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低卤素无铅焊锡膏研制

2016-3-15 21:50:21      点击:
      随着无铅化电子工业的发展,表面组装技术(SMT)的广泛应用,作为无铅合金焊接材料的无铅焊锡膏用量快速增加。目前,电子行业用于配制焊锡膏的助焊剂中大多含有离子型卤素活性剂,如胺的盐酸盐、溴酸盐,其卤离子质量分数在 0.5%左右且容易电离,对电路板腐蚀性较大,会严重影响产品的可靠性,因此,研究低卤甚至无卤无铅焊锡
膏是焊锡行业发展的必然趋势,笔者对此进行了探讨,研制出一种低卤素无铅焊锡膏。 
1  实验 
1.1  实验材料 
焊接材料:铜板(牌号为 T2,纯度>99%);Sn3.0Ag0.5Cu 三号焊粉。 助焊剂材料:有溶剂、活性剂、成膜物质、触变性等。其中,溶剂及活性剂使用分析纯试剂,其他为化学纯试剂。成膜物质为氢化松香、聚合松香;溶剂为高沸点的溶纤剂、卡必醇;活性剂为丁二酸、戊二酸、己二酸、癸二酸、柠檬酸、苹果酸、卤代酸 1、卤代酸 2、卤代酸 3;触变剂为高级脂肪酸类物质、改性氢化蓖麻油类物质。 
1.2  实验仪器 
烧杯、量筒、电动搅拌机、电子天平、Malcom PCU205 黏度测试仪、电热板、烘箱、手动印刷台、刮刀、显微镜。 
1.3  测试方法 
卤素含量、润湿性测试按 JIS—Z—3284 进行;黏度、锡球、塌陷测试按照 IPC J—STD—005 进行;黏度测试用 Malcom PCU205 仪器进行测定,设定参数为 25℃,转速为 10 r/mim。 
2  结果与讨论 
2.1  成膜物质对黏度的影响 
本研究的成膜物质是指两种松香,即氢化松香和聚合松香,它们是调节焊锡膏黏度的主要成分。实验首先固定除松香以外的其他组分含量,w(成膜物质)为 50%,然后用一定量的一种松香取代另外一种松香制备助焊剂,如 w(氢化松香)为 10%,则 w(聚合松香)为 40%,以此类推,并与Sn3.0Ag0.5Cu 三号焊粉按照一定比例配制焊锡膏,测出焊锡膏的黏度η

,其结果如图

1   助焊剂内成膜物质含量对黏度的影响 

Fig.1   The effect of film-forming substances contents in the flux on the 
viscosities 
实验结果表明,不同的松香配比对焊锡膏的黏度有较大的影响。随着氢化松香含量的增加,焊锡膏黏度也增加,主要原因是两种松香的结构不同导致其在溶剂里的黏度不同,因而制备出的焊锡膏的黏度不同。另外,由于松香不同,其软化点、酸值等性质也不同,所以用不同的松香制备的焊锡膏除黏度以外的其他性能也有所不同,如润湿性、抗坍塌性及储存性等
[1]。综合考虑,松香质量比采用 m(氢化松香): m(聚合松香) = 3:2。 
2.2  
触变剂对黏度的影响固定其他组分的含量,改变触变剂种类及含量,其中触变剂 1 为改性氢化蓖麻油类物质,触变剂 2为高级脂肪酸类物质,其实验结果如图 
2 所示。
触变剂种类及含量对黏度的影响 
Fig.2   The effects of thixotropic agents types and contents on the viscosities 由图 2 可知,不同种类的触变剂,即使其含量相同,制备出的焊锡膏黏度不同。实验中相同含量的改性氢化蓖麻油类物质比高级脂肪酸类物质制备的焊锡膏黏度大,主要原因可能是改性氢化蓖麻油类物质在溶剂中通过分散、活化而被溶胀的长链相互缠绕形成的触变结构较高级脂肪酸类物质体积大,因而其增稠作用也大,表现在黏度上就比高级脂肪酸类物质大。考虑到触变剂含量高,制备出焊锡膏的黏度大,焊锡膏的印刷性有所降低,不适合高速印刷制程,所以在制备助焊剂时 w(触变剂)一般为 4%~7%,根据生产需要选择。 
2.3  溶剂对黏度的影响 
固定助焊剂中松香含量,并固定 w(溶剂)为 35%,然后改变溶剂种类及含量,其中溶剂 1 为溶纤剂,溶剂 2、溶剂 3 为两种不同的卡必醇,考察指标为黏度。实验结果见表 1
由表 1 可知,不同的溶剂对焊锡膏的黏度也有一定的影响,制备出的焊锡膏黏度大小分别为溶剂 1>溶剂 2>溶剂 3。另外,这三种溶剂按照不同比例制备出的焊锡膏黏度也遵循相应的变化规律。其主要原因是每种溶剂的分子结构和极性对成膜剂、活性剂等的溶解性、匹配性不同,特别是它们本身的黏度不同,所以制备出的焊锡膏黏度也就不同。与此同时,溶剂的选择还要看其沸点、黏度、极性等性能[2-3],而且,不同溶剂对助焊剂活化点也有影响[4],因此单一溶剂不能满足要求,所以溶剂的选择同样也采用复配的原则。 
表 1   
溶剂对黏度的影响 
Tab.1   The effects of solvents on the viscosities 
w(溶剂 1)/%  w(溶剂 2)/%  w(溶剂 3)/%  η / Pa·s
35  0  0  240 
25  10  0  231 
15  20  0  220 
0  35  0  215 
25  0  10  224 
15  0  20  213 
0  0  35  181 
0  15  20  193 
0  25  10  204 
2.4  
活性剂种类对润湿性的影响 
固定松香、溶剂等的含量,添加不同种类一定比例的活性剂进行考察,其中活性剂的总质量分数为9%,有机酸活性剂为丁二酸、戊二酸、癸二酸、己二酸、柠檬酸、苹果酸中的一种,卤代酸活性剂为卤代酸 1、卤代酸 2、卤代酸 3 中的一种,考察指标为焊锡膏的润湿性,根据照片作定性评价。表 2 为癸二酸和卤代酸 2 的考察结果,该结果具有代表性。
 
表 2   
活性剂种类对润湿性的影响 
Tab.2   The effects of activator type upon wettabilities 

活性剂组成 w / % 

癸二酸  9  7  6  5 卤代酸2  0  2  3  4 润湿性结果照片

由表 

可看出,随着卤代酸含量的增加,润湿性增加,主要原因是卤代酸中的卤代基可以吸引羧基中羟基的电子使其酸性增强,在钎焊加热过程中可以更快去除氧化层,表现为活性增强,润湿性增强。而普通有机酸一般为弱酸,其活性相对较弱,表现为润湿性也相对较弱。为了达到低卤素、高活性的效果,综合考虑各方面性能指标,选择采用一种有机酸与一种卤代酸复配,其质量比为 m(有机酸): m(卤代酸) = 2:1 

3  焊锡膏配方及综合性能

       考虑到焊锡膏的焊接性、印刷性以及储存稳定性等综合性能,本研究最终确定以下配方:溶剂使用复配溶剂,其总质量分数为 35%,且 m(溶剂 1)  :m(溶剂 2)  =  3:4;触变剂的质量分数为 6%;卤代酸的质量分数为 3%、有机酸的质量分数为 6%,用此配方与质量分数为 50%的复配松香进行配制得到助焊剂,再与焊粉混合,助焊剂与焊锡粉的质量比为11.5:88.5,制备出低卤素无铅焊锡膏,并根据相关性能的测试方法测试其综合性能,其结果见表 3。 
根据测试结果可知:制得的低卤素无铅焊锡膏具有卤素含量低、润湿性好、锡珠少和坍塌性好等综合性能。 
4  结论 
      研制了一种综合性能优越的低卤素无铅焊锡膏,其中各组分的作用及选择原则是:(1)焊锡膏中松香对黏度、润湿性、印刷性及储存性等有一定的影响,为提高综合性能,松香应
选择复配方式。(2)焊锡膏中的溶剂不仅起溶解活性剂等固体物质的作用,而且对焊锡膏黏度起着重要的作用,同样也应使用复配溶剂。(3)焊锡膏中触变剂对黏度有很大的影响,根
据实际情况选择。(4)焊锡膏中活性剂的复配可以使活性剂不仅具有低卤素特点,而且在焊接的整个温度范围内都具有活性,从而提高焊锡膏的润湿效果。