国内外软钎焊的助焊剂分析与综述.pdf

Applications创新应用344 集成电路应用 第 40 卷 第 10 期（总第 361 期）2023 年 10 月良好的热稳定性；表面张力、黏度和比重应比焊料小；助焊剂残渣易去除，具有良好的清洗性，对于不需要清洗的助焊剂，其残留物应具有不腐蚀、不吸湿和不导电等特性；助焊剂的基本组分应符合环保要求；在常温下储存性质稳定；各类型助焊剂应基本达到或超过相关标准、行业标准或者其他标准对助焊剂的一些规范和要求。2 环保助焊剂要点 2.1 无铅在欧盟的RoHS和WEEE认证中正式提出了对六种物质（铅Pb、镉Cd、汞Hg、六价铬（Cr(VI）、多溴联苯（PBBs）、多溴二苯醚（PBDEs）的禁令。2011年12月1日在我国正式推广的国推RoHS认证4也规定了这六种物质在中国的禁令。国推RoHS认证规定“无铅”的标准是含铅不大于0.1%。与传统的锡铅焊料相比，无铅焊料由于熔点高，易氧化，润湿性差，要想获得与锡铅焊料质量相当的焊点，必须使用活性更高，热稳定性更好的新型助焊剂，因此需要对相应的助焊剂组成和焊接工艺进行重新设计。在工业生产中，可焊性和可靠性是评估无铅焊料的重要指标。现今常见的无铅焊料有SnAgCu等。2.2 低残留、低毒性这两点要求助焊剂免清洗，因为清洗中用到的CFC溶剂是大气臭氧层的损耗物，在1989年1月1日0 引言本文探讨助焊剂的来源、作用及要求，然后对“绿色”助焊剂要点：无铅，低残留、低毒性，无卤，无VOC进行了概述，最后对全球范围内助焊剂使用的概况分松香基助焊剂，水溶性助焊剂以及免清洗助焊剂和低固含量助焊剂进行了综述，并在此基础上进行了小结：助焊剂是微电子封装行业的“催化剂”，没有可以满足所有应用需求的“万能”助焊剂。1 研究背景流动(Flux)1。在软钎焊中，这个定义是不充分的。我们已经知道Flux除了帮助流动外还有其他作用。这些作用可以简要概括为四个方面：辅助热传递、去除氧化物、降低表面张力和防止再氧化。在化学反应中，催化剂引发并加速反应进程但不进入最终产品。很明显，在这一点上助焊剂正像催化剂一样，本身并不进入焊点的形成，但对完成钎焊接头的速率和程度却有着重要的影响2。助焊剂的常见组成如下3：活性剂（2%5%）、溶剂（97%）（水+助溶剂）、表面活性剂（0.3%）、成膜剂（0.25%）、缓蚀剂（0.1%0.2%）和其他成分。在工业界中，助焊剂的性能要满足下列要求2：能够去除氧化物、防止再氧化、降低表面张力和促进焊料的润湿和扩展；具有适当的活性温度范围，应在焊料融化前就融化，并具有作者简介：范荣，苏州市赫伯特电子科技有限公司，高级工程师，博士；研究方向：精细化工。收稿日期：2023-02-03；修回日期：2023-09-22。摘要：阐述助焊剂的作用和要求，环保助焊剂中的无铅，低残留、低毒性，无卤，无VOC的特点，探讨全球助焊剂的使用概况，包括松香基助焊剂，水溶性助焊剂、免清洗助焊剂、低固含量助焊剂。关键词：控制技术，助焊剂，软钎焊，免清洗。中图分类号：TQ072 文章编号：1674-2583(2023)10-0344-03DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.10.157文献引用格式：范荣，姚友西.国内外软钎焊的助焊剂分析与综述J.集成电路应用,2023,40(10):344-346.国内外软钎焊的助焊剂分析与综述范荣，姚友西（苏州市赫伯特电子科技有限公司，江苏 215024）Abstract This paper expounds the functions and requirements of soldering fluxes,the characteristics of lead-free,low residue,low toxicity,halogen-free,and VOC free in environmentally friendly soldering fluxes,and explores the use of global soldering fluxes,including rosin based fluxes,water-soluble fluxes,cleaning free fluxes,and low solid content fluxes.Index Terms control technology,flux,soft soldering,no cleaning.Analysis and Review of Fluxes for Global Soft SolderingFAN Rong,YAO Youxi(Suzhou Humbert Electronic Technology Co.,Ltd.,Jiangsu 215024,China.)Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 10 期（总第 361 期）2023 年 10 月 345通过的Montreal议定书5中规定CFC为禁用被淘汰物质。2.3 无卤卤素化合物的使用会逐步引起电气绝缘性能下降和短路等问题，因此在2008.12起生效的IPC/J-STD-004B6中，按不同物质和含卤素含量的多少将助焊剂分为十二类，其中小于0.05%（万分之五）视为无卤（不含卤素化合物），0.05%c0.5%为低活性，0.5%c2.0%为高活性。这个标准可以将目前市售的所有助焊剂都涵盖其中，证明其分类的科学性。2.4 无VOC挥发性有机物（VOC）的使用不仅会导致气候变化，还会影响产品安全。虽然目前国内外暂无相关法规，但限制VOC在助焊剂中的使用已经成为业界的共识，相信未来会有新的环保法规来规范VOC的正确使用。除了以上四类物质，“绿色”助焊剂还要求无松香、高效、水性基体等方面，这里不一一展开。总的来说，“绿色环保，节能低碳”是助焊剂开发的总要求。具体来说，无松香，无卤素，无VOC，水基，免清洗助焊剂的开发与应用是当今微电子封装材料研究领域的一项重要任务。3 全球范围内助焊剂使用的概况图1所示为1990年代全球范围内助焊剂使用的概况，其中：松香基助焊剂（Rosin-Base）仅占5%，而水溶性助焊剂（Water-Soluble）的比例占30%，免清洗助焊剂（No-Clean）的比例高达65%。3.1 松香基助焊剂松香在是传统的电子工业中是作为助焊剂的关键组分。松香基助焊剂的主要组分为：松香酸含量80%90%，海松酸含量10%15%。但松香基助焊剂有无法忽视的缺点：松香是一种天然产品，起到助焊作用的主要是松香酸，但其酸值不确定；松香在焊接时会放出大量焊接烟尘，污染环境；其残留物不易除去，清洗用到的CFC会对大气臭氧层造成破坏。此外，美国的松香生产已从1962年的12.5万t下降至现今的1.5万t，松香的供应无法保证。因此有必要寻找松香型助焊剂的替代产品。3.2 水溶性助焊剂水溶性助焊剂7主要有水溶性有机酸助焊剂（OA）和水溶性树脂助焊剂（SA）。水溶性助焊剂显著的特点是没有CFC和其他溶剂。相比于松香型助焊剂，其具有更加优良的焊接强度和熔融能力，且残留物可溶于水，易于除去。然而，水溶性助焊剂的残留物具有化学活性和腐蚀性，因此要彻底清洗。当水溶性助焊剂的残留物未能完全从线路板上除去时，会损害线路板长期运行的可靠性，且比松香型助焊剂的残留物损害更大。使用水溶性助焊剂时，要注意以下几点：焊接过程中应控制温度曲线；印刷过程中要保证间隔的时间最短；清洗过程应避免助焊剂卷入及残留物未能完全除去；如使用皂化剂或其他添加剂，须控制其质量和数量。此外，如需要可用中和、沉淀、分离控制来处理废水。3.3 免清洗助焊剂和低固含量助焊剂免清洗助焊剂7是Montreal议定书颁布后开发出来的新型助焊剂。这类助焊剂有充足的活性来保证焊接质量，并且让焊接中没有焊球形成。其残留物量最少，且无黏性，因此不影响焊件检验。除此以外，残留物在温度、湿度下保持惰性，且无腐蚀性。免清洗助焊剂的例子有英国Multicore公司的X-32无渣助焊剂7，其不含卤化物，无腐蚀性，可达到军用标准的清洁度要求，固含量约为3%。德国Stannol焊剂制造厂生产的Stannol“900-6”低固含量助焊剂7是一种无卤素，无松香活化的水白色助焊剂，其固含量为6%，比重0.796，闪点13。4 结语助焊剂是微电子封装行业的“催化剂”，其重要性不言而喻。其中，无卤素、低残留（低固含量）、免清洗、无/低VOC的助焊剂是真正意义上的“绿色”助焊剂，也是当前助焊剂研发的重中之重。除此之外，在电子工业中选择合适的助焊剂时，往往还要对其经济性进行考量1：通常，成本较低的助焊剂并非最经济的助焊剂，而采用优质材图1 全球范围内助焊剂使用的概况Applications创新应用346 集成电路应用 第 40 卷 第 10 期（总第 361 期）2023 年 10 月料的技术优势往往会更大程度的节省成本，比如：产品的可靠性，免去重复劳动，更有利的工艺（焊接次数、温度和清洗花销）等。另外，必须引起注意的一点是，没有可以满足所有应用需求的“万能”助焊剂，所以要提供多种助焊剂配方来供用户选择适合他们封装工艺的合适助焊剂，做到“一剂一方”。参考文献1 MANKO H.Solder and soldering:materials,design,production,and analysis for reliable bondingM.4th ed.McGraw-Hill,2001.2 XU D.Study on the preparation of soldering flux for no-lead solder and the effect of flux residue on the electric reliabilityD.Beijing:Beijing University of Technology,2008.3 RAO Y.Study on the water-based no-clean flux for Sn-3.0Ag-0.5Cu lead free solderD.Guangdong:Guangdong University of Technology,2013.4 GuotuiRoHS certificationEB/OL.https:/ Montreal protocol on substances that deplete the ozone layerEB/OL.https:/ IPC/J-STD-004B,Chinese versionS.7 XU J,WANG M,YAN L.Advances on soldering flux abroadJ.Electric Material,1993,7:11-13.