第6章 组装辅助材料

第6章电子组装辅助材料及工艺 6 1助焊剂助焊剂是一种促进焊接的化学物质 在焊接过程中 它是一种不可缺少的辅助材料 其作用极为重要 助焊剂通常是以松香为主要成分的混合物 是保证焊接过程顺利进行的辅助材料 焊接是电子装配中的主要工艺过程 助焊剂的主要作用是清除焊料和被焊母材表面的氧化物 使金属表面达到必要的清洁度 它防止焊接时表面的再次氧化 降低焊料表面张力 提高焊接性能 1 助焊剂的作用 润湿 荷叶表面的水珠 液体 固体表面漫流 润湿表面张力 附着力 1 助焊剂的作用 助焊剂的作用 Oxidize Flux自然界中除纯金和铂外 置放在空气中的所有金属在室温下都会产生氧化 表面形成氧化层 防碍焊接的发生 三个作用 清除金属表面的氧化层保持干净表面不再氧化热传导 助焊剂的特性a 能快速去除表面氧化物 防止再氧化 降低表面张力 b 焊剂的熔点比焊料低 在焊料熔化前 焊剂可充分发挥助焊作用 c 焊剂的表面张力要比焊料小 润湿扩展速度比熔融焊料快 扩展率 85 d 黏度和比重比熔融焊料小 容易被置换 助焊剂的比重可以用溶剂来稀释 一般控制在0 82 0 84 e 焊接时不产生焊珠飞溅 不产生毒气和强烈的刺激气味 有利于保护环境 f 焊后残留物少 易去除 并且基本无腐蚀 不吸湿 不导电 不粘手 g 免清洗型助焊剂要求固体含量 2 0wt 不含卤化物 焊后残留物少 不产生腐蚀作用 绝缘性能好 绝缘电阻 1 1011 h 水清洗 半水清洗和溶剂清洗型助焊剂要求焊后易清洗 i 常温下储存稳定 a 按焊剂状态分 液态 糊状 固态三类 b 按焊剂活性大小分 低活性 R 中等活性 RMA 高活性 RA 和特别活性 RSA c 按焊剂中固体含量分 低固含量 2 中固含量 2 0 5 高固含量 5 d 按活性剂类别分 松香 有机酸焊剂 有机胺卤化物焊剂 水溶性酸类焊剂 有机酸焊剂 e 按焊剂主要化学成份分 无机焊剂 有机焊剂和树脂焊剂 f 按焊剂残留物溶解性能分 树脂型 有机溶剂清洗型 水溶型和免清洗三类 2 助焊剂的分类 无机系列焊剂无机系列焊剂通常使用活性剂为无机盐和无机酸 其特点是活性大 腐蚀性较大 能够用水清洗 一般SMT中几乎不用 有机系列焊剂有机系列焊剂包括有机酸 有机胺 有机卤化物等物质 其活性相对较弱 但具有活性时间短 加热迅速分解 留下残留物基本上呈惰性 吸湿性也小 电绝缘性能好等特点 有利用于采用溶剂或水清洗 树脂系列焊剂树脂系列焊剂由松香或合成树脂材料添加一定量的活性剂组成 其助焊性能好 而树脂可起成膜剂的作用 焊后残留物能形成一致密的保护层 对焊接表面具有一定的保护性能 树脂型 水溶性 有机溶剂清洗型 3 助焊剂的组成 通常焊剂的组成包括以下成份 活性剂 成膜剂 添加剂和溶剂 a 活性剂活性剂是为了提高助焊能力而加入的活性物质 它对净化焊料和被焊件表面起主要作用 在焊剂中活性剂的添加量较少 通常为1 5 通常无机活性剂助焊性能好 但作用时间长 腐蚀性大 不宜在SMT中使用 有机型水溶性活性剂 焊剂低温时活性较小 焊后腐蚀性小 易于清洗 b 成膜剂焊剂中加入成膜剂 能在焊接后形成一层紧密的有机膜 保护焊点和基板 使其具有防腐蚀性和优良的电绝缘性 常用的成膜剂有天然树脂 合成树脂及部分有机化合物 如松香及改性松香 酚醛树脂和硬脂酸脂类等 一般成膜剂加入量为10 20 甚至高达40 加入量过大会影响扩展率 使助焊作用下降 并在PCB上留下过多的残留物 c 添加剂添加剂是为了适应焊接工艺和工艺环境的需要而加入的具有特殊物理和化学性能的物质 通常加入的添加剂有 PH调节剂和润湿剂 光亮剂 消光剂 缓蚀剂 阻燃剂 发泡剂等 PH调节剂可降低焊剂的酸性 润湿剂的作用是加大焊料和被焊件之间的润湿性 增强可焊性 为了使焊点光亮 可添加少量光亮剂 光亮剂的添加量不宜太多 应控制在2 以下 在焊剂中加入消光剂 使焊点消光 这对组装密度高的产品尤为重要 可克服检验时眼睛的疲劳 特别是在自动化生产中 不因视觉错误而影响产品的质量检验 消光剂的量应控制在5 以下 焊剂中加入缓蚀剂 能保护PCB和元器件引线 使之具有防潮 防盐雾 防腐蚀性能 又保持良好的可焊性 缓蚀剂一般添加量在1 以下 为保证焊剂存放及使用安全 需加入降低其易燃性的物质 在焊剂采用发泡涂布的场合 需加入发泡剂 d 溶剂SMT中通常使用液态焊剂 为此 必须焊剂组成中的固体或液体成分溶解在溶剂里 使之成为均相溶液 常用的溶剂有 乙醇 异丙醇 水等 水溶性助焊剂的溶剂可以是水 也可以是低级脂肪酸 乙醇 异丙醇 等有机溶剂 焊接时若水分未挥发干净 在焊料槽中会产生焊料飞溅 而以乙醇或异丙醇作溶剂的水溶性焊剂不会出现这种现象 1 外观 透明 免清洗 无沉淀物 混浊 分层现象 2 发泡能力 松香型焊剂固体含量大于5 免洗焊剂采用喷射 3 扩展率 焊剂活性能力指标 R 75 RMA 80 RA 90 低固态免清洗 80 4 焊剂性能指标 4 相对润湿力 焊剂活性能力指标 采用润湿平衡测试仪 可焊性测试仪 进行测试 属于定量性 5 焊后残渣干燥度 免清洗工艺用 避免残渣吸附过多污染物 方法 焊后1 5小时 白垩粉 PCB 毛刷 无残留 6 固体含量 松香型 15 水溶性8 10 免清洗1 3 7 卤素含量 无溶剂焊剂中卤素含量的 焊剂的腐蚀性是考核焊剂的重要指标 首先考虑卤素含量 R型 RMA 不应使络酸银试纸变白或浅黄 RA型 0 07 0 2 免清洗 无 8 水萃取液的电阻率 cm 焊剂在水溶液中的电阻率 焊剂在水溶液中的会电离出各种离子而导致水电阻率降低 特别是卤素含量超过0 2 时 明显降低 反映焊剂好坏 R型 RMA 5 105 RA 5 104 9 铜镜腐蚀 铜镜70 80nm涂覆焊剂24小时 铜层的腐蚀情况 直接反映焊剂的腐蚀强弱 R 无变化 RMA 焊剂不应使铜膜有穿透性腐蚀 10 绝缘电阻 将焊剂涂覆到PCB上 高温 高湿环境中放置一段时间后测绝缘电阻 从而评估焊剂的抗电强度 R型 RMA 免清洗 1 1012 一级 1 1011 二级 RA1 1011 一级 1 1010 二级 5 常用焊剂介绍 常见的四种类型助焊剂 松香型 水溶性 低固含量免清洗 无VOC焊剂 VOC 挥发有机化合物 对臭氧层破坏 松香型焊剂 松香焊剂分为以下几种类型 无活性松香焊剂 就是将纯松香溶于乙醇或异丙醇等溶剂中组成的焊剂 它的助焊性能较弱 腐蚀性较小 残留物基本上无腐蚀 留在基板上形成一层保护膜 但有时有粘性和吸湿性 一般不清洗 中等活性焊剂由松香加活性剂组成 活性剂通常为有机酸 有机碱或有机胺盐 有时三种同时使用效果更好 中等活性焊剂助焊性比无活性焊剂强 残留物腐蚀性比R型大 一般焊后需清洗 若所用活性剂中不含卤素或含量极低 采用活性比普通松香小的改性树脂作成膜剂 且组装产品要求不高 焊后也可不清洗 活性松香焊剂与中等活性松香焊剂相似 也是松香加活性剂 但活性剂比例更高 活性更强 腐蚀性显著增强 焊后必须清洗 b 水溶性助焊剂水溶性助焊剂的最大特点是焊剂组份在水中溶解度大 活性强 助焊性能好 焊后残留物可用水清洗 水溶性焊剂分为两类 一类是无机型水溶性焊剂 另一类是有机型水溶性焊剂 水溶性焊剂由活性剂 成膜剂 添加剂和溶剂组成 水溶性焊剂具有以下特性 助焊性较强 能适应各种元器件引线的焊接 去氧化能力强于松香型和免清洗焊剂 焊后残留物易于水清洗 且不污染环境 清洗后PCB满足洁净度要求 不腐蚀 不降低电绝缘性能 贮存稳定 无毒性 使用水溶性焊剂应注意的问题 在使用过程中 需经常添加专用的稀释剂调节活性剂浓度 以确保良好的焊接效果 由于水溶性焊剂不含松香树脂 锡铅合金焊料的防氧化更为必要 焊料防氧化剂必须具有水溶性 采用纯度较高的离子水清洗 温度以45 60 为宜 有时可达70 80 焊接的PCB板经水清洗后要用离子净度仪测定其离子残留量 考核水清洗效果是否达到要求 c 免清洗助焊剂免清洗助焊剂是指焊后只含微量无害焊剂残留物而无需清洗组装板的焊剂 从保护臭氧层和满足SMT高密度组装的需要出发 采用免清洗焊剂的焊接技术是解决上述问题最有效途径 免清洗焊剂必然是固含量低的焊剂 一般在2 以下 最高不超过5 这类低固含量的免清洗焊剂由于焊后残留物极少 无腐蚀性 具有良好的稳定性 不经清洗即能使产品满足长期使用的要求 免清洗焊剂应符合以下要求 可利用浸渍 发泡 喷射或喷雾等多种方式涂布 与元器件 PCB所用材料及现有设备配伍性好 无毒性 气味小 操作安全 焊接时烟雾少 不污染环境 可焊性好 焊接质量高 不致因焊剂质量造成虚焊 漏焊 竖碑 桥接 拉尖和焊料球等焊点缺陷 焊点疵点率低 焊后残留物极少 组装板板面干净 色浅 无粘性 无腐蚀性 具有较高的耐湿性和表面绝缘电阻 焊后组装板离子残留物要符合免清洗洁净度要求 具有较长的贮存期 一般为一年以上 室温放置时不会随温度变化而出现沉淀或分层等现象 具有良好的稳定性 d 无挥发性有机化合物 VOC 的免清洗焊剂近年来已开发出新一代无VOC免清洗助焊剂 以去离子水代替醇作为溶剂 再加入活性剂 发泡剂 润湿剂 非VOC溶剂等按一定比例配制 水基无VOC免清洗助焊剂对波峰焊的预热过程提出了新的要求 如果在波峰焊前 水未完成挥发 当接触熔融焊料时会引起焊料飞溅 且可能在通孔的焊点上吹出穿洞 低残渣助焊剂与传统松香型助焊剂的区别 低残渣免清洗助焊剂介绍 A 概念的区别传统松香助焊剂如Rosin R RMA RosinMildlyActivated RA RosinActivated 尽管免清洗和低残留的术语可以互换 遍及整个电子工业 但实际上他们完全不同 低残留是和助焊剂成份有关 免清洗是与装配有关 免清洗免去了去除助焊剂残留物的清洗步骤 免清洗步骤通常包含低残渣助焊剂的使用 以便省略去除焊剂残留物的步骤 焊接后遗留的助焊剂残留物一定不能影响电性能 并形成一层有益涂层 B 固体含量的不同典型的松香基助焊剂的成份包括35 的松香 5 的活性剂以及60 其他添加物 固体含量总数为40 而在低残留助焊剂中固体含量仅在0 5 4 之间 这种较少的固体含量的助焊剂 焊后其残渣遗留在PCB上 作为免清洗工艺的过程 这是非常防护 但对焊接能力差的零件的焊接将更艰难 这导致需要改善焊接元件的处理和储存 要保证足够的焊接能力 C 活性剂的卤素含量在免清洗工艺中活性剂的类型是非常重要 以决定被使用的助焊剂类型 RA或一些RMA助焊剂 典型地使用含卤素的轻度活性剂 这些活性去除氧化层非常有效 改善润湿性 提高部件引脚的焊接能力 然而 这种含卤素的助焊剂残留物 暴露在水 潮湿或水的环境下 在板上就可形成腐蚀性酸 降低可靠性 这些残留物也能变成电导体 并影响电性能 因此卤素残留物需要清洁 防止腐蚀问题 大多数免清洗助焊剂是无卤素的 以便减少腐蚀问题 所使用的低残留助焊剂都是微弱的有机酸 这种助焊剂残留物对PCB装配是无害的 6 助焊剂的选用 要根据产品对清洁度和电性能的具体要求进行选择 a 一般情况下军用及生命保障类如卫星 飞机仪表 潜艇通信 保障生命的医疗装置 微弱信号测试仪器等电子产品必须采用清洗型的助焊剂 b 通信类 工业设备类 办公设备类 计算机等类型的电子产品可采用免清洗或清洗型的助焊剂 c 一般家用电器类电子产品均可采用免清洗型助焊剂或采用RMA 中等活性 松香型助焊剂可不清洗 二 粘结剂 贴片胶 施加贴片胶工艺目的贴片胶的分类及其组成貼片胶的性能指标及其评估常用贴片胶 1 施加贴片胶工艺目的 当表面贴装元件与插装元件混装 且分布于PCB的两边时 一般采用在贴装元件的一面点胶 或刮胶 贴片 固化然后翻面 插件 过波峰焊这种工艺 所以施加贴片胶的目的之一是用贴片胶把表面贴装元件暂时固定在PCB的焊盘位置上 防止在传递过程中或插装元器件 波峰焊等工序中元件掉落 另外还有一目的是在双面再流焊工艺中 为防止已焊好元件面上大型器件因焊料受热熔化而掉落 也需要用贴片胶起作辅助固定作用 贴片胶应用录像 在当今的许多电路板设计中 表面安装CHIP元件被安排在板的底部 通孔元件以及拉动表面安装元件安排在板的顶部 这种情况我们称作混装技术装配 而在板的两面只有表面安装元件 我们称作表面安装装配 对于混装技术装配 底部的CHIP元件需要胶的涂布 以便在随后的贴片和波峰焊工序中元件不掉下来 对于双面表贴工艺 焊料的表面张力足够保持底边的CHIP元件在再流焊时不掉 但是 当大的元件在底部通过再流焊时 焊料的表面张力不足以保持元件不掉 这种类型的元件也需要施加贴片胶 2 贴片胶的分类及其组成 贴片胶的分类贴片胶按照分类方式的不同 有三种分类如下 1 按贴片胶的粘结材料分类 环氧树脂贴片胶 丙烯酸树脂贴片胶 改性环氧树脂贴片胶 聚氨脂贴片胶 2 按固化方式分类 热固化型贴片胶 光固化型贴片胶 光热双重固化型贴片胶 超声固化型贴片胶 3 按涂布方式分类 针式转移用贴片胶 压力注射用贴片胶 模板印刷用贴片胶 贴片胶的组成材料 贴片胶通常由粘接材料 固化剂 填料以及其他添加剂组成 粘接材料 核心 一般采用环氧树脂 丙烯酸树脂 改性环氧树脂和聚氨脂等作为粘接材料 其中环氧树脂用途最为广泛 其次为丙烯酸树脂 固化剂的作用是使粘接材料以一定的温度在一定的时间内进行固化 填料的加入改善了貼片胶的某些特性 如电绝缘性能和高温性能得到增强貼片胶中除粘接材料 固化剂 填料外还需有其它添加剂来实现不同的目的 常用的添加剂有颜料 润湿剂和阻燃剂 3 貼片胶的性能指标及其评估 貼片胶的性能指标是评估各种貼片胶质量优劣的具体依据 了解貼片胶的性能就能在生产中对所施加的贴片胶进行选择 粘度 贴片胶的一项重要指标 不同的粘度适用于不同的涂敷工艺 影响貼片胶粘度的因素有二个 第一温度 温度越高 貼片胶的粘度越低 第二压力 压力越大 貼片胶的剪切速率越高 粘度越低 粘度 屈服强度 贴片胶固化前抵抗外力破坏的能叫屈服强度 它用屈服值来表征 当外力小于屈服强度时 贴片胶仍保持固态形状 当外力大于屈服强度时会呈现流体的流动行为 故贴片胶依靠屈服强度保持元件贴装后进入固化炉之前的过程中承受一定的外力震动而不出现位移 一旦外力大于屈服强度 则元件出现位移 影响屈服强度的因素 不仅与贴片胶本身的品质 粘接物表面状态有关 而且与贴片胶涂布后的形状有关 常用形状系数表示 即胶点的底面积直径W与胶点高度H之比 形状系数越高 屈服强度越低 最佳W H比为2 7 4 5 涂布性 贴片胶的涂布性 主要反应在通过各种涂敷工艺所涂敷的胶点其尺寸大小 形状是否合适 胶点是否均匀一致 胶点的形状和一致性取决于胶剂的流变学特性 屈服点与塑性粘度 贴片胶的涂布性可以通过实际的涂敷工艺反映出来 在压力注射点胶工艺中 貼片胶的涂布性反映在胶点外观光亮 饱满 不拉丝 无拖尾 并有良好的外形和适宜的几何尺寸 在模板印刷中其涂布性反应在胶点的理想形状和实际形状基本一样 胶点挺括 不塌陷 粘接强度 粘接强度是貼片胶的关键性能指标 粘接强度有几个方面的要求 第一 在元件贴装后固化前 元件经历传输 震动后貼片胶能保持元件不位移 第二 元件固化后貼片胶保持元件具有足够的粘接强度和剪切强度 第三 在波峰焊时 固化后的貼片胶具有能保证元件不位移 不脱落的粘接强度 第四 波峰焊后的貼片胶 已完成粘接使命 当SMA出现元件损坏时 要求貼片胶在一定温度下 其粘接力很低 便于更换不合格的元器件 而不影响PCB的性能 4 常用貼片胶 常用貼片胶有两大类 环氧树脂贴片胶和丙烯酸类貼片胶 下面分别介绍 1 环氧树脂贴片胶环氧树脂贴片胶是SMT中最常用的一种貼片胶 其成分主要由环氧树脂 固化剂 填料以及其他添加剂组成 环氧树脂贴片胶的固化方式以热固化为主 环氧树脂属热固型 高粘度粘接剂 可以做成液态 膏状 薄膜和粉剂等多种形式 热固型粘接剂固化后再加热也不会软化 不能重新建立粘接连接 热固性又可分为单组分和双组分 单组分环氧树脂贴片胶其树脂和固化剂混合在一起 它使用方便 质量稳定 但要求冷藏保存和高温快速固化 以加快其聚合反应速度 一般在带有空气循环的普通固化炉内进行固化 双组分环氧树脂貼片胶其树脂和固化剂分别包装 使用时 将环氧树脂和固化剂充分混合引起环氧固化和聚合反应而使貼片胶固化 这种貼片胶保存条件不苛刻 但使用时的配比常常不准 影响性能 目前很少用 2 丙稀酸类貼片胶丙稀酸类貼片胶是SMT中常用的另一大类貼片胶其成分主要由丙烯酸类树脂 光固化剂和填料组成 属光固化型的貼片胶 丙稀酸类树脂也属热固型粘接剂 常用单组分系统 其特点是性能稳定 固化时间短且固化充分 工艺条件容易控制 储存条件常温避光存放 时间可达一年 但粘接强度和电气性能不及环氧型高 六 清洗剂 1 污染物的种类2 清洗机理与溶剂的溶解机理3 常见清洗工艺中清洗材料 1 污染物的种类 在PCB装配 组件安装和表面组装的过程中 由于工艺操作 焊剂的使用及焊接过程等均会引起污染 使基板 元器件或组件的化学 物理 电性能降低 污染物种类 极性污染物 卤化物 酸 盐 焊膏 阻焊剂 条件 离子 通电 吸潮 腐蚀元件或PCB 非极性污染物 松香残渣 防氧化油 胶带残留物 肤油 发粘吸灰尘 防碍测试 极性污染物结合 实验 触变剂 松香 高温 酸性环境下 颗粒污染物 尘埃 烟雾 静电离子 锡珠 电性能下降 2 清洗机理与溶剂的溶解机理 1 清洗机理化学键 原子与原子之间的结合键能较强4 2 105 8 4 105J mol松香酸 高温 金属 松香酸盐或松香聚合物 物理键 分子与分子之间的结合键能较弱0 8 103 2 1 104J mol松香 残胶与PCB结合 2 溶剂的溶解机理极性相似原则 极性物质容易溶解在极性溶剂中 非极性物质容易溶解在非极性溶剂中 松香残留物 混合物 非极性聚合物 极性物质传统溶剂CFC 113 2 6 乙醇 溶解度参数原则 当一种聚合物的 1 某一溶剂的 2或误差 1 5 该物质可溶解在这种溶剂中 松香树脂 7 2CFC113 7 2乙醇 12 7水 22 4 溶剂的物理性能对清洗效果的影响 表面张力 小 在污染物上的润湿 铺展和包容好 一般溶剂 15 50 10 5N cmCFC113 17 3 乙醇 21 水 72密度与沸点 密度大的 不易挥发 减轻污染 降低成本 沸点高的 安全性好 可加温 提高清洗效果 溶解能力 贝克松脂丁醇值 KB KB越大 溶剂溶解焊剂残留物能力越强 最低限制值和臭氧层破坏系数 3 常见清洗工艺中清洗材料 溶剂清洗 采用合适的溶剂 在一定条件下 将污染物溶解 去除 1 CFC 113 三氯三氟乙烷 溶解能力强 脱脂效率高 易挥发 无毒 不燃不爆无腐蚀 性能稳定 对大气臭氧层有破坏作用 2 CFC的代用品A 改性CFC在CFC加氢 取代部分氯原子 减低破坏性 HCFC 141b HCFC123 HCFC225Ca Cb B