第25卷第4期电子工艺技术
2004年7月 E lectronics Process T echnology 147
・ SMT/PCB ・
无铅钎料用免清洗助焊剂的研制
王素丽, 雷永平, 夏志东, 史耀武, 李晓延
(北京工业大学, 北京 100022)
摘 要:探讨了免清洗助焊剂的配制及合成工艺, 得到两种助焊性和稳定性较好、腐蚀性弱、残留物少的免清洗钎剂, 并对所配制的免清洗助焊剂在物理稳定性、黏性、卤化物含量、腐蚀性、酸度和不挥发物含量等方面进行了性能测试。
关键词:免清洗; 助焊剂; 低固含量中图分类号:TN604 文献标识码:A 文章编号:1001-3474(2004) 04-0147-03
Development of N o -clean Flux for Lead -WANG Su -li ,LEI Yong -ping , XIA Zhi -Yao -yan
(B eijing Polytechnic U , , Abstract :A study is synthesis of no -clean flux. We get tw o types of no -clean flux corrosion and low -residue. We test its properties of physics stabili 2ty ,viscosity , ,acidity and residue content by the experiments.
K ey w ords No -clean ;Flux ;low -residue
Document Code :A Article I D :1001-3474(2004) 04-0147-03
助焊剂是保证焊接质量的关键材料, 它既要有
较高的助焊性, 又不能对被焊材料产生腐蚀, 同时还要满足一系列的机械和电学性能的要求。因此, 助焊剂的品质, 直接影响着焊接产品的质量。而电子工业中使用的助焊剂多为松香基助焊剂以及水溶性助焊剂, 且多为高固含量产品(一般为20%～25%) , 特别是松香型助焊剂, 其主要成分为松香、卤素和溶剂, 这种助焊剂焊后残留多, 有腐蚀性, 需要用氟利昂进行清洗, 而氟利昂的大量排放会导致臭氧层的破坏, 直接危害人类的生存环境。从保护臭氧层和满足S MT 高密度组装的要求而言, 采用免清洗焊接技术是一个有效途径, 可以节省清洗设备, 降低成本, 简化工艺流程, 免除清洗剂对环境的破坏, 然而实现免清洗工艺的有效途径则是使用低固体含量
2]
的免清洗助焊剂[1、。
低固含量免清洗助焊剂(LSF ) 是近几年研制开
发的新型免清洗助焊剂, 是开发免清洗焊接技术的关键材料。其固含量通常小于5%。免清洗助焊剂应满足以下要求[3]:(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。
根据上述要求, 我们为无铅钎料研制配套的免清洗助焊剂, 以助焊性能好为主要目标, 同时兼顾焊后残留物的腐蚀与清洗问题进行多组配方的试验研究, 并参考G B/T 15829. 1-1995《软钎焊用钎剂树脂类钎[4]剂》, 对研制的免清洗钎剂进行了性能检测。
基金项目:国家863项目(2002AA322040) 。
作者简介:王素丽(1977-) , 女, 在读硕士, 主要从事电子连接材料工作。
电子工艺技术 第25卷第4期148
1 免清洗助焊剂的配方及合成工艺2. 2 酸度以及黏性实验
表2 外观、物理稳定性和颜色
#2#
所用的助焊剂各成分质量分数见表1。
表1 助焊剂各成分质量分数
成分
w /%
有机酸成膜剂助溶剂2. 0～5. 00. 2～3. 05～10
溶剂余量
添加剂0～2. 0
外观透明液体透明液体
颜色无色无色
物理稳定性
冷冻60min 烘箱中60min 有白色沉淀有白色沉淀
透明液体透明液体
免清洗助焊剂, 其特征在于由质量分数为2. 0%～5. 0%的有机酸类活性剂, 质量分数为0. 2%～3. 0%的烃、醇、脂类成膜剂, 质量分数为5%～10%的醚、脂或萜烯类助焊剂, 余量为醇类溶剂组成。
本试验所选用脂肪族二元酸、芳香酸或氨基酸作为活性剂, 选择一种或两种的混合酸, 混合酸的相对质量比为30%～70%。此类活性剂既有足够的
助焊活性, 焊接效果好, 又不含卤素, 并且在焊接温度下能够分解、升华或挥发, 使印刷板板面焊后无残留、无腐蚀。选用OP 系列作为表面活性剂。可以增进助焊剂对被焊材料的均匀润湿作用, 使得焊点和焊缝规整、饱满。而且在波峰焊工艺中, 焊剂的鼓泡细腻、均匀。
1 酸度采用精密pH 试纸法。经过与标准比色卡对照,1#、2#钎剂基本上均为弱酸性。pH 值均为5. 5左右。
用医用滴管在5℃条件下测试钎剂的黏性, 将医用滴管插入钎剂中, 依次将钎剂吸收至滴管的不同高度, 目测钎剂是否能很迅速地达到这些高度。
实验表明,1#、2#钎剂均能很快达到所要求的高度。说明1#、2#。2. 3 卤化物含量
2#0. 05ml ) 分别滴在一15s , 将试纸浸入清洁15s , 以除去钎剂残留物, 试纸干燥10min 后, 用肉眼检查试纸颜色的变化。铬酸银试纸
颜色基本保持不变, 所以1#、2#钎剂不含卤化物。2. 4 不挥发物含量的测试
不挥发物含量, 是指在一定温度下助焊剂(软钎剂) 中固体残留物的含量。由于助焊剂(软钎剂) 的固体残留物通常都有黏性, 对焊缝和母材有腐蚀性, 因此希望它的残留量越小越好。如G B/T15829. 2-1995《软钎剂用焊剂-树脂类焊剂》中规定, 不挥发
图1 助焊剂的生产工艺
2 助焊剂的性能实验2. 1 外观物理稳定性和颜色
物的质量分数应小于15%。
不挥发物质量分数的具体测定方法如下:
将6g 钎剂助焊剂(放入已衡量的直径约为50mm 的扁形称量皿中) 准确乘量(M 1) , 并精确至±0. 002g 后, 放入沸水中加热, 使大部分溶剂挥发,
检测钎剂的物理稳定性时, 用振动或搅拌的方法使钎剂试样充分混合均匀, 取50ml 试样于100ml 试管中, 盖严, 放入冷冻箱中冷却到(5±2) ℃, 并保持60min , 再在此温度下观察和目测钎剂是否有明显分层或结晶物析出等现象。
打开试管盖, 将试样放到无空气循环的烘箱中, 在(45±2) ℃下保持60min , 再在此温度下观察钎剂是否有结构上的分层。
钎剂性能的测试结果见表2。
从表2中看出, 以上两种钎剂均为无色透明液体, 钎剂冷冻后的白色沉淀是一种物理沉淀, 在室温下会溶解, 它不影响钎剂的性能, 稳定性很好。
再将其放入(110±2) ℃通风烘箱中干燥4h , 然后取出, 放到干燥器重冷至室温, 称量, 反复干燥和称量, 直至称量误差保持在±0. 05g 之内时为衡量, 此时式样质量为M 2。
按公式(1) 计算钎剂(助焊剂) 的不挥发物质量分数。
w (不挥发物) %=
×100%M 1
(1)
式中:M 1—初始式样的质量g ;
M 2—式样经110℃干燥后衡量时不挥发物的
2004年7月 王素丽等:无铅钎料用免清洗助焊剂的研制149
质量g 。
测试的不挥发物含量见表3。
表3 不挥发物含量
钎 剂 号
1##
2. 6 铺展工艺性测试
w (不挥发物) /%
16. 5713. 52
实验所用铜片为0. 2mm ×40mm ×40mm , 钎料
为Sn -3. 8Ag -0. 7Cu , 钎料球约为0. 2g 的小球, 其质量误差允许范围为5%。铺展时炉温为280℃恒温。测试结果见表4。
表4 铺展面积及润湿角
钎剂号
#2#
2. 5 腐蚀性测试
在铜板(40mm ×40mm ×0. 2mm ) 上分别加1
滴免清洗助焊剂和松香型助焊剂, 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 。
实验结果表明, 有松香型助焊剂的铜板颜色变深绿, 有免清洗助焊剂的铜板有残渣。表明松香型助焊剂有明显的腐蚀性, 而免清洗助剂无腐性或腐蚀性极小。因为有机酸腐蚀性小。所以有机酸含量低的免清洗钎剂的腐蚀性极小。
铺展面积S /mm 2
51. 38751. 509) 润湿角/(°
31. 16730. 167
3 分析与讨论
表5综合了本实验中1#和2#钎剂所测试的性能。从表5中可以看出,1#和2#钎剂在外观、物理稳定性、黏性、卤化物、腐蚀性等方面均符合标准, 但pH 值为5. 5左右, ,pH 值应靠近6. 5, , 使其满足要求。同时, 。
) /
表5 1#和2#编号
##
外观、颜色无色透明液体
物理稳定性
pH 值5
黏性无
无无
%16. 5713. 52
腐蚀性小小
密度
铺展工艺性
/(g ・cm -3)
0. 79520. 7797
良好
良好
4 结论
(1) , 基本确定了无铅钎料
参考文献:
[1] 曹海燕, 李晓明. 免清洗助焊剂的可靠性评价[J].电子
用免清洗钎剂的配方及合成工艺。
(2) 所获得两种免清洗钎剂在外观、物理稳定性、黏性、卤化物、腐蚀性等方面均符合国家标准, 但其pH 值偏低, 不挥发物含量偏高, 有待进一步调节。
(3) 用所研制的两种免清洗钎剂钎焊SnAgCu 无铅钎料, 焊点形状规则, 光泽度高, 焊接后印制板干净, 腐蚀性小。
(上接第142页) con ference ,New orleans US A ,2003.
[9] Hiozawa N ,Isaka K,Ohta T. E lectric Properties of connections
be anis otropic conductive film[J].Journalof electronics man 2u facturing ,1995,5(1) :33-37.
[10] A oqiang Lu ,W ong C P. Mechanisms underlying the unstable
contact resistance of conductive adhesives [C ].E lectronic components and technology con ference ,1999. 342-346. [11] on K losterman ,Li Li ,James E M orris. Materials characteriza 2
tion ,conduction development ,and curing effects on reliability of is otropically conductive adhesives[J].IEEE trans comp packg manu f technol ,1998,21(1A ) :23-31.
[12] Y im M J ,Paik K W. The contact resistance and reliability of
工艺技术,2001,21(4) :155-157.
[2] 吴贵芬, 韩淑珍. 免洗助焊剂[J].电子工艺技术,1995
(4) :9-10.
[3] 刘密斯. 电子工业中的免清洗技术[J].电子展望与决
策,1995(2) :44-46.
[4] 中华人民共和国国家标准G B/T 15829. 1-1995软钎焊
用钎剂树脂类钎剂[S].(收稿日期:2003-12-04)
anis otropically conductive film (ACF ) [J].IEEE transactions on advanced packaging ,1999,22(2) .
[13] Fan S F ,Chan Y C. E ffect of misalignment on the electrical
characteristics of anis otropic conductive adhesive joints[C].E lectronic components and technology con ference , 2002. 1605-1612.
[14] Miessner R ,Aschenbrenner R ,Reichl H. Reliability study of
flip chip on FR4interconnections with AC A [C].E lectronic components and technology con ference ,2002. 595-601. [15] Aschenbrenner R ,Miessner R ,Reichl H. Characterization of
adhesive materials for hight circuit density applications[C].1998International symposium on advanced packaging mate 2rials ,1998.
(收稿日期:2003-12-18)
第25卷第4期电子工艺技术
2004年7月 E lectronics Process T echnology 147
・ SMT/PCB ・
无铅钎料用免清洗助焊剂的研制
王素丽, 雷永平, 夏志东, 史耀武, 李晓延
(北京工业大学, 北京 100022)
摘 要:探讨了免清洗助焊剂的配制及合成工艺, 得到两种助焊性和稳定性较好、腐蚀性弱、残留物少的免清洗钎剂, 并对所配制的免清洗助焊剂在物理稳定性、黏性、卤化物含量、腐蚀性、酸度和不挥发物含量等方面进行了性能测试。
关键词:免清洗; 助焊剂; 低固含量中图分类号:TN604 文献标识码:A 文章编号:1001-3474(2004) 04-0147-03
Development of N o -clean Flux for Lead -WANG Su -li ,LEI Yong -ping , XIA Zhi -Yao -yan
(B eijing Polytechnic U , , Abstract :A study is synthesis of no -clean flux. We get tw o types of no -clean flux corrosion and low -residue. We test its properties of physics stabili 2ty ,viscosity , ,acidity and residue content by the experiments.
K ey w ords No -clean ;Flux ;low -residue
Document Code :A Article I D :1001-3474(2004) 04-0147-03
助焊剂是保证焊接质量的关键材料, 它既要有
较高的助焊性, 又不能对被焊材料产生腐蚀, 同时还要满足一系列的机械和电学性能的要求。因此, 助焊剂的品质, 直接影响着焊接产品的质量。而电子工业中使用的助焊剂多为松香基助焊剂以及水溶性助焊剂, 且多为高固含量产品(一般为20%～25%) , 特别是松香型助焊剂, 其主要成分为松香、卤素和溶剂, 这种助焊剂焊后残留多, 有腐蚀性, 需要用氟利昂进行清洗, 而氟利昂的大量排放会导致臭氧层的破坏, 直接危害人类的生存环境。从保护臭氧层和满足S MT 高密度组装的要求而言, 采用免清洗焊接技术是一个有效途径, 可以节省清洗设备, 降低成本, 简化工艺流程, 免除清洗剂对环境的破坏, 然而实现免清洗工艺的有效途径则是使用低固体含量
2]
的免清洗助焊剂[1、。
低固含量免清洗助焊剂(LSF ) 是近几年研制开
发的新型免清洗助焊剂, 是开发免清洗焊接技术的关键材料。其固含量通常小于5%。免清洗助焊剂应满足以下要求[3]:(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。
根据上述要求, 我们为无铅钎料研制配套的免清洗助焊剂, 以助焊性能好为主要目标, 同时兼顾焊后残留物的腐蚀与清洗问题进行多组配方的试验研究, 并参考G B/T 15829. 1-1995《软钎焊用钎剂树脂类钎[4]剂》, 对研制的免清洗钎剂进行了性能检测。
基金项目:国家863项目(2002AA322040) 。
作者简介:王素丽(1977-) , 女, 在读硕士, 主要从事电子连接材料工作。
电子工艺技术 第25卷第4期148
1 免清洗助焊剂的配方及合成工艺2. 2 酸度以及黏性实验
表2 外观、物理稳定性和颜色
#2#
所用的助焊剂各成分质量分数见表1。
表1 助焊剂各成分质量分数
成分
w /%
有机酸成膜剂助溶剂2. 0～5. 00. 2～3. 05～10
溶剂余量
添加剂0～2. 0
外观透明液体透明液体
颜色无色无色
物理稳定性
冷冻60min 烘箱中60min 有白色沉淀有白色沉淀
透明液体透明液体
免清洗助焊剂, 其特征在于由质量分数为2. 0%～5. 0%的有机酸类活性剂, 质量分数为0. 2%～3. 0%的烃、醇、脂类成膜剂, 质量分数为5%～10%的醚、脂或萜烯类助焊剂, 余量为醇类溶剂组成。
本试验所选用脂肪族二元酸、芳香酸或氨基酸作为活性剂, 选择一种或两种的混合酸, 混合酸的相对质量比为30%～70%。此类活性剂既有足够的
助焊活性, 焊接效果好, 又不含卤素, 并且在焊接温度下能够分解、升华或挥发, 使印刷板板面焊后无残留、无腐蚀。选用OP 系列作为表面活性剂。可以增进助焊剂对被焊材料的均匀润湿作用, 使得焊点和焊缝规整、饱满。而且在波峰焊工艺中, 焊剂的鼓泡细腻、均匀。
1 酸度采用精密pH 试纸法。经过与标准比色卡对照,1#、2#钎剂基本上均为弱酸性。pH 值均为5. 5左右。
用医用滴管在5℃条件下测试钎剂的黏性, 将医用滴管插入钎剂中, 依次将钎剂吸收至滴管的不同高度, 目测钎剂是否能很迅速地达到这些高度。
实验表明,1#、2#钎剂均能很快达到所要求的高度。说明1#、2#。2. 3 卤化物含量
2#0. 05ml ) 分别滴在一15s , 将试纸浸入清洁15s , 以除去钎剂残留物, 试纸干燥10min 后, 用肉眼检查试纸颜色的变化。铬酸银试纸
颜色基本保持不变, 所以1#、2#钎剂不含卤化物。2. 4 不挥发物含量的测试
不挥发物含量, 是指在一定温度下助焊剂(软钎剂) 中固体残留物的含量。由于助焊剂(软钎剂) 的固体残留物通常都有黏性, 对焊缝和母材有腐蚀性, 因此希望它的残留量越小越好。如G B/T15829. 2-1995《软钎剂用焊剂-树脂类焊剂》中规定, 不挥发
图1 助焊剂的生产工艺
2 助焊剂的性能实验2. 1 外观物理稳定性和颜色
物的质量分数应小于15%。
不挥发物质量分数的具体测定方法如下:
将6g 钎剂助焊剂(放入已衡量的直径约为50mm 的扁形称量皿中) 准确乘量(M 1) , 并精确至±0. 002g 后, 放入沸水中加热, 使大部分溶剂挥发,
检测钎剂的物理稳定性时, 用振动或搅拌的方法使钎剂试样充分混合均匀, 取50ml 试样于100ml 试管中, 盖严, 放入冷冻箱中冷却到(5±2) ℃, 并保持60min , 再在此温度下观察和目测钎剂是否有明显分层或结晶物析出等现象。
打开试管盖, 将试样放到无空气循环的烘箱中, 在(45±2) ℃下保持60min , 再在此温度下观察钎剂是否有结构上的分层。
钎剂性能的测试结果见表2。
从表2中看出, 以上两种钎剂均为无色透明液体, 钎剂冷冻后的白色沉淀是一种物理沉淀, 在室温下会溶解, 它不影响钎剂的性能, 稳定性很好。
再将其放入(110±2) ℃通风烘箱中干燥4h , 然后取出, 放到干燥器重冷至室温, 称量, 反复干燥和称量, 直至称量误差保持在±0. 05g 之内时为衡量, 此时式样质量为M 2。
按公式(1) 计算钎剂(助焊剂) 的不挥发物质量分数。
w (不挥发物) %=
×100%M 1
(1)
式中:M 1—初始式样的质量g ;
M 2—式样经110℃干燥后衡量时不挥发物的
2004年7月 王素丽等:无铅钎料用免清洗助焊剂的研制149
质量g 。
测试的不挥发物含量见表3。
表3 不挥发物含量
钎 剂 号
1##
2. 6 铺展工艺性测试
w (不挥发物) /%
16. 5713. 52
实验所用铜片为0. 2mm ×40mm ×40mm , 钎料
为Sn -3. 8Ag -0. 7Cu , 钎料球约为0. 2g 的小球, 其质量误差允许范围为5%。铺展时炉温为280℃恒温。测试结果见表4。
表4 铺展面积及润湿角
钎剂号
#2#
2. 5 腐蚀性测试
在铜板(40mm ×40mm ×0. 2mm ) 上分别加1
滴免清洗助焊剂和松香型助焊剂, 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 。
实验结果表明, 有松香型助焊剂的铜板颜色变深绿, 有免清洗助焊剂的铜板有残渣。表明松香型助焊剂有明显的腐蚀性, 而免清洗助剂无腐性或腐蚀性极小。因为有机酸腐蚀性小。所以有机酸含量低的免清洗钎剂的腐蚀性极小。
铺展面积S /mm 2
51. 38751. 509) 润湿角/(°
31. 16730. 167
3 分析与讨论
表5综合了本实验中1#和2#钎剂所测试的性能。从表5中可以看出,1#和2#钎剂在外观、物理稳定性、黏性、卤化物、腐蚀性等方面均符合标准, 但pH 值为5. 5左右, ,pH 值应靠近6. 5, , 使其满足要求。同时, 。
) /
表5 1#和2#编号
##
外观、颜色无色透明液体
物理稳定性
pH 值5
黏性无
无无
%16. 5713. 52
腐蚀性小小
密度
铺展工艺性
/(g ・cm -3)
0. 79520. 7797
良好
良好
4 结论
(1) , 基本确定了无铅钎料
参考文献:
[1] 曹海燕, 李晓明. 免清洗助焊剂的可靠性评价[J].电子
用免清洗钎剂的配方及合成工艺。
(2) 所获得两种免清洗钎剂在外观、物理稳定性、黏性、卤化物、腐蚀性等方面均符合国家标准, 但其pH 值偏低, 不挥发物含量偏高, 有待进一步调节。
(3) 用所研制的两种免清洗钎剂钎焊SnAgCu 无铅钎料, 焊点形状规则, 光泽度高, 焊接后印制板干净, 腐蚀性小。
(上接第142页) con ference ,New orleans US A ,2003.
[9] Hiozawa N ,Isaka K,Ohta T. E lectric Properties of connections
be anis otropic conductive film[J].Journalof electronics man 2u facturing ,1995,5(1) :33-37.
[10] A oqiang Lu ,W ong C P. Mechanisms underlying the unstable
contact resistance of conductive adhesives [C ].E lectronic components and technology con ference ,1999. 342-346. [11] on K losterman ,Li Li ,James E M orris. Materials characteriza 2
tion ,conduction development ,and curing effects on reliability of is otropically conductive adhesives[J].IEEE trans comp packg manu f technol ,1998,21(1A ) :23-31.
[12] Y im M J ,Paik K W. The contact resistance and reliability of
工艺技术,2001,21(4) :155-157.
[2] 吴贵芬, 韩淑珍. 免洗助焊剂[J].电子工艺技术,1995
(4) :9-10.
[3] 刘密斯. 电子工业中的免清洗技术[J].电子展望与决
策,1995(2) :44-46.
[4] 中华人民共和国国家标准G B/T 15829. 1-1995软钎焊
用钎剂树脂类钎剂[S].(收稿日期:2003-12-04)
anis otropically conductive film (ACF ) [J].IEEE transactions on advanced packaging ,1999,22(2) .
[13] Fan S F ,Chan Y C. E ffect of misalignment on the electrical
characteristics of anis otropic conductive adhesive joints[C].E lectronic components and technology con ference , 2002. 1605-1612.
[14] Miessner R ,Aschenbrenner R ,Reichl H. Reliability study of
flip chip on FR4interconnections with AC A [C].E lectronic components and technology con ference ,2002. 595-601. [15] Aschenbrenner R ,Miessner R ,Reichl H. Characterization of
adhesive materials for hight circuit density applications[C].1998International symposium on advanced packaging mate 2rials ,1998.
(收稿日期:2003-12-18)