SMT焊膏质量与测试焊

摘 要：随着电子封装向高性能、高密度、微型化的 开展，焊膏材料和技术显得极为重要。本文讨论了外 表安装技术SMT焊膏的焊粉质量、焊剂载体要求以 与焊膏的根本性能测试。关键词：焊膏、焊粉、焊剂载体The Quality and Testing of Solder Paste for SMTAbstract: Because of the development of high d ensity, high performance and miniaturization i n electronic packaging, solder paste material and technology bee more and more important. Th is paper discussed the quality of SMT solder p aste, including powder preparation, flux vehic le formulation and basic testing.Keywords: solder paste, solder powder, flux ve hicle 1引言 焊膏是由合金焊粉、焊剂载体等组成的膏状稳定混合 物。在外表安装技术中起到粘固元件，促进焊料润湿， 去除氧化物、硫化物、微量杂质和吸附层，保护外表 防止再次氧化，形成结实的冶金结合等作用。焊膏印 刷是 SMT 的第一道工序，它影响着后续的贴片、再流 焊、清洗、测试等工艺，并直接决定着产品的可靠性。 据统计，电子产品72的缺陷和失效与焊膏相关，因 而焊膏的性能对于 SMT 来说是至关重要的。随着细间 距(FPT)、球栅阵列(BGA)、免清洗NC、0201等技 术的迅速开展，以与有关法规对某些损害环境和健康 的材料的限制或者禁止，对焊膏的成分与性能要求越 来越高。在市场、环保、法律因素的约束和推动下， 国内外的各种组织、科研机构和公司对焊膏的研究与 开发日益深入。2 合金焊粉 焊粉的关键性能参数有形状、尺寸分布和含氧量，而 这些又取决于制粉技术。其制造方法主要有雾化法如 离心雾化、超声雾化、多级快冷等和化学电解沉积 两类方法1。我们采用了简易的流体真空喷雾法，其 根本原理是：在真空条件下，用感应加热熔融Sn63Pb37合金焊料棒，然后将金属液流用高速高压的 喷射氮气击碎而雾化为细小的金属液滴，然后在冷却 媒质中快速冷却凝固成为粉末，最后进展分级和收集。 雾化法冷却速度极快，大幅度减小了合金成分偏析， 增加了合金固溶能力，成形粉末均匀细小。由于采用 保护气氛，含氧量低。这种方法还具有球形率高、尺 寸分布X围小、污染小等优点。不同方法制备的焊粉 形貌如图1(a)至(e)所示。图1 (a)中焊粉呈疏松多孔 的海绵状，不能使用。焊粉形状最好是球形或者类球 形，如图1 (f)2。球形焊粉的比外表小，能量低， 在制造、存储和印刷中不易氧化，而且印刷时不会堵 塞网孔。焊粉的氧化会导致可焊性差、桥接、焊锡球 等缺陷。图1 (b)中焊粉尺寸分布不均，球与球之间 有粘接，形状不规那么，而且球的外表不光滑，有“小 卫星颗粒和孔洞，见图1 (d)，也不能使用。球的 外表缺陷会导致在焊接过程中受热升温速度不一致、 孔洞中残留气体、焊料飞溅形成焊珠等焊接问题。由 Stokes公式F=6pahvF是半径为a的球形颗粒以速 度v在黏性为h的介质中运动所受的力可知，尺寸 分布的变化直接影响着焊膏的粘性、流变性能，继而 影响到印刷质量。图1(c)为比拟规那么的球形焊粉， 但还是有一些粘连。图1(e)是规那么焊粉外表形貌，其中黑色的为富锡相，而亮区为富铅相。图1 (f)那 么为AMT公司的-325/+500目的规那么球形焊粉。SMT 焊膏常用的焊粉为光滑球形，尺寸分布为2075微米， 氧含量低于0.3。a极其不规那么焊粉b不规那么焊粉c较规那么焊粉db中A球外表孔洞e较规那么焊粉外表f规那么球形焊粉图1 Sn63Pb37焊粉形貌比拟SEM图3焊剂载体免清洗要求焊剂载体保持传统焊膏功能外，还要具备 挥发性好、焊后残留物少、无腐蚀、薄膜坚硬呈惰性 等特点。焊剂载体在焊膏中的比重一般为1020， 体积百分比为5060。作为焊粉载体，它起到结合 剂、助熔剂、流变控制剂和悬浮剂等作用。它由成膜 物质、溶剂、活化剂外表活性剂、催化剂、缓蚀 剂、稳定剂、抗氧化剂、触变剂等组成。为了达到免 清洗效果，建议固形物、溶剂、活性剂分别占焊剂载 体的 25、50、10左右。固形物采用热固性树脂 以与人造合成树脂，焊后在焊点外表形成坚硬而透明 的薄膜。一般应采用多元醇类的混合物作为溶剂，建 议选用高约230C丨低约160C沸点、高30 1000cps低320cps粘度的醇类调配成一定的粘 性溶剂，使之在一个较宽的温度X围内具有相应的挥 发速度，且150220C之间挥发应由慢到快。对于低 沸点醇，由于挥发性较好，容易导致焊膏发干失去粘 性，使工作寿命缩短；而高沸点醇有增稠和“保湿 作用，可改善工作寿命和印刷性能，但是容易吸湿， 挥发也不彻底。活性剂使用有机弱酸而不使用传统的 含卤素的活性剂，以达到焊后腐蚀性小的特点。为了 弥补活性不足，可使用分子结构带有烷基和羟基的二 元羧酸。对焊剂载体质量占 9的焊膏进展的热分析 （图2）发现：在100150C之间挥发很快，在212C附 近也有较大的挥发。说明在预热区（125150C）和焊接 区其不同组分分别起到了清洗和活化被焊外表的作 用，然后挥发，符合工业中典型的再流焊温度工艺曲 线要求。而到220C时，重量百分比只有95%，残留 物较少，且呈一层坚硬透明的薄膜，不必清洗。图 2 一种免清洗焊膏的热重分析曲线4 根本性能测试4.1 粘度与其特性 焊膏的粘度主要与其中的粉末含量、粉末尺寸、焊剂 粘度相关3（见表 1），对粘度的要求随应用方法的不 同而异。粘度太高，会粘连网孔；太低无法保形且无 法粘固元器件。焊膏是一种假塑性流体，有触变性。 其粘度随时间、温度、剪切强度等因素而发生变化。根据 IPC-TM-650测试方法，在 251C下， 采用 NDJ-7 型旋转式粘度计以7. 5 转/分钟连续旋转2 分钟，稳定后读数，几种常用进口焊膏的粘度都在 60 0730Pa.sX 围内，适合于模板印刷。由于焊剂载体物 质含有很多羟基、烷基、以与羧基，所以氢键很重， 通过参加一定量的氢化蓖麻油在搅拌和剪切时破坏氢 键，可达到图 3 的触变性4切变变稀效果。一般 将触变剂控制在 7左右，以便于搅拌、漏印、流平、 抗塌落和粘固元件。表 1 焊膏金属含量、粘度、尺寸分布以与用途Pa.s 尺寸mm主 要 用 途90 刷600100040-75一般模板印90印刷40060020-36细间距丝网85 刷40060020-45一般丝网印80注射30040020-45定量分配器75送20030040-75针头转移滴图3焊膏使用过程中粘度变化4.2塌落焊膏印刷后，在一定温度和湿度条件下，由于重力和 外表X力的作用，导致图形塌落并从最初边界向外界 扩展。这种塌落会引起焊膏的流溢，导致焊接过程中 的引脚间桥接缺陷。根据IPC-TM-6502.4.35采用 IPC-A-21图案，进展了冷塌和热塌试验。在255C、 RH(5010)%环境中停留10分钟的塌落情形见图4(a)。 然后在15010C金属热板上放置10分钟，其塌落见 图4(b)。图4 (a)只有边距为0. 06mm的相邻图形之间， 图4(b)只有0. 06mm和0.10mm之间发生桥连，说明抗 冷塌和热塌性能良好，主要是选用了热固性树脂和外 表X力比拟大的醇类的原因。4.3细间距印刷细间距印刷要求焊粉尺寸分布为2036微米否那么 影响均匀性和分辨率，甚至堵塞网孔；同时要有很好 的保形性，防止流溢、塌落等发生。图5是间距为0. 4mm，厚度0.2mm的印刷图形。图5(a)是刚刚印刷后 的扫描图形，图5(b)是图5(a)在150C保持10分钟 的情形。二者均匀完整、分辨率较好，没有铺散、桥 联等现象。4.4焊锡球 焊锡球的形成与焊粉氧化、焊剂活性、焊粉尺寸均匀 性、焊膏吸湿性、杂质等密切相关。图6是按照IPC- TM-6502.4. 43测试的焊料球结果。其中图6(a)是 在不润湿陶瓷基片上刚刚印刷的扫描图形；图6(b)是 免洗焊膏是在208C保持20秒钟的情形。因外表X力 和焊剂载体与焊粉间的润湿作用“缩回效果好，因 此颜色浅；图6(c)是普通焊膏的相应情形，残留较多， 因而颜色较深；图6(d)的情况那么完全不合格，主要 是在空气中放置了6小时，因挥发和吸湿导致了大颗 粒焊珠的形成。5 结语 总之，焊膏看似普通平常，在电子封装工业中却起着 举足轻重的作用。设计、制备、应用以与管理人员应 该加以充分的重视。开发研制新型优质的焊膏、积极 优化质量与工艺，对我国的电子组装工业有积极的意 义。