免清洗型助焊剂的研究进展

免清洗型助焊剂的研究进展

金霞1

,冒爱琴2

,顾小龙

1

(1.浙江省冶金研究院亚通电子有限公司,浙江　杭州　310021;

2.安徽工业大学,安徽　马鞍山　243002)

摘　要:根据助焊剂的发展趋势,介绍了免清洗助焊剂的概念、分类及可靠性评价的方法,综述

了国内外科研工作者对制备免清洗助焊剂的研究进展状况,并指出了免清洗助焊剂在使用时急需注意的事项,最后阐述了无铅焊料用免清洗型助焊剂是近年来的研究热点。

关键词:免清洗;助焊剂;焊接性能中图分类号:T N 604 文献标识码:A 文章编号:1001-3474(2007)06-0334-04

Develop ment Progress of No -clean Flux

J I N X i a 1

,M AO A i -q i n 2

,GU X i a o -long

1

(1.A si a Genera l Electron i cs CO.,L T D of Zheji a ng et a llurg i ca l

Research I n stitute,Hangzhou 310021,Ch i n a;

2.An Hu i Un i versity of Technology,M aan shan,243002,Ch i n a)

Abstract:The concep ti on,classificati on,the reliability evaluati on methods of no -clean flux are in 2tr oduced,according t o the latest devel opment trends of flux .Recent advances of research of no -clean flux in side and out side of China are als o summarized .The p r oble m s which was found in using of no -clean flux are pointed out .A t last rep resenting no -clean flux for lead -free s older has been become the f ocus of study recently .

key words:No -clean;Flux;Soldering p r operties

D ocu m en t Code:A Arti cle I D :1001-3474(2007)06-0334-04

众所周知,电子工业中使用的助焊剂,不但要提

供优良的助焊性能,而且还不能腐蚀被焊材料,同时还要满足一系列的机械和电学性能要求。因此,助焊剂的品质直接影响电子工业的整个生产过程和产品质量。传统的松香基助焊剂,能够很好地满足这一系列性能,但焊后残留多、腐蚀性大、外观欠佳,必须用氟里昂或氯化烃清洗印制板。但随着氟利　被禁止使用政策的实施,免清洗型助焊剂不可避免地成为这一领域的研究热点。它在解决不使用氟里昂类清洗溶剂减少环境污染方面,特别是解决因细间

隙、高密度元器件组装带来的清洗困难和元器件与清洗剂之间的相容问题方面具有重要的意义。因此

免清洗助焊剂[1～2]

是基于环境保护和电子工业发展的需要而产生的一种新型焊剂。另外它的推广还可以节省清洗设备等物资成本,简化工艺流程,缩短产品生产周期,节约储藏空间等。

自从欧盟于2006年7月1日(我国是2007年3月1日)限制使用含铅焊料在电子产品中的命令颁布后,推动了无铅焊料的急速发展。当前Sn AgCu 、SnB i 、SnAg 等合金是SnPb 最好的替代品,由于SnPb

基金项目:浙江省科技计划项目基金资助(项目编号:2005F12011)。

作者简介:金霞(1978-),女,硕士,毕业于安徽工业大学,主要从事助焊剂和电子封装焊料的研发工作。

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电子工艺技术Electr onics Pr ocess Technol ogy

第28卷第6期

2007年11月　

共晶焊料的熔点是183℃,而Sn Ag Cu系是217℃～220℃,使焊接温度提高了近34℃,造成了焊接过程中高温易氧化等严重问题。这就使传统的免清洗型助焊剂不再与之相适应,从而给无铅焊料用免清洗助焊剂提出了更为苛刻的要求。目前市售的无铅焊料用免清洗助焊剂大都是在有铅焊料用免清洗助焊剂的基础上加以改进而成,大多含有卤素,且固含量相对较高[3～4],在某些对电器性能要求较高的电子领域仍不能达到真正意义上的“免清洗”。另外此类型的助焊剂焊接性能差异大,因此开发高焊接质量、电学性能的无铅焊料用免清洗助焊剂将具有广阔的前景。

由于免清洗助焊剂在印制板装联和焊接过程中的重要作用,所以在20世纪80年代末以来,国内外工作者为实现免清洗技术开发了一系列新产品[5～6]。如美国B rist ol[7～9]的专利介绍了活性成分为丁二酸、戊二酸、己二酸的三酸混合物,溶剂为异丙醇、冰片、过氧化氢、助润剂,脂肪酰基肌氨酸为特殊成分的免清洗助焊剂。同时国外[10～11]还有报道是以丁二酸、戊二酸、脂肪酸的三酸混合物为活化剂,去离子水作为溶剂的免清洗助焊剂。我国是从90,最早的是上海化学试剂研究所于[11]1997年研制出了低固含量、无卤素的NCSF-1免清洗助焊剂,随后化工部晨光化工研究院也成功开发了NCF系列低固含量免清洗助焊剂。另外中南工业大学的陈其根等人研究了以有机酸和有机胺的混合物为活性成分,高沸点和低沸点醇的混合物为溶剂,成膜剂为硅改性丙烯酸树脂的MNCT免清洗助焊剂,试验表明该助焊剂使用范围和活性温度较广,对锡、铅、银有较强的化学活性。

总体上讲,国内外有关免清洗助焊剂的专利[12～13]相对较多,但针对无铅焊料的则鲜有报道。1　免清洗助焊剂的种类及性能

免清洗助焊剂实质上也是低固含量型助焊剂,这类助焊剂使用的活性剂,在焊接时会分解,所以留下极低的残留物。现在市场上使用的免清洗助焊剂,固含量质量分数一般低于2%。作为免清洗助焊剂,首先必须满足以下要求[14]:(1)焊后无残留物;(2)焊后板面干燥,不粘板面;(3)有足够高的表面绝缘电阻;(4)焊后无腐蚀;(5)离子残留应满足免清洗要求;(6)具有在线测试能力;(7)不形成焊球,不桥连;(8)无毒、无严重气味、无环境污染、操作安全;(9)可焊性好;(10)能够用发泡和喷雾方式均匀涂覆。

免清洗助焊剂[18]是一种不含卤化物活性剂、低固含量、低离子残渣的新型助焊剂产品,焊接后无需清洗。当然“免清洗型”焊剂并不是不能清洗,也不是完全不需要清洗,更不是完全没有焊后残留物,类似于“免清洗无残留”型焊剂,只是相对来讲残留较少罢了。这里要搞清楚的实际上就是“免清洗”和“无残留”这样两个概念,是否需要“免清洗”以及是否要清洗,都要看被焊接产品本身的要求而定,在精密电子装联工艺中,或要求100%的良品保证时,如军工、航天或医用电子产品的装联过程,任何极其微量的残留都有可能导致产品的不良,因此,多数时候这些行业并不能做到真正的“免清洗”;只有在具体的个案中,特定的条件下,当充分考证焊剂的残留物不足以造成产品的不良时,才有可能做到真正的“免清洗”。

目前用于电子类产品的免清洗助焊剂根据是否含有松香来进行分类,即分为[15]含松香(树脂)及不含松香(树脂)的这样两个大类,此两类焊剂固含量均可保证在2%左右或以下,所以,焊后表面残留均能够达到客户的要求;同时,因为不含松香或松香含量较少,为加强可焊性能,从多加活化剂与润湿剂方面努力提高助焊剂的可焊性能。有些资料上根据固含量分为[16]:低固态免清洗助焊剂和高固态免清洗助焊剂。

1.1　低松香型免清洗助焊剂

低松香型免清洗助焊剂是一种专为用于机器焊接高级多层电路板的助焊剂。此类助焊剂助焊能力强,发泡性能好,不含卤素,在焊接时产生的烟雾和其残余物对焊料和裸铜无腐蚀性,在较高的预热温度100℃～130℃时得到最佳状态。因此,它是一种较理想的免清洗助焊剂,在板子上具有极高的表面绝缘阻抗以及快干的效果,板子的粘腻感亦可以减少到最低的程度,能够轻易地通过测试程序,适用于任何高档线路板波峰焊、喷焊及手工焊。

该助焊剂中溶剂既要对焊接表面具有良好的保护作用,又要有适当的黏度。高沸点的醇保护效果较好,但黏度大、使用不便;低沸点的醇黏度低,但保护性差,因而可以考虑选择混合醇的方法。有资料表明,乙醇、乙二醇、丙三醇和乙二醇丁醚的配比

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2007年11月 金霞等:免清洗型助焊剂的研究进展

(质量比)为2∶8∶8∶1的混合溶剂效果最佳。松香选用经改良的电子用高稳定性松香树脂,而且在焊接中必须加入一些溶解在松香中以改善焊接速度的添加剂,来除去金属表面变暗的氧化层,以加强焊接能力,目前这方面最适宜的是将润湿能力较强的有机胺和有机酸结合起来使用。如薛树满等人在专利中[17]介绍了以脂肪族二元酸、芳香酸或氨基酸为活性成分,低级脂肪醇为溶剂,烃、醇、脂为成膜剂,助溶剂为醚、脂的无卤素松香型低固含量免清洗助焊剂。

1.2　无松香型免清洗助焊剂

该类助焊剂是采用无卤素、无松香和合成树脂以及新型活性剂的体系。

无松香、无卤素的免清洗型助焊剂主要由活化剂、溶剂、成膜物和抗氧化热稳定剂组成。溶剂选用高沸点醇和低沸点醇的混合物;活化剂选用有机酸和有机胺的混合物;成膜物选用合成高分子树脂材料,这类物质具有良好的电气性能,常温下起保护膜作用不显活性,在200℃～300℃的焊接温度下显示活性。硅改性丙烯酸树脂具有无腐蚀、防潮及三防性能优异的特点,可将其作为成膜剂。另外选用抗氧化热稳定剂对苯二酚、保护剂苯骈三氮唑作为辅助成分。如以已二酸、癸二酸、苯骈三氮唑为活性成分,乙二醇单丁醚、乙醇、异丁醇为溶剂,美国托马思两性活性剂、碳氟离子表面活性剂、快速渗透剂OT为特殊成分的低固含量免清洗助焊剂。

2　免清洗助焊剂可靠性评价

市场上常见的免清洗助焊剂虽然固体含量低,配制时将其活性成分的腐蚀性降为最小,但并不能完全排除焊后印制板上留有电介质残留物。因此长时间的潮热条件下工作的电路板,线路间在电场作用下会发生绝缘劣化及腐蚀现象。目前国内最常用的可靠性评价试验主要为[18]表面绝缘阻抗测试,其次铜镜腐蚀测试、离子浓度测试、软钎焊性试验等。

2.1　表面绝缘阻抗测试

试验时用规定的材质的梳型电极或环型电极,均匀地涂覆定量的焊剂,在约85℃的温度下干燥30m in作为试片。先在常态下测定上述试片的绝缘电阻,然后将试片置于温度为(40±2)℃,湿度约90%的恒温恒湿箱中,保持96h后取出,再放入用在(20±2)℃温度下的特级酒石酸钠的饱和溶液调节湿度(90%)的干燥器中,在1h内取出,然后在标准状态下,使用绝缘电阻测定器测定表面绝缘电阻。表面绝缘电阻值大于108Ω才算符合可靠性要求。

国外对于免清洗助焊剂的表面绝缘电阻要求较高,一般要求做加偏置电压、长时间潮热试验。观察焊后焊剂残留物对表面绝缘电阻的时效影响,以此来衡量免清洗助焊剂的可靠性。

2.2　铜镜腐蚀测试

将欲测试的免清洗助焊剂滴在铜板(40.0mm×40.0mm×0.2mm)上,使其自然漫流,然后放入80℃的烘箱中烘2h,取出冷却后再放入潮湿箱(温度40℃,湿度93%)中72h查看铜板的颜色变化,如颜色变为深绿,则发生了腐蚀,如颜色无变化或有残渣,则表明未发生腐蚀现象。

2.3　不粘附性试验

将粉笔末撒到此种涂有免清洗助焊剂焊料的表面,然后擦去,不粘附;用纱布方法试验,纱布上看不到助焊剂残留物,试板上也无明显纱布痕迹。说明此种免清洗助焊剂的不粘附性性能优良。

2.4　软钎焊性试验

在涂有免清洗助焊剂的清洁铜板(50mm×50 mm×1mm)中央放上HLSnPb50(D8mm×4mm)钎料,钎料上分别滴上两滴助焊剂,然后置于275℃的恒温箱内1m in,取出测其漫流面积,据此可判断助焊性能的强弱。

3　免清洗助焊剂使用的注意事项

各电子企业在使用免清洗助焊剂的实践中发现,一旦成功应用,好处是很多的。现在市场上除了免清洗助焊剂外,还有免清洗助焊膏[19]也是在生产中被经常使用的。免清洗助焊膏的固体含量比液体助焊剂高,原因是由于免清洗助焊膏中的凝固剂,这样在焊接结束后会在板上留下比液体助焊剂更多的残留物。

免清洗助焊剂虽然给生产带来了许多的好处,但是还要认识到:免清洗技术是一项系统工程,它贯穿工厂的整个采购、配套、生产、检验、包装等诸多环节,因此必须注意如下事项[20～21]:(1)环境,包括湿度、温度、清洁度。由于没有清洗工序,环境就变得非常重要,周围充满灰尘,那么这些灰尘在焊接的时候会粘附在焊剂的残留物内,虽然免清洗助焊剂是低固体残留物,但是不代表没有残留。这些杂质的存在能够降低电导或降低绝缘电阻,这些都会影响到电子元器件的正常使用。(2)活性,为了杜绝腐

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蚀,在免清洗助焊剂中里通常没有卤化物,这就使得其活化能力较传统的助焊剂来的低。(3)操作环节:元器件配套、包装、上下板、焊接、返修等;操作员服装、手套、操作规程等;生产设备、维修设备、检测设备,如设备轨道、夹爪是否整洁、回流焊炉是否有助焊剂挥发物,波峰焊锡锅是否定期淘洗;完善的管理制度、评估制度。因此,在使用过程中必须注意到焊接的各个相关工艺,这就需要各个应用者,根据实际情况进行反复的试验。

4　展望

免清洗型助焊剂特别是无铅焊料用仍然是目前的热点产品,也是当前发展的方向。随着电子类产品向高性能、多引线、多元化和窄间距化方向发展,对免清洗型助焊剂的要求相对也越来越高。目前中国的免清洗助焊剂市场仍旧有很大的发展潜力,但是由于免清洗助焊剂投资周期短,见效快,国内很多小型企业都已经生产。国产免清洗助焊剂在主要指标上不低于进口产品,但在总体水平上还存在差异,所以面对国外公司激烈的竞争,只能以降低价格为代价。相信随着焊接材料和焊接技术的不断发展,免清洗助焊剂将会得到更大的发展。

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收稿日期:2007-08-25

(上接第333页)计PCB时,合理应用本文介绍相关知识,选择合适的PCB叠层方式,进行合理的元件分组和布局,同时在布线时遵循相关的布线原则,并做好ES D保护等工作,就能设计出性能良好的高速PCB。

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收稿日期:2007-10-10

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