无铅锡膏技术

精品文档---下载后可任意编辑 众所周知锡膏是表面贴装工艺技术的重要辅料。锡膏的好坏直接影响表面贴装印刷工艺和再流焊工艺直通率。随着电子产品绿色制造时代的到来，全球对无铅锡膏有越来越大的需求，因此国产锡膏与进口锡膏在“市场-技术-标准”上的竞争将进一步加剧。为此加大国产锡膏的研制与应用，以及制订相应的标准就显得尤为必要。从2024年起我国电子制造无铅化进程已进入实施阶段，我国无铅锡膏的研制与应用也取得了长足的进步，其中如亿铖达、唯特偶、同方、华庆等都已开始生产无铅锡膏，有些产品已达到或接近国外知名品牌如Alpha, Tamura等。特别是第二代低银无铅锡膏，由于避开专利并具有极佳的性价比，更有利于占领市场。我们深信国产无铅锡膏研制与应用的春天即将到来，中华品牌表面贴装锡膏也将崛起于世界之林。本文将就有关无铅锡膏问题进行具体论述。 无铅焊料的必要条件 电子工业用60/40、63/37焊料已有50多年的历史，已形成非常成熟的工艺，因此要取代有铅焊料必须满足一些充分而必要条件。见图1 首先从电子焊接工艺的要求出发，为了不破坏元器件的基本特性，所用无铅焊料熔点必须接近锡铅共晶焊料的熔点183℃，这是由于熔点高的焊料将超过电子元件的耐热温度，同时由于再流焊炉制约，因此不可以使用熔点高的焊料。其次从可焊性的观点出发，必须与电子元件及印制板的镀层铜、镍、银等有良好的润湿。从电子产品的可靠性出发，为了形成良好的冶金结合的焊点，焊料本身的机械强度是非常重要的。特别要求焊点具有耐热疲劳性能，这是由于电子产品在使用过程中不可避开的会产生发热现象而产生热膨胀，同时在不使用时温度下降会产生收缩，如此反复循环将在焊点处发生热疲劳现象。 从焊接的实际操作来看，希望焊接缺陷少是非常重要的。特别是桥接、拉等不良缺陷均和焊料的润湿性密切相关。在再流焊接时，由于母材表面氧化，为了提高焊接的去氧化作用，必须使用有活性的助焊剂予以去除，但是这样将产生残留物而出现腐蚀和电迁移等现象。同时，在流动焊时，由于波峰焊产生的氧化锡渣也是一个问题，不仅造成焊点不良率上升，同时也增加成本。此外焊膏的保存性是进行良好印刷的必要条件。由于在存放期间焊膏内的助焊剂与合金发生反应而劣化，造成粘度升高，印刷不良等。以上均是无铅焊料必须考虑的问题。从这些观点出发来选择适当的无铅焊料是非常重要的。表1所示的是从1980年以来开发的无铅共晶合金的特性比较。在此基础上进展了当前有用的锡银铜等主流无铅焊料. 无铅锡膏技术原理 无铅锡膏系由无铅锡粉与助焊剂混合而成的均匀膏状物体，必须具备可印刷性、可焊性与可靠性等特点。优质锡膏对锡粉的要求是： 1. 稳定的化学成分 2. 杂质水平 3. 颗粒大小和形状 4. 颗粒分布 5. 表面化学状态 优质锡膏对助焊剂的要求是： 1. 松香溶剂载体不可干燥过快，也不宜过慢。过快形成保护膜硬化不利焊接，过慢形成的松香膜内会有一些熔化的锡膏，在溶剂迅速挥发时会导致溅射。 2. 要求具有双活性的活性物质。 3. 要求有触变性能优良的流动助剂。 4. 要求有抗氧化剂等。 再流焊工艺技术 ℃-219℃，在进行再流焊时，可操作的最低工艺温度应为液相温度加10℃，这就比锡铅共晶焊料的熔点高出40℃。不难看出操作温度的上升与元器件的耐热温度（240℃）的差距将大幅减少，因此必须较以往有更正确的工艺温度管理。此外由于印制板的多样化，热容量不同的元器件均会有10℃的温差，因此必须提高预热温度和时间。再流焊设备必须进行多温区加热以减少温度误差，成为一项有效的措施。见图2。这样由于熔点的上升，焊接工艺和设备都将发生重大的变化，为此实行锡银铜焊料的无铅化，降低其熔点将成为一个被关注的问题。（2）一般认为锡银铜比锡铅润湿性低，其扩散率在75%-80%，比锡铅下降15%左右。为了提高可焊性在助焊剂中增加活性剂是必要的，但会造成粘度升高等不良现象。另外由于无铅焊料表面张力比有铅焊料高，在同样条件下润湿性也会变差。 (3)由于无铅焊料的熔点高，因此必须考虑峰值温度与元器件的耐热温度的适应性（230℃-240℃），因此预热终点温度要高。使有热容量差异的元器件温度能达到均匀。此外由于元器件与母材的氧化，焊膏活性的损失容易产生焊球，当用锡铅焊膏的助焊剂用于锡银铜焊膏时必须提高预热温度和预热时间，这样由于焊接温度的变化将带来担心，因此必须开发用于无铅锡膏的助焊剂。 (4)印刷工艺过程中由于焊膏内助焊剂与粉末的反应，在粉末表面有有机金属化合物与有机金属盐析出，造成流动性下降，粘度升高，给印刷性能带来影响，成为焊接不良的原因。 无铅免清洗锡膏的性能特点 无铅免清洗锡膏为适用于高速印刷及贴装生产线，应具有优良的流变性、抗热坍塌性及高稳定性，但是常常发现有些品牌锡膏品质不稳定，普遍的现象是产品试样时性能都可以，但一旦批量使用后就常常出现品质波动，如使用过程中锡膏粘度变大甚至发干、印刷质量随时间下降、焊接不良率波动严重等。很多人认为这种波动可能是由于锡膏厂商在生产过程中控制不严所造成。其实，由生产控制问题产生的波动只占一小部分，其它如锡粉品质，助焊剂的稳定性等都是可能引起锡膏品质波动的重要原因，其中助焊剂稳定性是所有因素中最为重要的。所谓助焊剂的稳定性是指在常温下其物理、化学性能较为稳定，不易结晶或与金属发生反应等。知名品牌的锡膏如Alpha, Tamura等的助焊剂系统稳定性较高，所以他们的产品在使用过程中也相对较为稳定。国产某品牌无铅锡膏LF-200P的助焊剂系统采纳特别活化体系，该活化体系在常温下表现稳定，基本不与金属及其氧化物发生反应，因此在连续印刷过程中粘度变化很小。在回流焊接时，其活性在温度升高后开始逐渐发挥作用直至焊接温度时活性达到最大值。该活化体系亦能防止锡膏在预热及保温过程中的活性过快损失，从而大幅增宽回流窗口，便于用户调整最佳工艺。助焊剂在常温下稳定的另一个重要作用是其可靠性能也相对较高。所有锡膏在回流后总会留下部分助焊剂残留于焊点周围，因此残留下的助焊剂的稳定性对表面绝缘电阻等电性能指标会产生直接影响。LF-200P的长期可靠性完全不逊于Alpha, Tamura的同类型产品。 LF-200P与Tamura TLF-204 及Alpha OM-338T的基本特性比较： Tamura TLF-204 Alpha OM-338T 华庆LF-200P 合金成分 SAC305 SAC305 SAC305 金属比例（重量） 88.4% 88.5% 89.0% 卤素含量（铬酸银测试） -- 0 0 粘度 200 Pa·s -- 210 Pa·s 抗热坍塌性 好 较好 好 印刷寿命 -- >8小时 >10小时 印刷速度 20-80mm/sec 25-200mm/sec 20-120mm/sec 残留物比例（重量） -- 5% 4-5% 冷藏保存时间（2-10℃） 6个月 6个月 6个月 室温保存时间（25℃） 1个月