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1、焊膏工艺性要求及性能检测方法史建卫 袁和平摘要：本文简述了焊膏的基本知识和工艺要求，并对焊膏部分特性指标的检测方法给以描述。关键词：焊膏，印刷性，焊球，粘度，塌陷性，润湿性1.引 言90 年代初伴随电子产品不断的向短、小、轻、薄化方向发展，元器件的尺寸不断减小、更微小型化，SOIC，QFP，CSP，BGA 和 FC 等器件得到大量应用，这些更小型和窄间距的器件对焊膏工艺性提出了更高要求。焊膏是一种膏状流体，要正确使用焊膏，满足细间距要求，必须对其基本知识及工艺性要求有所了解和掌握，必须小心控制焊膏的部分特性指标才能达到最佳的生产效果。2.焊膏的基本知识焊膏是因为 SMT 采用再流焊而产生的一种
2、焊接材料，它采用印刷工艺即丝网漏印和模板漏印方法沉积在焊盘上，元器件经贴片后靠焊膏的粘滞力定位，经再流焊炉焊接在所需要的焊盘上，完成所需的电连接。在完成整个焊接过程中焊膏有两次流动过程，第一次是焊膏在印刷刮板和丝网/模板强力下流动，沉积在焊盘上，第二次流动是在再流焊炉中加热焊膏至熔融状态下流动，完成焊接过程，再流焊也因此得名。电子级焊膏通常是由钎料合金粉和软钎剂载体（软钎剂、溶剂、活化剂和调节流变特性的介质等）组成，它是根据其粘度、流动性及网版的种类来设计配方的。焊膏按合金成分分类有高温焊膏(250以上)，常用焊膏(179183)，低温焊膏(150以下)；按清洗方式分类为有机溶剂清洗类，水清洗
3、类，半水清洗类，免清洗类；按助焊剂活性分类有“R”级（无活性），“RMA”级（中度活性），“RA”（完全活性），“SRA”（超活性）。丝网和模板印刷中，锡膏典型合金粉比重含量为 8891，体积接近 50，滴注形式为 8586。典型的合金成分有铅、锡、银、铜等，直径为 2575 微米，其中细间距印刷(使用 2545 微米，传统使用 4575 微米。常见合金粉型号、直径及使用范围见表 1，合金粒度分布见表 2。合金粉粒度测试可用 100 倍读数显微镜进行，主要用来测试其分辨率(即垫圈法)。焊膏分辨率焊膏粒度(35)，如图 1 所示。合金粉形状分为球形或非球形，粉末长宽比不超过:1，焊膏形状对性能的
4、影响见表 3。表 1 合金粉型号、直径及使用范围(J-STD-005)型号2345网目代号200300230500325500400500400635直径45752563254525382038通用间距(25mil)(25mil)(25mil)(25mil)(25mil)6 .第 1 页1030Micro BGA合金粉型号0%表 2 合金粉粒度分布含量80%160m 150m75150m80m50m75m45m7545m4525m20m20m焊膏粘度延伸性使用范围表 3 合金粉形状对性能的影响不定型高少一般球形低多精细间距 LSI 号合金粉图 1 合金粉粒度测定Sn63Pb37 良好的印刷性3
5、.焊膏的工艺性要求丝网印刷用于焊点高度为 以上，模板印刷用于焊点在 之内。细间距器件的焊膏印刷都采用金属模板接触印刷，焊膏的粒子形状、直径大小及其均匀性都会对印刷性能产生影响，一般焊料直径约为漏印板开口尺寸的 1/5 以下，对细间距 的焊盘来说，漏板开口尺寸为 ，其焊料粒子最大直径不超过 ，否则容易发生堵塞。一般选 ，即-325/500 目的焊料粒子。焊膏的粘度对印刷质量也有重要影响，其受钎料合金粉的形状及颗料度、钎剂成分及含量和温度等因素影响。粘度的确定要考虑使用方式、印刷量的大小以及印刷图形的形状等。为获得良好的印刷性，就要选择粘度适当的钎料膏，从而保证在印刷过程中不粘网、不糊网。一般注射
6、滴涂用焊膏粘度通常为 100，丝网印刷用 300800 ，细间距模板印刷为 800，最高可达 。粘度太大，焊膏不易穿过漏印板开孔，太低又容易流淌、塌边和产生桥连，影响印刷分辨率和线条平整性。而且，助焊剂容易从焊膏中流淌出来，为以后产生焊球或桥接留下隐患。焊膏中添加合适的触变剂就能很好的解决这一矛盾。另外，钎料膏经长时间放置后粘度变化大，容易产生残留颗粒，这主要是由于钎料合金粉的第 2 页含氧量过高造成的。 良好的保形性焊膏印刷后不塌边，保持线条的棱角和完整性、挺括性。钎料膏的坍塌性与其粘度、钎料粉的形状和颗料度分布、钎剂含量及印刷的厚度等因素有关。细密的印刷图形容易形成塌边，造成器件引脚间的桥
7、接。另外，焊料粒子的直径大小一致性好，可使印后线条完整均匀，棱角挺括性趋于一致，印刷分辨率高，减小缺陷。焊膏的工作寿命理论上为 3 天，但是使用时一般在印刷后4 小时内就应贴装上元件进行焊接。 良好的粘结性焊膏的粘结性使其印刷时对焊盘的粘附力大于模板开口侧面的粘附力，牢固地粘附在焊盘上，改善脱模性。同时粘结性能良好且保持足够时间的焊膏，可使元件贴装时减少飞片或掉片，在进行再流焊前保持正确的位置，并经受振动和颠簸。对于 SMC/SMD 的贴装，其焊膏的粘结力应大于 40gf。 产生极少焊球用钎料膏进行钎焊后，在焊点附近常常会发生一些钎料小球。产生的原因一是印刷时图形边缘的钎料粉脱落，二是由于钎料
8、粉的含氧量过高，另外还与温度曲线及焊膏内水分、焊料粒子的均匀性、助焊剂的活性有关。由于在较高温度下，钎料小球发生滚动，位置可能变化从而会影响到产品的可靠性。钎料粉氧化后可焊性降低，表面张力增大，熔融后自然形成小球状。粒子表面积越大就越容易氧化，反之则越小。当氧化物含量达到 %以上时，焊料球发生的几率相当大，一般细间距用焊膏的钎料氧化物应控制在 %，氧化物含量的最大极限值应小于 。焊料粒子中含有大量 以下的粒子，如果焊剂数量过多，焊后局部塌边、流淌带出微小焊料粒子 左右)，焊接时易形成焊料球。当助焊剂活性度较低时，去氧化能力弱，也易产生焊料球。免清洗焊膏的活性一般比松香型和水溶性焊膏的活性低，使
9、用时要特别注意。 良好的残渣清洗性除了水清洗钎料膏之外，使用其它类型的钎料膏，在民用产品上通常可以不用清洗，而在要求高可靠性的军用产品上，由于残渣中有钎料小球存在，在受热时可能滚动，因而必须清洗。常用的 CFC 清洗，除了能有效地清除掉松香型焊剂残渣外，还可以有效清除粘附在板上的极微小焊料球。 良好的软钎焊性钎料膏的软钎焊性是指焊膏润湿焊接表面的能力，主要取决于其钎剂的活性和钎料合金粉的性能，对此可参照钎剂、钎料的特点加以分析和检验。要降低钎粒子的氧化程度，就要严格控制雾化成粒的加工过程，焊膏配置过程及焊膏保存使用过程。通常在电子产品中一般使用 RMA 焊剂，既有足够的活性，又有一定的可靠性，
10、其活性漫流系数大于 80。4 焊膏使用保管要求 使用要求大部分焊膏所能短时间忍受的高温为 (800F)，过热会导致助焊剂与焊膏本身分离，改第 3 页变焊膏流动性，造成性能不良。印刷理想条件为印刷环境湿度为 3060，4050最佳，温度为 1824，净化度为 10103粒级，同时避免空气流动，不可有冷风或热风直接对吹。最好在相对密闭且空气对流小的空间中印刷。另外使用中尽量减少光线照射焊膏的时间。焊膏使用之前应在室温下放置 4-6 小时，以使焊膏的温度自然回升至室温，切不可加热，因为加热可能会造成助焊剂等成分析出。未完全回温到室温即使用的话，焊膏会冷凝空气中的水气，造成塌陷、溅射等问题。另外吸收的
11、水分在高温下会与某些活性剂起反应，消耗活性剂，引起焊接不良等。印刷时要滚动前进，采用直线印刷，提高效率。焊膏首次涂抹在漏板上的量为印刷中用量的 23 倍，涂抹的长度为印刷有效区域的长度。在最初的几次行程中，刮刀会带起一些焊膏，而且焊膏长度也会比有效长度长，所以在最初印刷3 至 4 块板子之后，要再检查漏板表面焊膏的量，适量补充焊膏，补充焊膏时要以少量多次为原则。钎料粉末尺寸与网板开口部尺寸不匹配，常会产生漏膏。制作组装电路板时经过几道印刷工艺之后，电路板板面与印刷网板之间形成的间隙大概为 左右，如果这个间隙管理不善，容易出现漏膏，对印刷质量产生影响，要定期对模板进行清洗。质量好的焊膏钎剂与钎料
12、粉不易分离，若产生轻微分离后略经搅拌应即可恢复混悬状态。使用前使焊膏温度达到室温之后，要进行搅拌以保证焊膏中各组成成分均匀分布。建议用专用搅拌设备如刮刀或混合器沿同一方向搅拌 1-3 分钟，直到焊膏像浆糊一样，用刮刀挑起能够自然地分段落下。最好使用离心式自动搅拌机来搅拌，可避免人工搅拌时在焊膏中残留空气气泡。在使用的各个环节，都不得与其它化学物品相混合。若换用另外品牌的焊膏时，必须将网板、刮刀、搅拌器等清洗干净后，才可开始使用新的品牌焊膏。焊膏使用完毕以后，必须将容器壁上残留而未干固的焊膏用刮刀刮干净并压入容器底部的焊膏中，以免容器壁上的焊膏干燥固化。切记不要将容器壁上干燥固化的焊膏颗粒混入焊
13、膏中。锡膏开封后使用，如果还有剩余且希望在下一轮使用，应再次将该锡膏容器密封，但是不可放入冰箱内保存，只是在室温下即可。漏印时用过的焊膏与新鲜的焊膏按 1:2 混合使用。清洗漏印板：模板清洗机有喷淋超声波清洗机，喷淋清洗机，旋转喷壁式清洗机，如果以IPA(Isopropyl Alcohol 异丙基乙醇)做为清洗剂，然后又和印刷用的焊膏接触的话，会引起反应，造成焊膏的干硬，所以焊膏供应商应该建议安全适合的清洗剂给使用者。另外，切勿误食焊膏，防止焊膏与皮肤和眼睛接触。因为焊膏含有有毒物质，所以在使用时应该穿戴手套和实验防护衣，使用完后应立即用肥皂洗手。 保管要求焊膏应该保存在 010环境下，最佳状
14、态为在 4-8下进行冷藏，请注意不可以对锡膏进行冷冻保存，否则会造成树脂和添加剂的沉淀或结晶，影响使用效果，冷藏寿命为室温寿命的两倍。成品钎料膏在存放期间内应具有良好的化学稳定性，钎料粉与液态钎剂之间在常温下应不发生化学反应。水溶性焊膏一般的冷藏寿命为 36 个月，免清洗焊膏一般为 6 个月到 1 年。随着出厂时间的延长，焊膏中的溶剂挥发，焊料沉积。焊粉氧化，各组分之间的化学反应均会使焊膏性能降低，因此应该遵从先进先出原则，从日期久的开始使用。焊膏在运送时要用绝缘材料和干冰保护来运送焊膏，避免过热，避免暴露在空气中过长时间。5.焊膏特性指标与测量方法焊膏是一种膏状流体，要正确使用焊膏，必须对其
15、基本性能参数有所了解和掌握，必须小心控制焊膏的部分特性指标才能达到最佳的生产效果。第 4 页 塌陷性测试焊膏塌陷性测试是用来测试焊膏在 X,Y 方向的塌陷性。使用两种钢网 IPC-A-20 和 IPC-A-21(见表 4)，将锡膏印刷到 4 层氧化铝或玻璃环氧基板上，每一种钢网包括两组孔径排列，每一组有确定的孔径尺寸和间距，一组沿 X 轴排列，另一组沿 Y轴排列。同一组的孔径尺寸是相等的，但是孔径之间的间距是系统性变化的，目的是给测试结果一个标尺。每种钢网印刷的两个样本在室温下存放 1020 分钟，取各自的一组样本进行塌陷性测量，剩余两个样本加热到 150停留 1015 分钟，然后冷却测量其塌
16、陷性。塌陷性可以通过焊膏的桥连来决定，最后桥连处的间距是多少，塌陷率就是多少(见图 2)。表 4 IPC-A-20 和 IPC-A-21图 2 塌陷性测试时产生的桥连 焊球测试焊球测试是用来测试焊膏溶化形成小球的能力。采用带有 3 个直径为 圆孔的钢网，把焊膏印刷到两块氧化铝基板上。钢网厚度对于TYPE1-4 为 ，TYPE5-6 为 。一个样本在室温下存放 1020 分钟然后熔化，另一样本在室温下存放 4 小时15 分钟然后熔化。再流熔化过程可以通过降低样本到一个焊料槽表面或使用热盘加热来实现。但要注意的是：当取样本时一定要水平。当然也可在再流焊炉中熔化。试验评定如图 3 所述要求。第 5
17、页 润湿性测试图 3 焊球测试评定标准润湿性测试是用来测试焊膏润湿无氧化、高传导率的铜表面。测试可以在覆铜的玻璃环氧板上进行。基板用液态的铜清洗剂清洗后，用水冲洗，然后用异丙烷基酒精清洗，干燥后在无离子水中煮 10 分钟，空气中干燥。然后用厚度为 ，带有 3个直径为 圆孔的钢网印刷焊膏，样本在再流焊炉中或热盘上再流熔化，然后用溶剂清洗掉助焊剂。样本图片放大 10 倍后观察，焊膏必须均一的润湿铜表面，必须无不润湿或勉强润湿现象，而且在印刷点周围没有任何溅污。如果润湿良好，焊膏将向外铺展形成一个更大直径的熔化焊料圈，如图 4 所示。图 4 润湿良好的焊点放大图 工作寿命测试工作寿命测试是用来测试焊
18、膏在印刷后多长时间将阻碍钢网孔径而导致印刷不良。使用的模板必须是细间距孔径，最好用 或 间距。另外最好使用生产丝印机来测试而不是试验丝印机。焊膏被连续印刷到 5 块玻璃环氧板上。丝印机需在印刷紧接着的 5 块板之前等待 15min，依次再等待 30min,60min。在整个印刷过程中模板不清洗。然后在显微镜下观察，如果焊膏通过这种测试，那第一次与最后一次之间只有很小的差别。 软钎料实验方法及软钎焊性试验方法静滴法(按接触角和流散面积确定钎料润湿性)第 6 页原理如图 5 所示，润湿接触角(i)的计算按下列公式进行：(i) 左 右 (1)2 左 、 右 分别为从左边和右边测量的润湿接触角值。对于
19、液体组合，其润湿接触角(cp)应按下列公式确定：cp+2+ +=1nn (2)式中 i 是对于每一液滴的润湿接触角的数值； n 为试样数目。测量时，试样图投影到屏幕上时应当放大五倍以上。为了减少由于在冷却样品上液体形状的不完善所引起的误差，润湿接触角测量时每个样不少于 3 个投影的 左 、 右 的值，并求出其平均值。钎料流散面积应在试样冷却以后，用面积测定仪(求积仪)或其它工具及方法测定铺展面积，以保证对被测面积的测量误差%，以2为单位。求得润湿接触角cp和钎料流散面积，以此来做为评定。图 5润湿平衡测试法(按初始速度和流散时间确定钎料润湿的程度)润湿平衡测试法是测量焊膏在润湿无氧化铜表面时的
20、速度快慢和爬升高度，测试工具采用润湿平衡测量仪。润湿平衡测量仪测量过程：将标准试验铜片以设定的速度插入到一定温度的熔融钎料槽中，当插入深度达到设定值时，试件停止运动，停留设定时间后向上提起，测试过程完成。测量过程中，当试件端部与钎料接触并继续插入时，试件会受到浮力作用，随着钎料对母材的逐渐润湿，浮力逐渐被表面张力抵消，曲线由负向正变化，当合力为零时，记录的时间称为零交时间；测试继续进行，合力值增大，当合力不再随时间而变化时，此时刻的润湿力为 Fmax。零交时间越短，说明润湿过程发生越迅速；Fmax 越大，说明润湿过程中对母材的润湿程度越大，沾锡量越多。润湿过程如图 6 所示：第 7 页试验工业
21、标准见表 5：工业标准图 6 润湿平衡测量仪润湿过程示意图表 5 试验工业标准参数润湿时间 Tw/s要求2ANSI/J-STD003最大润湿力 Fmax(mN/m) 120上述静滴法和润湿仪法是关于软钎料性能的试验方法，前苏联的国家标准中有比较全面的论述和规定，我国电子工业部标准化研究所曾翻译出版了苏联焊料物理性能测试方法标准汇集。OCT23904-79钎焊测定材料被钎料润湿的方法中对钎焊工艺、钎料及钎剂性能的评价做了详细的论述，其中就包括静滴法和润湿仪法。在进入实际组装和软钎焊前，必须通过软钎焊性试验来评估软钎料。此外，软钎焊性试验项目内还需包括加速老化试验，以模拟存储对软钎焊的影响。为评估
22、软钎焊性，还可以采用一种或数种试验方法，可部分地按元器件的尺寸和形状作出具体的选择。最常用的五种试验方法为垂直浸沾试验、旋转浸沾试验、表面张力平衡试验、钎料球试验和波峰钎焊试验。相关内容请参阅文献 3 和文献 7。 软钎剂实验方法我国目前已制定并发布实施的软钎剂标准有：SJ2660-86软钎焊用树脂系焊剂试验方法、GB9491-88锡焊用液态焊剂、JB/T6173-92水溶性有机助焊剂、GB/T15829、115829、4-1995软钎焊用钎剂。由于标准起草的单位和要求不同，为此全国焊接标准化技术委员会钎焊分技术委员会 9394 年起草制定了通用的、与 ISO9454-1:1990(E)等效的
23、国家标准 GB/15829、4-1995软钎焊用钎剂。该标准针对树脂类钎剂助焊剂的试验方法主要有铺展率(扩展率)试验和相对润湿力实验，对非树脂类钎剂(包括有机物类和无机物类软钎剂)的试验方法主要有残渣腐蚀性能和填缝性能实验方法。软钎剂的性能，包括物理稳定性、不粘着性、不挥发物含量、铺展率、相对润湿力、水萃取液电阻率、干燥度、铜镜腐蚀试验、表面绝缘电阻测试、氯化物质量与数量测试、液态锡膏酸性测试、银铬酸盐测试、助焊剂中固体成分测试、氯化物、氟化物测试、焊剂粘度等。相关内容请第 8 页参阅文献 3 和文献 7。焊膏内钎剂含量测试方法取焊膏试样 30 克左右，精确测定其质量并记为W1，把其放入甘油中
24、加热使其熔化，当合金与钎剂完全分离后空冷，使其凝固。用水清洗后，再用酒精清洗，干燥后精确测定其质量，值设为W2。+钎剂含量(%)W1W2100W1上述测定方法的试验温度一般在 200以上，操作时需小心，防止钎剂溅出伤人；若以异丙醇代替甘油，同样可以得到满意的结果，而且试验时操作更安全。不挥发物含量的具体测定方法将 6 克钎剂准确称量(M1)并精确至 克后，放入沸水中加热，使大部分溶剂挥发。再将其放入 1102通风烘箱中干燥 4h，然后取出放到干燥器中冷却至室温称量，反复干燥和称量，直至称量误差保持在 克之内取出，此时试样质量记为 M2。不挥发物含量(%)=(M2/M1)100铺展率(扩展率)测
25、试方法取一定质量的焊膏(一般为 放置在 GB2040 规定的二号试验铜板上，熔化冷却后清洗，测量焊点高度。一般以五块试片焊点高度的算术平均值做为焊点高度 hav，但当单个试片焊点高度 h1与平均高度 hav之差大于每个试验焊点高度与平均高度之差的平均值时，即：5 hhiav h i=1 (3)hiav该试样的焊点高度值应删去不计。m5利用排水法或公式V = g 求出钎料合金体积 V，再按照以下公式来计算钎料球直径 H：H3 (4)扩展率(%) =H hav100H国外有关钎料铺展性及填缝性实验方法的标准有 ISO179改变间隙试件硬钎焊性实验方法、日本 JISZ3191-87硬钎料的铺展性实验
26、方法、前苏联OCT23904-79测定材料被钎料润湿的方法等。由于上述方法各有利弊，使用起来也不方便，为此我国于 89 年起草制定了中国国家标准 GB11364-89钎料铺展性及填缝性实验方法，它适用于各类软、硬钎料在母材上铺展性及填缝性的评定实验。此方法不但是软钎料常用的试验方法之一，也可以用来检验新研制的软钎焊剂的性能，具体内容可以查阅此标准。第 9 页参考文献：1 曹继汉,长岭机器厂.焊膏的工艺性要求. 2003年中国电子制造技术论坛会论文集,2003年8月于中国u28145X圳2 曹继汉,长岭机器厂.焊膏的使用保管要求. 2003 年中国电子制造技术论坛会论文集,2003 年 8 月于
27、中国u28145X圳3 IPC 标准: IPC-TM-650, J-STD-004, J-STD-005, J-STD-0064 王玉廷,李俊岭,中电集团公司第二研究所.模板清洗技术浅谈. 2003年中国电子制造技术论坛会论文集,2003 年 8 月于中国u28145X圳5 王行乾,长江三角洲 SMT 专家协作组. SMT 发展面临的新挑战. 2003 年中国电子制造技术论坛会论文集,2003 年 8 月于中国u28145X圳6 Krystuna Bukat,Janusz Sitek.采用非VOC焊剂的无铅焊料的可焊性评估.环球SMT与封装2003,3(2):11-137 庄鸿寿张启运.钎焊手册,机械工业出版社. 1998,490-5088 实用表面组装技术基础.四川省电子学会 SMT 专委会,陕西省电子学会生产技术与 SMT 专委会. 2002年 5 月9 夏杰. SMT 用焊膏知识介绍及其使用过程中常见问题之原因分析.表面贴装技术,2002,5:16-1910SMT 中小批量生产中质量控制.电子工艺技术,1997,9第 10 页
