摘??要：隨著電子封裝向高性能、高密度、微型化的發(fā)展，焊膏材料和技術(shù)顯得極為重要。本文討論了表面安裝技術(shù)（SMT）焊膏的焊粉質(zhì)量、焊劑載體要求以及焊膏的基本性能測(cè)試。?

關(guān)鍵詞：焊膏、焊粉、焊劑載體

The?Quality?and?Testing?of?Solder?Paste?for?SMT

Abstract:?Because?of?the?development?of?high?density,?high?performance?and?miniaturization?in?electronic?packaging,?solder?paste?material?and?technology?become?more?and?more?important.?This?paper?discussed?the?quality?of?SMT?solder?paste,?including?powder?preparation,?flux?vehicle?formulation?and?basic?testing.

Keywords:?solder?paste,?solder?powder,?flux?vehicle

1引言

焊膏是由合金焊粉、焊劑載體等組成的膏狀穩(wěn)定混合物。在表面安裝技術(shù)中起到粘固元件，促進(jìn)焊料潤(rùn)濕，清除氧化物、硫化物、微量雜質(zhì)和吸附層，保護(hù)表面防止再次氧化，形成牢固的冶金結(jié)合等作用。焊膏印刷是SMT的第一道工序，它影響著后續(xù)的貼片、再流焊、清洗、測(cè)試等工藝，并直接決定著產(chǎn)品的可靠性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子產(chǎn)品72％的缺陷和失效與焊膏相關(guān)，因而焊膏的性能對(duì)于SMT來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。隨著細(xì)間距(FPT)、球柵陣列(BGA)、免清洗（NC）、0201等技術(shù)的迅速發(fā)展，以及有關(guān)法規(guī)對(duì)某些損害環(huán)境和健康的材料的限制或者禁止，對(duì)焊膏的成分與性能要求越來(lái)越高。在市場(chǎng)、環(huán)保、法律因素的約束和推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)外的各種組織、科研機(jī)構(gòu)和公司對(duì)焊膏的研究與開發(fā)日益深入。

2合金焊粉

焊粉的關(guān)鍵性能參數(shù)有形狀、尺寸分布和含氧量，而這些又取決于制粉技術(shù)。其制造方法主要有霧化法（如離心霧化、超聲霧化、多級(jí)快冷等）和化學(xué)電解沉積兩類方法[1]。我們采用了簡(jiǎn)易的流體真空噴霧法，其基本原理是：在真空條件下，用感應(yīng)加熱熔融Sn63Pb37合金焊料棒，然后將金屬液流用高速高壓的噴射氮?dú)鈸羲槎F化為細(xì)小的金屬液滴，然后在冷卻媒質(zhì)中快速冷卻凝固成為粉末，最后進(jìn)行分級(jí)和收集。霧化法冷卻速度極快，大幅度減小了合金成分偏析，增加了合金固溶能力，成形粉末均勻細(xì)小。由于采用保護(hù)氣氛，含氧量低。這種方法還具有球形率高、尺寸分布范圍小、污染小等優(yōu)點(diǎn)。不同方法制備的焊粉形貌如圖1(a)至(e)所示。圖1?(a)中焊粉呈疏松多孔的海綿狀，不能使用。焊粉形狀最好是球形或者類球形，如圖1?(f)[2]。球形焊粉的比表面小，能量低，在制造、存儲(chǔ)和印刷中不易氧化，而且印刷時(shí)不會(huì)堵塞網(wǎng)孔。焊粉的氧化會(huì)導(dǎo)致可焊性差、橋接、焊錫球等缺陷。圖1?(b)中焊粉尺寸分布不均，球與球之間有粘接，形狀不規(guī)則，而且球的表面不光滑，有“小衛(wèi)星”顆粒和孔洞，見(jiàn)圖1?(d)，也不能使用。球的表面缺陷會(huì)導(dǎo)致在焊接過(guò)程中受熱升溫速度不一致、孔洞中殘留氣體、焊料飛濺形成焊珠等焊接問(wèn)題。由Stokes公式F=6pahv（F是半徑為a的球形顆粒以速度v在黏性為h的介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)所受的力）可知，尺寸分布的變化直接影響著焊膏的粘性、流變性能，繼而影響到印刷質(zhì)量。圖1(c)為比較規(guī)則的球形焊粉，但還是有一些粘連。圖1(e)是規(guī)則焊粉表面形貌，其中黑色的為富錫相，而亮區(qū)為富鉛相。圖1?(f)則為AMT公司的-325/+500目的規(guī)則球形焊粉。SMT焊膏常用的焊粉為光滑球形，尺寸分布為20~75微米，氧含量低于0.3％。

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（a）極其不規(guī)則焊粉????????（b）不規(guī)則焊粉???????????（c）較規(guī)則焊粉

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（d）?b中A球表面孔洞???（e）較規(guī)則焊粉表面????????（f）規(guī)則球形焊粉

3焊劑載體

免清洗要求焊劑載體保持傳統(tǒng)焊膏功能外，還要具備揮發(fā)性好、焊后殘留物少、無(wú)腐蝕、薄膜堅(jiān)硬呈惰性等特點(diǎn)。焊劑載體在焊膏中的比重一般為10％~20％，體積百分比為50~60％。作為焊粉載體，它起到結(jié)合劑、助熔劑、流變控制劑和懸浮劑等作用。它由成膜物質(zhì)、溶劑、活化劑（表面活性劑、催化劑）、緩蝕劑、穩(wěn)定劑、抗氧化劑、觸變劑等組成。為了達(dá)到免清洗效果，建議固形物、溶劑、活性劑分別占焊劑載體的25％、50％、10％左右。固形物采用熱固性樹脂以及人造合成樹脂，焊后在焊點(diǎn)表面形成堅(jiān)硬而透明的薄膜。一般應(yīng)采用多元醇類的混合物作為溶劑，建議選用高（約230℃）低（約160℃）沸點(diǎn)、高（30~1000cps）低（3~20cps）粘度的醇類調(diào)配成一定的粘性溶劑，使之在一個(gè)較寬的溫度范圍內(nèi)具有相應(yīng)的揮發(fā)速度，且150~220℃之間揮發(fā)應(yīng)由慢到快。對(duì)于低沸點(diǎn)醇，由于揮發(fā)性較好，容易導(dǎo)致焊膏發(fā)干失去粘性，使工作壽命縮短；而高沸點(diǎn)醇有增稠和“保濕”作用，可改善工作壽命和印刷性能，但是容易吸濕，揮發(fā)也不徹底?；钚詣┦褂糜袡C(jī)弱酸而不使用傳統(tǒng)的含鹵素的活性劑，以達(dá)到焊后腐蝕性小的特點(diǎn)。為了彌補(bǔ)活性不足，可使用分子結(jié)構(gòu)帶有烷基和羥基的二元羧酸。對(duì)焊劑載體質(zhì)量占9％的焊膏進(jìn)行的熱分析(圖2)發(fā)現(xiàn)：在100~150℃之間揮發(fā)很快，在212℃附近也有較大的揮發(fā)。表明在預(yù)熱區(qū)(125~150℃)和焊接區(qū)其不同組分分別起到了清洗和活化被焊表面的作用，然后揮發(fā)，符合工業(yè)中典型的再流焊溫度工藝曲線要求。而到220℃時(shí)，重量百分比只有95％，殘留物較少，且呈一層堅(jiān)硬透明的薄膜，不必清洗。

4基本性能測(cè)試

4.1粘度及其特性

焊膏的粘度主要與其中的粉末含量、粉末尺寸、焊劑粘度相關(guān)[3](見(jiàn)表1)，對(duì)粘度的要求隨應(yīng)用方法的不同而異。粘度太高，會(huì)粘連網(wǎng)孔；太低無(wú)法保形且無(wú)法粘固元器件。焊膏是一種假塑性流體，有觸變性。其粘度隨時(shí)間、溫度、剪切強(qiáng)度等因素而發(fā)生變化。根據(jù)IPC-TM-650（2.4.34）測(cè)試方法，在25±1℃下，采用NDJ-7型旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)以7.5轉(zhuǎn)/分鐘連續(xù)旋轉(zhuǎn)2分鐘，穩(wěn)定后讀數(shù)，幾種常用進(jìn)口焊膏的粘度都在600~730Pa.s范圍內(nèi)，適合于模板印刷。由于焊劑載體物質(zhì)含有很多羥基、烷基、以及羧基，所以氫鍵很重，通過(guò)加入一定量的氫化蓖麻油在攪拌和剪切時(shí)破壞氫鍵，可達(dá)到圖3的觸變性[4]（切變變?。┬Ч?。一般將觸變劑控制在7％左右，以便于攪拌、漏印、流平、抗塌落和粘固元件。

表1焊膏金屬含量、粘度、尺寸分布以及用途

金屬含量???????粘度

（Pa.s）?尺寸

（mm）?主?要?用?途

90％??????600～1000????40-75???????一般模板印刷

90％??????400～600??????20-36???????細(xì)間距絲網(wǎng)印刷

85％??????400～600??????20-45???????一般絲網(wǎng)印刷

80％??????300～400??????20-45???????定量分配器注射

75％??????200－300??????40-75???????針頭轉(zhuǎn)移滴送

4.2塌落

焊膏印刷后，在一定溫度和濕度條件下，由于重力和表面張力的作用，導(dǎo)致圖形塌落并從最初邊界向外界擴(kuò)展。這種塌落會(huì)引起焊膏的流溢，導(dǎo)致焊接過(guò)程中的引腳間橋接缺陷。根據(jù)IPC-TM-650（2.4.35）采用IPC-A-21圖案，進(jìn)行了冷塌和熱塌試驗(yàn)。在25±5℃、RH(50±10)%環(huán)境中停留10分鐘的塌落情形見(jiàn)圖4(a)。然后在150±10℃金屬熱板上放置10分鐘，其塌落見(jiàn)圖4(b)。圖4?(a)只有邊距為0.06mm的相鄰圖形之間，圖4(b)只有0.06mm和0.10mm之間發(fā)生橋連，表明抗冷塌和熱塌性能良好，主要是選用了熱固性樹脂和表面張力比較大的醇類的原因。

4.3細(xì)間距印刷

細(xì)間距印刷要求焊粉尺寸分布為20～36微米，否則影響均勻性和分辨率，甚至堵塞網(wǎng)孔；同時(shí)要有很好的保形性，防止流溢、塌落等發(fā)生。圖5是間距為0.4mm，厚度0.2mm的印刷圖形。圖5(a)是剛剛印刷后的掃描圖形，圖5(b)是圖5(a)在150℃保持10分鐘的情形。二者均勻完整、分辨率較好，沒(méi)有鋪散、橋聯(lián)等現(xiàn)象。

4.4焊錫球

焊錫球的形成與焊粉氧化、焊劑活性、焊粉尺寸均勻性、焊膏吸濕性、雜質(zhì)等密切相關(guān)。圖6是按照IPC-TM-650（2.4.43）測(cè)試的焊料球結(jié)果。其中圖6(a)是在不潤(rùn)濕陶瓷基片上剛剛印刷的掃描圖形；圖6(b)是免洗焊膏是在208℃保持20秒鐘的情形。因表面張力和焊劑載體與焊粉間的潤(rùn)濕作用“縮回”效果好，因此顏色淺；圖6(c)是普通焊膏的相應(yīng)情形，殘留較多，因而顏色較深；圖6(d)的情況則完全不合格，主要是在空氣中放置了6小時(shí)，因揮發(fā)和吸濕導(dǎo)致了大顆粒焊珠的形成。

5結(jié)語(yǔ)

總之，焊膏看似普通平常，在電子封裝工業(yè)中卻起著舉足輕重的作用。設(shè)計(jì)、制備、應(yīng)用以及管理人員應(yīng)該加以充分的重視。開發(fā)研制新型優(yōu)質(zhì)的焊膏、積極優(yōu)化質(zhì)量與工藝，對(duì)我國(guó)的電子組裝工業(yè)有積極的意義。