度，而成为被电子工业选中的宠儿。然而此等天然有机物其化性在不同环境中并不稳定，经常会因不同品牌或批号而在效果上有着很大的差异。是故其等质量足否长期稳定，无论供货与使用双方均有责任加以监督。不过电子品之量产焊接制程，只靠松脂酸是不够的，还需另行加入其它活性剂才行。故早期的美国联邦规范与后来的美国军规，以及 IPC与 EIA 所共拟的 ANSI/J-STD-004 中，均将松香型助焊剂再划分如下之三型： (1) R Type- 表示仅只采用天然松脂所提炼的松香(Rosin) ，最多只加一些溶剂调薄而已(如异丙醇 Isopropyl Alcohol) 。此种较安全而不致带来后续烦恼的助焊剂，却也因活性不够而只能用于一些精密敏感的 高价产品上，事后可以不必清洗。但却无法用于大批量的一般产品生产中。 (2) RMA Type-松香中已另加入一些微活性的活性剂(Mildly Activated) ，虽然其焊后残渣尚不具腐蚀性及导电性，但当湿度太大时也许会出现水解，故仍不安全，其焊后应加清洗。 (3) RA Type- 松香中已添加了颇为强劲的助焊活性剂，必须加强焊后清洗。但却因板面死角太多，一旦清洗不净，则势必祸害无穷。其负面效应更远超过焊锡性之不良，故电子工业很少敢用。 松香常温中为固体，必须溶解成溶液才能使用，其溶剂以醇类为主。其原物料系取自松树之树液经蒸馏后所得液体为松节油，固体即为松脂(Colophory)再精制即得松香，大量用于橡胶、纸油漆及胶类工业，少量用于助焊剂类。各种商品中除了主剂之外，还须另行加入下列助剂才行： 活性剂(Activators)- 如氯 化物、溴化物、羰酸(Carboxylic Acid)与胺类等，若再加入更强的无机物如硫与磷等，有时称为 SA级(Super Activated)之助焊剂，较容易水洗，但残余物也颇具腐蚀性 发泡剂(Foaming Agents)-是一些非离子性的表面活性剂。 安定剂-如烷基式胺类(AlkanolAmines)等。 溶剂-如异丙醇(IPA)等。 松香被业界选中并长期使用，其主要原因有： 常温中是一种不具活性不具反应性的固体。 溶成溶液后黏度很低，可除去金属表面的污染物，并在焊接的高温中尚不致受热分解，十分安定。 焊接后也许还会残留在板面上，具有很好的绝缘性。 松香(Rosin)家族的结构式主要有三个苯环，按其双键所在位置的不同主要有三种异构物，其中主要的活性成份就是松脂(香)酸(Abietic Acid 或 Sylvic Acid) ，分子式为C19H29COOH ，熔点172，因只有一个酸基故活性并不强。松香本身很容易氧化与吸水及聚合化而变质，成为棕褐色逐渐失效的东西，其溶液也很容易逐渐起泡或结晶，一旦如此可做加温处理，冷却后将又可回复正常。 四、水溶性助焊剂 ：系指残渣可被水溶液洗掉，并非指配方中含水。自从溶剂清洗因环保政策而无法再进行后，所谓 水性清洗(含半水溶)就是另外加入皂化剂(Saponifiers)的协助。其主剂已不含松香或极少部分的松香，称为 OA 级助焊剂(Organic Acid) ，比上述松香为主体的助焊性都要更强。此类 Flux残渣其腐蚀性颇强，故焊后必须彻底清洗。可先采高温(60)已皂化的水洗液强力冲洗，又经数次一般水洗后，最后再用纯水完全洗净。此等水溶性助焊剂的主要成分约可分为四大类： (1)溶剂- 即水或与醇类混合物所形成之溶剂；可令焊后板面上高黏度的残渣易于清除，并可使之均匀分布于板子全面。 (2)载运剂- 加入水溶性的载运剂；如乙二醇(Glycol)及聚乙二醇等聚合物，可使清洗成份能紧附在板面上而不致挥发逸走，并可隔绝掉氧气再氧化的烦恼。 (3)湿润剂- 可使板面所装零件死角处也能被均匀分布及湿润。 (4) 化学活性剂- 此为助焊剂之主角，可用以除去氧化物及油脂类。由于水溶性助焊剂理论上可用多量的水份加以冲洗干净，故其中所用活性剂可适度加强，如采用有机盐类(DMA HCL) 、酸类(乳酸、柠檬酸等) 、或胺类(如三乙醇胺或尿素等) ，甚至无机盐类(氯化锌、氯化铵)或酸类(稀盐酸)等。 不过，采用此等强力肋焊剂不但后续清洗设备必须非常完备外，并还须得到客户的许可才行。 五、锡膏助焊剂 ：锡膏中助焊剂除上述各种化学品外，为了保型及黏着力起见，还须另行加入抗垂流剂与增稠之黏着剂等，现分述于后 ： (1)抗垂流剂-锡膏对流变性非常讲究，故必须在其助焊剂中加入少量(约 10%重量比)专用添加剂才行。此抗垂流剂又称为摇变剂(Thixotropic Agent) 。此等化学品是兼具载体功能及流变性之控制者 ，在锡膏中含量相当的多。其等主功能是在使锡膏具有膏状或胶状 (Gel)的物理性质，也就是使其能维持三度空间立体造形的性质，在外形上能具有一定程度的固态性质。除上述之主要添加物外，其余成份则 是用以填充结构单元中的空隙用途。 上述流变性添加剂能够提供一种胶状结构，因而可使得焊锡粉粒与其助焊剂混合后，也能够得以保持悬浮状态，而不致发生沉淀。否则经过长期储存后，焊锡粉粒必定因重力的关系而沉积到容器的底部。一旦如此要想再加以打散调匀，就不是那么容易了 。还有一点要注意的就是，含有流变控制添加物的助焊剂，其流变性与再混入焊锡粉粒又有所不同。故其助焊剂之配方，应以加入焊锡粉粒后所应表现的性质为准。与其它焊接方式只注意到助焊剂本身的性质，已有所不同。且按锡膏之施工方式不同，如针筒注射法、网版印刷法、以及镂空钢版(Stencil) 印刷法等，所用锡膏之流变性也都按实际情况有所调整。所添加的流变剂(抗垂流剂)应取决于助焊剂之型式，及松香型或非松香型，溶剂型或水溶性等而各自有异。就水溶性系统而言，可添加的流变剂也有很多种例如 ：天然树胶(Gum)类(例如:古亚胶 Guar Gum 、黄酸树胶Xanthan Gum 等) ，与纤维素(Cellulose)之衍生类(如 ：Sodium Carboxymethyl Cellulose ,Ethoxylated Cellulose 等) ，以及其它多种衍生物等 ，甚至也可选用硅酸盐类、黏土 ，乙丙烯酸类等物质。但水溶性锡膏则可能将被局限于无机酸活化的助焊剂类，因而此等物料都将派不上用场。 另一种可当成流变控制剂用的就是腊(Wax) 。其定义涵盖范围非常广，简单的说凡物质在室温之中是呈现一种可塑的固体，但在高温中又将呈现液化的状态者，均称为腊 。若将腊混入某种能够匹配的溶剂中，并使之热溶而添加至某一浓度比例，再冷至室温后，即呈现胶状的外貌。 但说来容易但做起来却颇费周章，要注意的是此种腊的软化温度(Softening Temp)要很高，以方便助焊剂在储存中，即使环境温度情况变化很大时，也不致出现变化。以腊调配的助焊剂及所完成的锡膏 ，并 不适用于网版印刷与钢版印刷法。 所用的腊按其来可分为 ：虫腊、动物腊、石油腊、合成腊等，虫腊或动物腊是一种由长炼的脂肪酸与碳氢化合物衍生的酸酯所组成的混合物。石油腊则是碳氢化物，助焊剂中也会用过各种等级的石油腊。早期水管工匠所用的无机助焊剂中 ，合成腊则是另一必须之物。合成腊所用的原料也都不同，按所需的熔点及溶解度的不同，其官能基也各有异。某些聚氧化乙二醇为基础的腊类可溶于水中 ，要注意的是其等分子式均有极性部份，故有吸湿之性质，其性质如何与分子量有关。凡当分子量增加时，水溶性、吸湿性及蒸气压都将为之减少，但熔点、黏滞度却会随分子量变大而增加。 (2)增稠黏着剂- 当锡膏黏度不够而欲增稠时，则比起水溶性锡膏来要困难得多。因限制太多，故锡膏商品中可用的增稠剂也很有限。最常见的就是一种改质蓖麻油(Modified Caster Oil)的衍生物，其不同的制造商也各自用了不同的商业名称。这是一种三元酯类的油酸，外貌呈现一种不干性的油类(Non-Drying Oil) ，在油漆界已有很久的历史。其分子式中有 90%是蓖麻油(Ricinoleic Acid) ，这是一种 18 个碳的炼状化合物，在 9 碳到 l0 碳之间有双键，在 12碳上有 OH 基。此种蓖麻油可进行氢化或胺化而得以改质 ，因而其已具有氧化状态的安定性 ，及无