低溫免清洗無鉛焊膏用活化劑的優(yōu)化

余文春，姜 艷，李必躍，魯云霞

（紅河學(xué)院理學(xué)院，云南蒙自661100）

低溫免清洗無鉛焊膏用活化劑的優(yōu)化

余文春，姜 艷，李必躍，魯云霞

（紅河學(xué)院理學(xué)院，云南蒙自661100）

錫鉍合金是一種比較理想的低溫?zé)o鉛焊料，但是鉍的氧化會使焊料潤濕性變差，嚴重阻礙其應(yīng)用。活化劑能除去焊料表面氧化物，提高焊料的潤濕性。以錫鉍焊料的鋪展性能和焊點形貌作為評價的主要指標，通過焊接實驗研究活化劑用量、活化劑配比對錫鉍焊料助焊劑的物理性能及錫鉍焊料鋪展性能的影響。結(jié)果表明：活化劑質(zhì)量分數(shù)為25％，活化劑檸檬酸、水楊酸、丁二酸的質(zhì)量之比為2∶3∶4時，助焊劑不揮發(fā)物含量低于5％，穩(wěn)定性好，不粘性合格；且得到的焊膏焊點外觀規(guī)則，光亮飽滿，焊接頭光滑，焊料鋪展率達到79.6％。

免清洗；活化劑；鋪展率

0 前言

隨著電子元器件不斷向短小化、輕薄化發(fā)展，目前無鉛焊錫產(chǎn)品所設(shè)定的工作溫度早已高出其所能承受的范圍，對產(chǎn)品會造成一定的危險[1-2]；另一方面，隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的綠色化發(fā)展，免清洗助焊劑的用量越來越大，人們對其質(zhì)量要求也越來越高[3]；因此低溫免清洗助焊劑的開發(fā)刻不容緩。由于錫鉍焊料在160℃就可以進行組裝，在低溫組裝場合成為主要的低溫焊料[4]；但是鉍易氧化，在焊接過程中會降低焊料的潤濕性[5]。助焊劑中活化劑的作用是在釬焊溫度下去除焊盤和釬料表面的氧化物，從而提高釬料和焊盤之間的潤濕性，并且在再流焊時能防止氧化，直至形成焊點[6]?；罨瘎┑倪x擇主要有三種方式：一種是通過加熱質(zhì)量實驗分析法；二是通過不同有機酸的復(fù)配；三是通過有機酸和有機胺的復(fù)配[7]。本研究利用加熱質(zhì)量實驗分析法優(yōu)選出分解溫度不同的活化劑，將優(yōu)選出的活化劑進行優(yōu)化，探討活化劑對助焊劑物理性能及錫鉍焊料鋪展性能的影響，確定助焊劑中活化劑的最佳用量和配比，以顯著改善錫鉍焊料的潤濕性。

1 實驗

1.1 焊劑的制備

將稱量好的3％松香、活化劑（丁二酸、水楊酸、檸檬酸）、溶劑（四氫糠醇、異丙醇、乙醇、二乙二醇丁醚、異戊醇）、調(diào)節(jié)劑三乙醇胺、0.6％緩蝕劑BTA、2％表面活性劑十二烷基二乙二醇醚、0.4％抗氧化劑對苯二酚按照一定配比放入燒杯中，使用保鮮膜封住燒杯，將燒杯置于恒溫磁力攪拌器上進行加熱攪拌混合均勻，冷卻至室溫得到助焊劑。

1.2 焊膏的制備

以8∶1的配比準確稱取Sn42Bi58的合金粉末和制備的松香型助焊劑，將稱好的焊粉和助焊劑倒入50mL的燒杯中，用玻璃棒攪拌5min，使錫鉍焊粉與助焊劑充分混合均勻，然后靜置3min，制得焊膏。

1.3 助焊劑性能測試

1.3.1 助焊劑的穩(wěn)定性

常溫下，該助焊劑為透明淺黃色粘稠液體，有一定的黏性。采用攪拌的方法先將助焊劑攪拌幾分鐘，使其充分混合均勻。然后取50mL試樣于100mL試管中，蓋嚴放入冷凍箱中冷卻到5℃±2℃，保持60min，再在此溫度下觀察和目測助焊劑是否有明顯分層或結(jié)晶物析出等現(xiàn)象。觀察和目測該助焊劑沒有分層或結(jié)晶物析出等現(xiàn)象。打開試管蓋，將試樣放到無空氣循環(huán)的烘箱中，在45℃±2℃下保持60min，再在此溫度下觀察助焊劑并無分層現(xiàn)象。因此，該松香型助焊劑穩(wěn)定性良好。

1.3.2 不揮發(fā)物含量測定[8]

不揮發(fā)物含量是指在一定溫度下助焊劑中固體殘留物的含量。將6 g助焊劑準確稱量（m1），并精確至±0.002 g后，滴入到容積為25mL的熔煉坩堝中，放入熱水浴中加熱，使大部分溶劑揮發(fā)。再將其放入110℃±2℃的通風(fēng)烘箱內(nèi)干燥4 h，然后取出，放到干燥箱中冷卻至室溫，稱量，反復(fù)干燥和稱量直至誤差保持在±0.05 g之內(nèi)時為恒量，此時試樣質(zhì)量為m2。共做兩個試樣，平均值為助焊劑不揮發(fā)物含量值，即

式中m1為初始試樣的質(zhì)量；m2為試樣經(jīng)干燥后恒量時不揮發(fā)物的質(zhì)量。

1.3.3 不粘性測試[8]

在銅片（40mm×40mm×0.5mm）上涂一層助焊劑，將粉筆灰撒到銅片上，用紗布擦拭，銅片上無紗布的痕跡，說明不黏性合格。

1.3.4 腐蝕性測試

將助焊劑均勻地涂附在銅片上，用一個大燒杯放入少量水，在大燒杯中放入一個小燒杯，銅箔放入小燒杯，然后把其放入到干燥箱中（溫度70℃）模擬腐蝕環(huán)境，4 h后取出銅箔觀察表面是否有銹斑。

1.4 焊膏鋪展性能測試[9-10]

將銅片剪成尺寸30mm×30mm×0.5mm的平整試片，用#500細砂紙去除氧化膜并用拋光膏進行拋光，再用無水乙醇清洗干凈并用烘箱充分烘干。將試片放在溫度為150℃±2℃的烘箱中氧化1 h，所有試片應(yīng)放在烘箱的同一高度上。

用玻璃棒挑取適量焊膏于所制試片上，并把試片放在標尺上拍照，然后將試片置于250℃高溫箱式電阻爐中，保溫5min后，取出在空氣中冷卻至室溫后，放在標尺上拍照。將照片傳到電腦，用Microsoft officeWord對照片裁剪處理后，導(dǎo)入Auto CAD中，利用AutoCAD的查詢功能測定鋪展面積，然后計算出助焊劑的鋪展率。

2 結(jié)果和分析

2.1 活化劑用量對助焊劑物理性能及焊料鋪展率的影響

通過ZRY-2P型綜合熱分析儀進行差熱差重分析，根據(jù)有機酸分解溫度的高低，選用丁二酸（226℃）、檸檬酸（175℃）、水楊酸（300℃）為活化劑，以不同含量分別進行研究。活化劑用量對錫鉍焊料鋪展率的影響如圖1所示。

圖1 活化劑用量對錫鉍焊料鋪展率的影響Fig.1 Effect of active agent amount to the spreadability of tin bismuth solder

由圖1可知，隨著三種活化劑用量的增加，錫鉍焊料的鋪展率均呈現(xiàn)增大趨勢；其中，檸檬酸質(zhì)量分數(shù)為29％時，焊料鋪展率可達75.2％。但實驗中發(fā)現(xiàn)，丁二酸用量過多，會導(dǎo)致助焊劑物理穩(wěn)定性不好，久置會析出沉淀；檸檬酸用量過大時焊料的焊接表面有黑色殘留物質(zhì)；水楊酸在焊接過程會使焊料炸開且焊后殘留物較多，難于達到免清洗效果；可看出單一活化劑難以滿足低溫免清洗助焊劑的要求。綜合考慮，活化劑的用量選用25％為宜。

2.2 活化劑配比對助焊劑物理性能的影響

表1是活化劑配比對助焊劑性能的影響。由表1可知，無論是單一活化劑還是復(fù)配活化劑，所制得的助焊劑不分層、腐蝕弱、不粘性合格，不揮發(fā)物含量都滿足GB/T15829-1995《軟纖焊用纖料》中的要求，其中不揮發(fā)物含量分數(shù)都不大于15％[11]。

表1 助焊劑物理性能測試結(jié)果Tab.1 Testing results of physical properties of the soldering flux

2.3 活化劑配比對焊膏助焊性能的影響

表2為不同活化劑及配比下制備的焊膏焊點宏觀形貌。由表2可知，單一活化劑配制的焊膏潤濕性略差，鋪展率低，殘留物多；復(fù)配活化劑配制的焊膏潤濕性較好，最高鋪展率可達到80.1％，焊點光亮飽滿，尤其是不揮發(fā)物含量小于5％。這符合低固含量免清洗助焊劑（LSF）其固含量通常小于5％的要求[12]。這主要是因為單一的活化劑很難保證在整個焊接過程都發(fā)揮活性，而不同沸點活化劑的復(fù)合使用可以使助焊劑具有不同的活化溫度梯度，低溫活化劑在焊接溫度較低時具有活性，并且還可以誘導(dǎo)、激發(fā)高溫活化劑，從而使活化劑在焊接的整個溫度范圍內(nèi)都具有活性[13]。

表2 活化劑不同比例配制的焊膏焊點形貌Tab.2 Spotsmorphologies of the solder w ith different proportion of active agent

2.4 活化劑配比對焊膏接頭界面層的微觀影響

各配比助焊劑相應(yīng)焊點的斷面電鏡照片如圖2所示，7#組配方助焊劑所對應(yīng)的焊點接頭能譜分析如表3所示。

由圖2可知，活化劑配比對焊點接頭反應(yīng)層有較大影響。2#、5#、6#組配方助焊劑的接頭擴散層平整光滑，無明顯孔洞和裂紋缺陷，焊接質(zhì)量較好，但2#組的鋪展性較差；1#、3#、4#、7#組配方助焊劑接頭擴散層不平整，也有裂紋、孔洞。由圖2和表3可知，焊料與Cu基板間的釬焊界面層有3層，A層為Cu基板界面層，Cu原子濃度較高；B層緊靠銅基體，在焊接過程中釬料與Cu基板在界面處發(fā)生反應(yīng)，Sn和Cu原子相互擴散從而生成IMC。這些IMC經(jīng)研究可知是Cu3Sn[14]。C層釬料層，Cu基體金屬向釬料的溶解，說明在助焊過程中，元素擴散較充分，釬料在Cu基體表面鋪展良好。因此，根據(jù)活化劑配比對焊膏焊點宏觀形貌影響以及對焊接頭界面層的影響，綜合考慮，助焊劑中活化劑丁二酸∶水楊酸∶檸檬酸質(zhì)量配比為2∶3∶4時，可以使SnBi58焊料在Cu基板上的物理和鋪展性能最佳。

表3 界面反應(yīng)層能譜分析Tab.3 Energ y spectrum analysis of interfacial reaction layer

圖2 活化劑不同比例配制的焊膏SnBi58/Cu焊點界面SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photo of SnBi58/Cu solder joint interface of the solder w ith different proportion of active agent

3 結(jié)論

（1）當(dāng)松香、溶劑、緩蝕劑、表面活性劑在自制助焊劑中的添加量一定，活化劑的用量為25％時，制得的助焊劑在外觀、穩(wěn)定性、不粘性、不揮發(fā)物含量及銅板腐蝕性方面都滿足標準要求。

（2）添加的活性劑單配和復(fù)配時，復(fù)配活化劑制得的助焊劑性能優(yōu)異，焊點飽滿、不揮發(fā)物含量低、鋪展率高。當(dāng)丁二酸∶水楊酸∶檸檬酸質(zhì)量配比為2∶3∶4時，得到的焊膏綜合性能較高。

（3）焊點橫截面形貌顯示，焊料合金和基體發(fā)生了反應(yīng)擴散，生成IMC層。

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Optim izing of activator for low-tem perature no-clean lead-free solder paste

YUWenchun，JIANG Yan，LIBiyue，LU Yunxia
（Science of College，Honghe University，Mengzi661100，China）

Tin bismuth alloy is an ideal low-temperature lead-free solder,but the oxidation of bismuth will deteriorate the wettability of solder and seriously hinder the application of the Tin bismuth alloy.The activator can remove the oxide on the solder surface and improve the wettability of solder.The spreadability of tin bismuth solder and the appearance of welding spot are considered as the main indexes,the effect of different amount and matching of activator on the physical properties of soldering flux and spreadability of tin bismuth solder is studied by welding test.The results show thatwhen themass fraction of activator is 25％and mass ratio of citric acid,salicylic acid and succinic acid as activator is 2:3:4,the non-volatile matter content of soldering flux is less than 5％,and soldering flux has good stability and qualified non-viscidity.The appearance of welding spot of solder paste is regular,beamy and full,and welded joints are smooth,and the spreadability of solder can reach 79.6％.

no-clean；activator；spreadability

TG42

A

1001-2303（2015）07-0023-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.06

2014-12-04

云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目（2013FZ123）；紅河學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新性訓(xùn)練實驗項目

余文春（1991—），男，云南保山人，學(xué)士，主要從事有色金屬及復(fù)合材料的研究工作。