助焊膏制备工艺对锡膏性能的影响.pdf

张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用随着信息科技技术迅速发展，智能化、微型化、高度集成化已成为电子信息产业发展的主要趋势。与此同时，表面组装技术也成为电子产品组装的主流技术1。锡膏是表面组装技术中最为关键的封装材料，它由焊料合金粉末和助焊膏在一定条件下均匀混合而成膏状物质2-3。作为焊料粉的良好载体，助焊膏可以用来调节锡膏的粘度以改善焊膏的储存、印刷等综合性能。在再流焊接工艺中，助焊膏的核心功能是：去除被焊金属表面的氧化物并防止出现焊料与焊接表面的再氧化现象；降低焊料表面张力，促进焊料与被焊金属相互润湿，保证焊后形成性质稳定的绝缘层4-5。近几年，国内外的研究主要集中于对助焊膏配方中主要成分进行优化。武信等6研究触变剂的含量及加入温度对锡膏印刷性能的影响，经过分析选择最佳配比及工艺，进一步提升了细间距用锡膏的印刷性能。杨楠等7研究了溶剂的复配对锡膏的助焊性能和抗热塌性能的影响，对锡膏热塌性进行了优化研究。杨雅婧等8研究树脂成膜剂对助焊膏性能的影响，探讨了成膜剂含量与助焊膏之间的关系。邓晓波等9以扩展率、锡珠、焊点情况作为评价指标，对助焊膏用活性剂进行优化。目前*收稿日期：2023-03-16作者简介：柳丽敏（1993-），女，云南昆明人，工程师，主要从事锡焊料开发及工艺研究工作。通讯作者：武信（1978-），女，云南昭通人，高级工程师，主要从事焊锡料开发及工艺研究工作，E-mail：。基金项目：云南省高层次科技人才-科技人才引进与培养（202105AE160028）。Aug.2023Vol.52.No.4（Sum 301）2023 年 8 月第 52 卷第 4 期（总第 301 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY助焊膏制备工艺对锡膏性能的影响*柳丽敏，武信，熊晓娇，王艳南，钱斌（云南锡业锡材有限公司，云南 昆明 650217）摘要：从助焊膏的不同制备工艺入手，采用高速乳化和高温合成工艺制备同一配方助焊膏，并对两种工艺制备的锡膏综合性能进行测试。测试结果表明高速乳化工艺制备的锡膏粘着力和粘度偏小，具有较优的抗坍塌性能，适用于焊接间距较小、贴装元件较小的产品；高温合成工艺制备的锡膏粘度和粘着力偏大，在润湿性能和空洞率方面具有较优优势，适用于对焊接效果和空洞率要求较高的产品。关键词：助焊膏；锡膏；高速乳化；高温合成；焊接中图分类号：TG425文献标识码：A文章编号：1006-0308（2023）04-0091-06Effect of Flux Paste Preparation Technology on Solder Paste PropertiesLIU Li-min,WU Xin,XIONG Xiao-jiao,WANG Yan-nan,QIAN Bin(Yunnan Tin Industry and Tin Material Co.,Ltd.Kunming,Yunnan 650217,China)ABSTRACT：Preparation of flux paste with the same formula was carried out by adoption of high-speed emulsification and hightemperature synthesis,according to different preparation technologies of flux paste,and the comprehensive performance of flux pastesprepared by two kinds of processes were tested.Test results show,the flux paste prepared by high-speed emulsification process has weakadhesion and viscosity,it has better collapse resistant capacity,it is suitable for welding of products with small welding spacing and smallboard mount;the flux paste prepared by high temperature synthesis process has strong adhesion and viscosity,it has advantages onwettable properties and void rate,it is suitable for welding of products with high requirements of welding results and void rate.KEY WORDS：flux paste;solder paste;high-speed emulsification;high temperature synthesis;weld91Aug.2023Vol.52.No.4（Sum 301）2023 年 8 月第 52 卷第 4 期（总第 301 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY助焊膏的制备工艺主要有两种，一种是乳化-碾磨，另一种是高温合成，国内外针对助焊膏制备工艺的研究较少。本文从助焊膏的不同制备工艺入手，分别采用高速乳化和高温合成工艺制备同一配方助焊膏，再与 Sn96.5Ag3.0Cu0.5 合金 Type4（20耀38 滋m）焊锡粉搅拌制成锡膏，并对两种工艺制备的锡膏的粘度、润湿性能、抗坍塌性能、空洞率等性能进行考察。1试 验1.1试验材料及仪器设备1）试验材料：Sn96.5Ag3.0Cu0.5 合金 Type 4焊锡粉；活性剂、溶剂、成膜物、触变剂、抗氧剂；2）试验仪器设备：数显控温磁力搅拌器；HENNLY VMC-50 乳化机；ACM-5LV 爱公社搅拌机；Malcom PCU205 粘度测试仪；Malcom TK-1 粘着力测试仪；dage XD7500 X 射线检测系统；IPC-A-21 金属模板；江南 BM-2000 显微镜；电加热板；电热鼓风干燥箱；无铅热风回流炉；磨砂玻璃；显微镜载玻片；铜板（牌号为 T2，纯度跃99%）等。1.2助焊膏制备1）高速乳化工艺。高速乳化工艺设备示意图见图 1（a），助焊膏制备方法：将松香和溶剂加入到反应釜中，设置加热温度 80 益，通过反应釜夹层中通导热油进行加热，设置搅拌轴转速和分散头转速，从视镜观察反应釜内情况，待松香被分散至无大颗粒物后，按顺序从加料口依次加入后续原料。加料结束后，关闭加热，边搅拌边降温，待釜内原料冷却至乳液状，停止加热和搅拌，将助焊膏倒入容器内密封冷却至室温，用三辊机研磨后使用；2）高温合成工艺。高温合成工艺设备示意图见图 1（b），助焊膏制备方法：将松香、触变剂、抗氧剂、溶剂、活性剂等物料加入到不锈钢容器中，设置加热炉加热温度，加热至 180 益，原料溶化为澄清透明液体，关闭加热，降温至 140 益，停止搅拌，将助焊膏倒入容器内密封冷却至室温，用三辊机研磨后使用。1.3锡膏制备方法两 种 助 焊 膏 分 别 与 Sn96.5Ag3.0Cu0.5 合 金Type 4 焊锡粉配置锡膏，助焊膏与焊锡粉质量比例为 11.5 颐 88.5，考察助焊膏的不同制备工艺对锡膏的粘度、润湿性能、抗坍塌性能、空洞率等性能的影响。1.4性能测试1）助焊膏粒径。取助焊膏涂布在载玻片上，用显微镜观察粒径；2）锡膏粘着力。使用 Malcom TK-1 粘着力测试仪，用特制模板将锡膏印刷在配套的专用陶瓷片上，每次测试 5 个点，取平均值作为测试结果；3）锡膏粘度测试和触变指数（Ti）。在（25依0.5）益下使用 Malcom PCU205 粘度测试仪，按 JISZ 3284-3 2014 标准进行测试，其粘度读数为转速为 10 r/min 时的粘度值。触变指数 NTI根据 JIS Z 3284-3：2014 标准进行测试。由自然对数之粘度-剪应变速率曲线中的梯度计算，根据公式（1）进行计算。NTI=log（浊1/浊2）log（D1/D2）（1）其中：D1和 D2为剪应变速率 r/min；浊1为剪应变速率 D1时的粘度，Pa s；浊2为剪应变速率 D2时的粘度16，Pa s。4）扩展率。按照 JIS Z 3197 标准进行扩展率测试，按下述公式进行计算。V=m/籽（2）D=1.2407V（3）E=D-hD伊100（4）其中，V 为焊料小球体积，cm3；m 为焊料小球质量，g；D 为焊料小球的直径，mm；E 为试样的平均扩展率，%；h 为焊点的平均高度，mm；（a）高速乳化工艺（b）高温合成工艺图 1制备工艺设备示意图Fig.1Equipment schematic diagram for preparation technology92张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用图 4助焊膏研磨前后粒径图Fig.4Particle size diagram of flux paste before and after grinding（c）高温合成研磨前（d）高温合成研磨后（a）高速乳化研磨前（b）高速乳化研磨后籽 为焊料密度17，g/cm3。5）回流焊接性能和空洞率。使用回流焊机对两种锡膏进行光信号处理器（OSP）电路板的回流焊接，电路板如图 2 所示，用特制钢网将锡膏印刷在电路板上，经回流炉焊接后进行评价。用显微镜观察（I）部分焊点润湿情况和饱满度评价锡膏润湿情况，用 X-Ray 观察（II）部分测试 BGA焊球的空洞率。6）坍塌测试。按 IPC-TM-650 2.4.35 标准进行坍塌性测试。使用 0.2 mm 厚的标准钢网（如图3 所示）印刷锡膏，其中，冷坍塌：置于（25 依5）益环境中，当印刷孔尺寸为（0.33伊2.03）mm，间距逸0.25 mm 不应出现桥接；印刷孔尺寸为 0.63mm伊2.03 mm，间距逸0.56 mm 不应出现桥接。热坍塌：置于（150 依 10）益的烘箱内，烘烤（15 依5）min，印刷孔尺寸为（0.33伊2.03）mm，间距逸0.3 mm 不应出现桥接；印刷孔尺寸为 0.63 mm 伊2.03 mm，间距逸0.63 mm 不应出现桥接。2结果与讨论2.1不同制备工艺助焊膏的粒径图助焊膏的粒径在很大程度上影响锡膏的性能，当助焊膏粒径较大时，锡膏状态粗糙，整体印刷时滚动性差，间接影响下锡量，导致焊接缺陷10，所以助焊膏粒径也需作为影响焊接性能的因素进行考察。助焊膏粒径如图 4 所示，高速乳化工艺制备的助焊膏研磨前粒径较大，分布在（30耀127）图 2OSP 电路板示意图Fig.2Schematic diagram of OSP circuit board图 3坍塌测试钢网图Fig.3Steel grid diagram for collapse test柳丽敏，等：助焊膏制备工艺对锡膏性能的影响93Aug.2023Vol.52.No.4（Sum 301）2023 年 8 月第 52 卷第 4 期（总第 301 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY图 7扩展率测试图片Fig.7Expansion rate test picture（a）高速乳化（b）高温合成滋m 之间，研磨后粒径在 36 滋m 以下。高温合成工艺制备的助焊膏研磨前粒径相对偏小，分布在（18耀43）滋m 之间，研磨后粒径在 26 滋m 以下。由图 5 可知，高速乳化工艺是通过搅拌轴、分散头高速旋转所产生的高线速度和高频机械效应带来的强劲动能，使物料受到强烈的机械及液力剪切、离心挤压、液层磨擦、高速撞击撕裂和湍流等综合作用下分裂、破碎、分散，并在短时间内让物料承受几十万次的剪切作用，从而使不相溶的物料均匀地充分分散、乳化、溶解，实质上主要是物理混合的过程，此过程只是物料均匀分散。此外，在较低温度进行混合乳化，有效防止溶剂在高温下挥发。该工艺制备的助焊膏粒径偏大且有颗粒感，锡膏状态略显粗糙。高温合成工艺则是将原料装在不锈钢锅里，通过加热炉快速加热，伴随着搅拌轴匀速转动，使松香及其余物料溶解在溶剂中，从而使物料混合均匀。本实验所用松香软化点在（120耀130）益之间，为使松香快速溶解，一般加热至（160耀180）益对松香和溶剂进行混合，松香完全溶解，具有较强活性。同时，高温也易造成溶剂挥发。该工艺制备的助焊膏粒径偏小、细腻均匀无颗粒感，制备的锡膏状态比较细腻有光泽。2.2不同制备工艺对锡膏粘着力、粘度和触变指数的影响锡膏的粘度是确保锡膏能正常印刷的关键因素。粘着力测试主要评价锡膏是否有足够粘力将表面组装元器件（SMC/SMD）固定。Ti 值为触变指数，反映的是锡膏在外力作用下改变形态的快慢程度，一般良好的 Ti 值在 0.4耀0.6 之间。锡膏的粘度、粘着力、触变指数（Ti）测试结果如图 6 所示。由图 6 可知，高温合成工艺制备的锡膏的粘着力和粘度略高一点，高速乳化制备的锡膏的触变指数略高一点。这是因为当触变剂加入树脂体系中，因氢键等作用力的存在会形成三维网络状结构，而氢键在高温作用下易被破坏，导致其触变性降低，所以高温合成的锡膏因加热温度较高会致使触变指数偏低，高温也易造成溶剂挥发，使粘度和粘着力偏大。2.3不同制备工艺对锡膏润湿性能的影响2.3.1对扩展率的影响扩展率是衡量锡膏对焊盘润湿性能的一个重要指标。锡膏的扩展率测试图片见图 7，测试结果见图 8。图 5锡膏状态图Fig.5State diagram of solder paste（a）高速乳化（b）高温合成图 6不同制备工艺锡膏的粘着力、粘度和触变指数Fig.6Adhesion,viscosity and thixotropic indexes of solderpaste prepared by different processes94张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用图 9不同制备工艺对 OSP 板焊接的影响Fig.9Effect of different preparation processes on OSP plate welding（a）高速乳化（b）高温合成图 10不同制备工艺对空洞率的影响Fig.10Effect of different preparation processes on void rate（a）高速乳化（b）高温合成由图 7、图 8 可知，高速乳化工艺制备的锡膏扩展率为 80.5%，高温合成工艺制备的锡膏扩展率为 83.7%。这是因为在高温合成工艺下，为使松香快速溶解彻底，需在高温下对松香和溶剂进行混合，松香完全溶解，具有较强活性，其润湿性能要好一些。2.3.2对 OSP 测试板润湿性能的影响锡膏的焊接性主要是通过表面组装元器件的焊点可靠性来表征，使用回流焊机对锡膏进行光信号处理器（OSP）电路板的回流焊接。空洞现象的产生主要是助焊膏中的有机物经过高温裂解后产生的气泡难以逸出，导致气体被包围在合金粉末中。空洞会直接影响界面导热效果，容易产生点过热，减少焊点可靠性。电路板的大小焊点焊接情况如图 9 所示，空洞率如图 10 所示。图 8不同制备工艺对扩展率的影响Fig.8Effect of different preparation processes on expansion rate由图 9、图 10 可知，两种工艺制备的锡膏在OSP 板上焊后焊点饱满光亮，无缩焊现象，润湿性能良好。高速乳化工艺制备的锡膏空洞率偏大，单个空洞率最大为 6.4%，总体空洞率最大为 10.2%。高温合成工艺制备的锡膏空洞率较小，单个空洞率最大为 5.3%，总体空洞率最大为 8%。助焊膏活性高，去除表面氧化物、污物的能力就越强，缩锡、拒焊现象就会大大减少，焊接能形成良好的 IMC层，气泡也随之减少，空洞也就减少，这也是高温合成工艺制备的锡膏空洞率偏小的原因。2.4不同制备工艺对抗坍塌性的影响随着电子元器件的尺寸越来越小型化及电路板细间距化，也相应要求锡膏的抗坍塌性能越来越好，坍塌代表的是锡膏在印刷时保持印刷形态的能力，若坍塌性能太差，在焊接过程中会出现连锡而导致短路。坍塌测试结果见图 11。柳丽敏，等：助焊膏制备工艺对锡膏性能的影响95Aug.2023Vol.52.No.4（Sum 301）2023 年 8 月第 52 卷第 4 期（总第 301 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY（c）高速乳化热坍塌（d）高温合成热坍塌图 11不同制备工艺对坍塌的影响Fig.11Effect of different preparation processes on collapse（a）高速乳化冷坍塌（b）高温合成冷坍塌由图 11 可知，在焊膏图形尺寸为（0.33 伊2.03）mm 时，两种制备工艺的冷坍塌桥连间距均为 0.06 mm，高速乳化工艺制备的锡膏热坍塌桥接间距为 0.06 mm，高温合成工艺制备的锡膏热坍塌桥接间距为 0.10 mm。高温合成的制备温度高于触变剂熔点，触变剂的氢键及网状结构被破坏，触变性能差，锡膏印刷时细间距的焊盘容易连锡。相较而言，高速乳化工艺制备的锡膏的抗坍塌性能较好，更能满足超细间距条件下的焊接要求。3结 语试验采用高速乳化和高温合成工艺制备锡膏，经对比分析得出以下结论：1）高速乳化工艺制备的锡膏粘度和粘着力偏小，具有较优的抗坍塌性能；2）高温合成工艺制备的锡膏粘度和粘着力偏大，在润湿性能和空洞率方面具有较优优势；3）在实际应用中，可根据客户端情况选择制备工艺，针对于焊接间距较小，贴装元件较小的产品，助焊膏可优先考虑用高速乳化工艺；4）针对于对焊接效果和空洞率要求较高的产品，可优先考虑用高温合成工艺。参考文献：1 Wang S T.Integrating the Taguchi method and the multiat-tribute decision-making method to optimize the surfacemount technology solder paste printing thickness processJ.Proceedings of the Institution 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