新型無鹵素免清洗助焊劑的研制

孫福林,張宇航,蔡志紅,胡澤宇,朱火清

(廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院),廣東 廣州 510650)

新型無鹵素免清洗助焊劑的研制

孫福林,張宇航,蔡志紅,胡澤宇,朱火清

(廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院),廣東 廣州 510650)

在助焊劑中添加羥基酸X能顯著提高Sn-0.7Cu無鉛焊料的鋪展和潤濕性,添加醇醚類表面活性劑 Y能大幅降低焊料的表面張力.同時(shí)添加羥基酸X和醇醚類表面活性劑 Y的助焊劑能有效地提高Sn-0.7Cu無鉛焊料的可焊性;與傳統(tǒng)助焊劑相比,該助焊劑對Sn-0.7Cu無鉛焊料的最大潤濕能力提高27%,潤濕時(shí)間縮短16.2%.

助焊劑;無鹵素;免清洗;環(huán)保

自從歐盟的W EEE和Ro HS指令實(shí)施以來,整個(gè)電子封裝行業(yè)對鉛的限制越來越嚴(yán)格,封裝材料無鉛化已是大勢所趨.IEC61249-2-21對線路板制造中所采用的電子焊接材料、樹脂及增強(qiáng)性能材料規(guī)定了鹵素的最高含量,因此,無鹵素成為繼2006年7月1日Ro HS指令實(shí)施以來電子行業(yè)的又一次綠色革命.傳統(tǒng)的松香基助焊劑,大多含有鹵素,且含量相對較高[1-2],焊后基板殘留的鹵素在高溫潮濕條件下容易產(chǎn)生化學(xué)腐蝕,影響電氣絕緣性能,降低焊接的可靠性.如果用氟里昂或氯化烴清洗印制板,則會破壞臭氧層,影響人類生態(tài)環(huán)境,不符合環(huán)保要求.由此可見,無鹵素免清洗助焊劑[3-4]是基于環(huán)保和電子工業(yè)發(fā)展的需要而產(chǎn)生的一種新型焊劑,采用該類焊劑焊后的板面干凈、殘留物少、無腐蝕和免清洗,是一種理想助焊劑.

參考日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS-Z-3282-2000、國標(biāo) GB/T 9491-2002和IEC61249-2-21的要求,我們研制出一種較為實(shí)用的無鹵素免清洗助焊劑.參照信息產(chǎn)業(yè)部頒布的《免清洗液態(tài)助焊劑SJ/T 11273-2002》標(biāo)準(zhǔn),對該助焊劑進(jìn)行了性能檢測,其外觀、穩(wěn)定性、鹵素含量及其對Sn-0.7Cu無鉛焊料的鋪展和潤濕性等方面都符合中國及日本的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn).

1 試驗(yàn)部分

1.1 助焊劑的制備

助焊劑[5]一般由活化劑、表面活性劑、成膜劑、緩蝕劑、高沸點(diǎn)溶劑、溶劑等組成.決定助焊劑好壞與否,主要是活化劑和表面活性劑.

選用分解溫度不同的己二酸和丁二酸與一種羥基酸X復(fù)配作為活化劑,醇醚類表面活性劑 Y作為表面活性劑,苯并三氮唑(BTA)作為緩蝕劑,無色氫化松香作為成膜劑,四氫糠醇作為高沸點(diǎn)溶劑,無水乙醇與異丙醇以質(zhì)量比1∶1混合后作為混合溶劑.采用的原料均不含鹵素,以保證所制備的助焊劑不含鹵素.

表1 助焊劑的組成Table 1 Composition of the flux

在保持緩蝕劑、成膜劑、高沸點(diǎn)溶劑和溶劑不變及活化劑和表面活性劑總量不變的條件下,通過改變活化劑和表面活性劑的種類和配比,配制了4種助焊劑(表1).以研究羥基酸X與醇醚類表面活性劑Y的助焊效果.

1.2 試樣的制備

按 GB/T 2040標(biāo)準(zhǔn),從 T2銅板上切取20片0.3mm×50mm×50mm銅片,整平去油后用砂紙(0.031mm)打磨表面,以去除氧化膜,然后用拋光膏拋光,再用無水乙醇清洗干凈并充分干燥.最后將銅片放在(150±2)℃的烘箱中氧化1h,備用.

用直徑1.5 mm的Sn-0.7Cu無鉛焊錫線繞成25個(gè)質(zhì)量均為(0.3±0.005)g的焊環(huán),并整平.

1.3 鋪展性試驗(yàn)

將20片銅片分成4組,在每塊銅片中央放置Sn-0.7Cu無鉛焊環(huán),然后分別滴加2滴助焊劑,在(270±5)℃保持30 s,取出后冷卻至室溫,用無水乙醇擦去助焊劑殘?jiān)?測量焊點(diǎn)高度(取5次平均值作為焊點(diǎn)的高度h).將剩下的5個(gè)Sn-0.7Cu焊環(huán)一起放在蒸發(fā)皿中加熱,使其熔化為一個(gè)小球.冷卻后,將其放在比重瓶中測其在水中的排水量m(精確到0.001 g),根據(jù)公式(1)求出小球的體積V(精確到0.001 cm3),公式(2)求出小球的直徑D,最后根據(jù)(3)式求出平均擴(kuò)展率E.

式(1)～(3)中:E—試樣的平均擴(kuò)展率,%;m—比重瓶中排除水的質(zhì)量,kg;ρ—水的密度,kg/m3.

1.4 腐蝕性測試

根據(jù)文獻(xiàn)[6],將經(jīng)過鋪展率測試的每種助焊劑樣品各取三片置于室溫,冷卻1 h后,水平放入恒溫恒濕箱中(40℃,RH95%)保持96 h,查看銅片的顏色變化.

1.5 潤濕性測試

根據(jù)文獻(xiàn)[7],用溶劑將10.0mm×30.0mm×0.3mm純銅片擦洗去油后,放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%鹽酸溶液中浸泡5 s,取出用流水清洗,再浸入無水乙醇片刻,取出晾干后,將其掛在120℃烘箱中保溫1 h,備用.

采用日本SA T-5100可焊性測試儀測試助焊劑的潤濕性,設(shè)定溫度245℃,浸入深度4 mm,浸潤時(shí)間5 s,浸潤速度5 mm/s.在確定測試儀關(guān)閉的狀態(tài)下,用夾具夾住一片處理后的純銅片,夾好后打開測試儀開關(guān),按下自動(dòng)測試按鈕開始測量.此時(shí)焊料槽以5 mm/s勻速上升,在純銅片浸入熔融焊料液面下4 mm時(shí)停止,靜止5 s后以同樣5 mm/s的速度勻速下降到起始位置.期間測試儀自動(dòng)記錄零交時(shí)間tc、潤濕上升時(shí)間t’、潤濕時(shí)間t、最大潤濕力Fmax和最終潤濕力Fend.每種助焊劑測試 5次,取平均值.

2 結(jié)果及討論

2.1 鋪展性

圖1為四種助焊劑鋪展后焊點(diǎn)的形貌,表2為四種助焊劑的鋪展率.由圖1和表2可知,助焊劑B,C,D的鋪展性都比A好.使用助焊劑A時(shí),焊料熔化鋪展后,焊點(diǎn)呈現(xiàn)不太規(guī)則的橢圓形,焊點(diǎn)的平均高度最高,鋪展率最小,僅有73.64%;使用助焊劑D時(shí),焊料熔化鋪展后,焊點(diǎn)的平均高度最低,平均鋪展率最大,可達(dá)到80.10%,且焊點(diǎn)形狀最規(guī)則,接近圓形.

圖1 鋪展后焊點(diǎn)的形貌Fig.1 Mo rphologiesof welding spots after sp reading

表2 鋪展率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Data of spreadability test

助焊劑A與B相比,一方面,添加醇醚類表面活性劑 Y比添加傳統(tǒng)表面活性劑OP-10能更有效地降低熔融焊料的表面張力,提高焊劑對焊料的潤濕性;另一方面,醇醚類表面活性劑 Y對松香和一般活化劑有良好的兼容性,且其 HLB值為12～13,比 HLB值為14.5的OP-10有更強(qiáng)的親油能力,更容易在界面鋪展.所以,助焊劑B的鋪展性比A好.助焊劑C的鋪展性比A好,說明添加羥基酸X后,焊料的可焊效果變好.其原因是:一方面,羥基酸分子中含有羥基和羧基兩種官能團(tuán),具有羥基和羧基的一般性質(zhì),而且由于羥基分子中羥基是吸電基,具有吸電子誘導(dǎo)效應(yīng),使羧基的離解度增加,酸性相應(yīng)提高;另一方面,添加分解溫度不同的活化劑后,助焊劑的活性區(qū)間擴(kuò)大,能在更寬的溫度范圍內(nèi)具有較高的活性,使焊料獲得更好的焊接效果.所以,添加了活化劑X與表面活性劑 Y的助焊劑D是所配制的四種助焊劑中鋪展效果最理想的.

2.2 腐蝕性

為了避免助焊劑焊后殘留物對印制電路板組件造成腐蝕,影響產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性,采用銅板腐蝕試驗(yàn)測試免清洗助焊劑的腐蝕性.試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),經(jīng)過恒溫恒濕后,銅片表面變化很小甚至基本無變化,沒有觀察到綠色或藍(lán)色腐蝕痕跡.說明在焊接結(jié)束后助焊劑A,B,C,D的大部分活性物質(zhì)已經(jīng)揮發(fā),殘留少,符合助焊劑無腐蝕的要求.因此,使用該類助焊劑焊接后,印制板上的微量殘留物無腐蝕性,可免除清洗工藝.

2.3 潤濕性

助焊劑對焊料的潤濕性是根據(jù)潤濕力曲線中的最大潤濕力Fmax和潤濕時(shí)間t兩個(gè)參數(shù)來評價(jià)的.Fmax越大,t越小,表明助焊劑活性越好,對焊料的潤濕能力越強(qiáng).潤濕實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表3.

表3 潤濕性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Data of wettability test

由表3可知,只添加活化劑羥基酸X的助焊劑C與只添加醇醚類表面活性劑 Y的助焊劑B,其最大潤濕力Fmax均比傳統(tǒng)助焊劑A的高.說明添加羥基酸X與醇醚類表面活性劑 Y均能有效提高助焊劑的活性,增大焊料的潤濕力.助焊劑中添加羥基酸X或醇醚類表面活性劑 Y均能縮短焊料的潤濕時(shí)間.添加醇醚類表面活性劑Y的助焊劑B,對焊料的潤濕時(shí)間比添加羥基酸X的助焊劑C的更短,說明醇醚類表面活性劑 Y在降低焊料的表面張力及提高焊料的潤濕速率方面發(fā)揮了更大的作用,而活化劑羥基酸X在提高助焊劑活性、增大焊料的潤濕程度以及提高沾錫量等方面的作用明顯,使焊點(diǎn)更飽滿,焊接效果更好.同時(shí)添加羥基酸X和醇醚類表面活性劑 Y的助焊劑D的潤濕效果最好,其最大潤濕力較傳統(tǒng)助焊劑 A提高27%,潤濕時(shí)間縮短16.2%.說明由羥基酸X與醇醚類表面活性劑 Y復(fù)配的助焊劑,能顯著提高焊料的最大潤濕力,縮短潤濕時(shí)間,對減少焊板熱損傷作用明顯.

3 結(jié) 論

添加不同的活化劑和表面活性劑的助焊劑對Sn-0.7Cu無鉛焊料的鋪展和潤濕影響很大.添加羥基酸X的助焊劑能顯著提高焊料的鋪展和潤濕能力;添加醇醚類表面活性劑 Y的助焊劑能使焊料的表面張力大大降低,從而提高焊料的潤濕性能;同時(shí)添加羥基酸X與醇醚類表面活性劑 Y的助焊劑則能更有效地提高焊料的可焊性.與傳統(tǒng)助焊劑相比,助焊劑D對焊料的最大潤濕能力提高27%,潤濕時(shí)間縮短16.2%,是一種有實(shí)用價(jià)值的新型無鹵素免清洗助焊劑.

[1]許寶庫.國內(nèi)外松香型助焊劑及松香基焊料的發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].皮革化學(xué),2000,17(2):22-23.

[2]羅新輝.高分子水溶性熱風(fēng)整平助焊劑的研制及評價(jià)[J].2000,23(8):28-30.

[3]李海霞,李大光,管海風(fēng).免清洗助焊劑在電子類產(chǎn)品中的應(yīng)用[J].精細(xì)與專用化學(xué)品,2004,12(7):3-6.

[4]劉筠,何秀坤.免清洗液態(tài)助焊劑標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要點(diǎn)[J].規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)化,2002,6:51-54.

[5]吳桂芬.免清洗助焊劑[J].電子工業(yè)技術(shù),1995,4,9-11.

[6]IREZ C,LEI K S.Evaluation of the reliability and corrosivity of VOC-free,no-lean fluxes using standard,modified and electrochemical methods[J].Soldering&Surface Mounting Technology,1996,8(1):6-9.

[7]馬鑫,何鵬.電子組裝中的無鉛軟釬焊技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2006:24,143.

Developmen t of a new type of halogen-free no-clean flux

SUN Fu-lin,ZHANG Yu-hang,CA IZhi-hong,HU Ze-yu,ZHU Huo-qing
(Guangzhou Research Institute of N on-ferrous M etals,Guangzhou 510650,China)

Adding hydroxycarboxylic X in the flux can significantly imp rove the sp readability and wettability of Sn-0.7Cu lead-free solder;adding surface active agents Y in the flux can greatly reduce surface tension of the solder.And the flux w ith the addition of both the hydroxycarboxylic X and surface active agents Y can efficiently imp rove the w eldability of the Sn-0.7Cu lead-free solder.Compared w ith the traditional flux,this flux can imp rove the maximum wetting ability of Sn-0.7Cu lead-free solder by 27 percent and reduce the wetting time by 16.2 percent.

flux;halogen-free;no-clean;environmentally friendly

TN604

A

1673-9981(2011)01-0049-04

2010-09-09

孫福林(1983—),男,吉林松原人,學(xué)士.