助焊劑殘?jiān)磧粜詢(xún)?yōu)異的無(wú)鉛焊錫膏的開(kāi)發(fā)

柏木慎一郎

（Harima Chemicals Group, Inc研究開(kāi)發(fā)中心，日本，9990011）

助焊劑殘?jiān)磧粜詢(xún)?yōu)異的無(wú)鉛焊錫膏的開(kāi)發(fā)

柏木慎一郎

（Harima Chemicals Group, Inc研究開(kāi)發(fā)中心，日本，9990011）

本文綜述了無(wú)鉛焊錫膏的開(kāi)發(fā)過(guò)程，通過(guò)合理地選擇溶劑、松香，無(wú)鉛焊錫膏的助焊劑殘?jiān)磧粜源蠓岣?。最后，確認(rèn)了無(wú)鉛焊錫膏的綜合性能。

洗凈；助焊劑殘?jiān)?；無(wú)鉛焊錫膏

以混合動(dòng)力汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)和自動(dòng)剎車(chē)控制為代表的汽車(chē)的動(dòng)作和運(yùn)行環(huán)境越來(lái)越高機(jī)能化。汽車(chē)安裝有近100個(gè)ECU（電子控制單元），這就要求相關(guān)的電子基板具有很高的可靠性，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)的有效控制。

在 ECU的高機(jī)能化過(guò)程中，為了提高電子零件的控制應(yīng)答速度，增加了功率器件（電力半導(dǎo)體器件）的使用。這種功率器件的構(gòu)造與其他電子安裝基板的制造一樣，一般使用的是在印刷基板上安裝電子器件的表面安裝技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)的確立，融合了焊錫材料、功能性的電子零件、基板開(kāi)發(fā)、印刷技術(shù)與回流加熱（回流焊）方法等技術(shù)。本文將就功率器件安裝中要求的焊錫膏性能和開(kāi)發(fā)過(guò)程做一論述。

1.焊錫材料

表面安裝工藝中使用的焊錫材料，正在被用于不含鉛焊錫合金的無(wú)鉛焊錫所代替。在日本，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了無(wú)鉛化，其中包括車(chē)載專(zhuān)用的耐久性?xún)?yōu)異的無(wú)鉛合金、低熔點(diǎn)合金、低成本合金等，以及用于特定用途的焊錫合金，焊錫合金正呈現(xiàn)出多樣化的趨勢(shì)。

圖1 焊錫膏的使用流程

根據(jù)用途的不同，焊錫材料的形態(tài)可分為：棒狀焊錫、流態(tài)焊錫、膏狀焊錫（焊錫膏）等，在表面安裝中通常使用的是焊錫膏。焊錫膏是由鉛合金的金屬粉末和有活性作用的助焊劑構(gòu)成的膏狀焊錫。助焊劑由松香等基礎(chǔ)樹(shù)脂、有機(jī)酸等活性劑、蠟和溶劑等物質(zhì)構(gòu)成。

2.焊錫膏的使用工程要求的性能

一般，焊錫膏的使用工程如圖1所示。在表面安裝的過(guò)程中，焊錫膏的使用大致可分為：①印刷工程；②零部件固定工程；③焊接工程三個(gè)部分。

在最初的絲網(wǎng)印刷工程中，在網(wǎng)板開(kāi)口處，通過(guò)左右搖晃焊錫膏，在基板上涂敷必要的焊錫膏量。然后，經(jīng)零部件固定工程，將電子零件安裝在需要印刷的地方，再在回流焊工程中加熱至金屬熔點(diǎn)以上，將基板與電子零件焊接在一起。

像這樣，使用焊錫膏的表面安裝，必須經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)階段的工程，焊錫膏應(yīng)滿(mǎn)足其中每個(gè)工程的要求。其中，尤為重要的性能是：絲網(wǎng)印刷工程中的印刷性能、零部件固定工程中的零件保持能力、回流焊工程中的焊錫膏塌落控制。

3. 功率器件安裝要求的性能

在ECU（行車(chē)電腦）的制造過(guò)程中，會(huì)大量使用到功率器件的安裝，焊錫膏的以下三點(diǎn)性能尤為重要。

3.1 確保助焊劑殘?jiān)南磧粜?/p>

在要求高可靠性功率器件的安裝過(guò)程中，安裝后殘留的助焊劑殘?jiān)鼞?yīng)具有必要的溶劑洗凈性。這是為了防止安裝后助焊劑殘?jiān)细街奈酃敢鸸β势骷恼`動(dòng)作，并防止附著的水引起的腐蝕劣化。

不管電極材質(zhì)如何，都應(yīng)盡量確保小的間隙發(fā)生量在功率器件的安裝過(guò)程中，一般多使用焊接附著面積大的零件，這是為使功率器件動(dòng)作產(chǎn)生的熱，經(jīng)設(shè)置基板有效傳導(dǎo)散熱，防止由于功率器件發(fā)熱引起誤動(dòng)作而采取的措施。為了確保功率器件動(dòng)作產(chǎn)生的熱量能夠被基板吸收而放熱，焊接部分的間隙必須要很?。ㄒ?jiàn)圖2）。這是因?yàn)椋喝绻诤附拥慕Y(jié)合部位存在間隙，就會(huì)降低熱傳導(dǎo)率，削弱基板的放熱特性。電子基板上的電極材料不同，間隙的發(fā)生狀態(tài)也不同。為了提高功率器件結(jié)合的可靠性而使用的銀電極，與原來(lái)的銅電極相比，功率器件的結(jié)合性大大提高。但是，使用銀電極容易產(chǎn)生間隙，存在放熱特性不充分的問(wèn)題。

圖2 間隙的發(fā)生狀態(tài)與放熱特性

3.2 能減低焊接中SnPb的飛濺發(fā)生量

在實(shí)施回流焊時(shí)，要求能控制助焊劑組成中的溶劑揮發(fā)，以及與金屬反應(yīng)生成的水因突然沸騰導(dǎo)致的助焊劑（焊接粒子）飛濺。要防止飛濺的助焊劑與其他零件結(jié)合部位及連接器部分粘結(jié)在一起，引發(fā)誤動(dòng)作。一般，無(wú)鉛焊接產(chǎn)生的飛濺發(fā)生量較多。這是因?yàn)椋簭囊郧暗暮U焊接轉(zhuǎn)變?yōu)闈?rùn)濕性差的無(wú)鉛焊接后，為了確保充分的防潮性，必須大量添加活性劑，但其結(jié)果導(dǎo)致助焊劑飛濺的發(fā)生量增加。

下面將介紹為改善上述問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的功率器件安裝用無(wú)鉛焊錫膏“PS31BR-00A-VHICS”的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

4.確保洗凈性

開(kāi)發(fā)功率器件用焊錫膏的大前提，是焊錫膏應(yīng)具有助焊劑殘?jiān)磧粜?。為此，開(kāi)發(fā)時(shí)首先要選定洗凈性?xún)?yōu)異的材料。

助焊劑殘?jiān)南磧舸笾路譃橄磧艄こ?、沖洗工程和干燥工程三個(gè)階段。用洗凈溶劑洗凈，沖洗、干燥的方式最為流行。

洗凈工程中使用的洗凈溶劑，一般為氫氟醚系溶劑和乙二醇醚系溶劑等。

為確保洗凈溶劑的充分洗凈性，本研究從車(chē)載關(guān)聯(lián)制造商使用的數(shù)種洗凈溶劑入手，對(duì)在這些溶劑中溶解性良好的材料實(shí)施了調(diào)查。在討論中發(fā)現(xiàn)，約占助焊劑基本成分一半的松香，其添加量的多少對(duì)洗凈性可能會(huì)產(chǎn)生比較大的影響。因此，本研究進(jìn)行了包括因熱產(chǎn)生的氧化老化等因素在內(nèi)的洗凈性確認(rèn)試驗(yàn)，對(duì)洗凈條件也進(jìn)行了精確調(diào)查。結(jié)果確認(rèn)：不勻稱(chēng)松香（歧化松香）和加氫松香等品種，在加熱時(shí)不會(huì)發(fā)生氧化老化，且性能穩(wěn)定，具有優(yōu)異的洗凈性。

本研究采用選定洗凈性?xún)?yōu)異的材料，對(duì)焊接時(shí)的間隙改善和助焊劑飛濺的改善做了討論。

5 間隙的改善

焊錫中產(chǎn)生的氣泡在加熱過(guò)程中會(huì)緩慢變大。例如，在易產(chǎn)生間隙的銀電極焊接中，會(huì)出現(xiàn)占銀電極一半以上面積的氣泡類(lèi)似物。在功率器件的安裝中，為了緩和動(dòng)作時(shí)的發(fā)熱，減小間隙，應(yīng)該確保電極基板的放熱特性，這一點(diǎn)非常重要。

間隙產(chǎn)生的主要原因包括幾個(gè)復(fù)合因素，特別是溶劑的揮發(fā)，與金屬反應(yīng)生成的水，以及在焊錫結(jié)合部位殘存的氣泡，都是間隙產(chǎn)生的主要原因（圖3）。

因此，減少氣泡產(chǎn)生量和抑制（分散）氣泡成長(zhǎng)，是改善氣泡發(fā)生的兩個(gè)有效手段，以下將對(duì)其分別進(jìn)行討論。

圖3 間隙產(chǎn)生的主要原因（氣泡的產(chǎn)生與成長(zhǎng)）

第一個(gè)目的是減少氣泡的產(chǎn)生。本文從抑制溶劑的揮發(fā)和減少與金屬反應(yīng)生成的水兩方面做了討論。

首先，討論了對(duì)溶劑揮發(fā)的抑制。當(dāng)使用低于焊錫熔點(diǎn)（220℃）的揮發(fā)性溶劑時(shí)，很容易想象得到，在焊錫熔融時(shí)，焊錫中會(huì)產(chǎn)生很多氣泡。因此，選定沸點(diǎn)遠(yuǎn)高于焊錫熔點(diǎn)的溶劑，就可以減少氣泡的產(chǎn)生（圖4）。

其次是減少水的生成。如式1所示，由于是在清洗還原氧化的金屬表面時(shí)生成了水，因此，本研究采取減少活性劑用量和抑制金屬氧化兩種方法，并對(duì)這兩種方法進(jìn)行了討論。

圖4 溶劑的高沸點(diǎn)化

第三是減少活性劑的方法。本研究調(diào)查結(jié)果顯示：不同的電極材質(zhì)，其有效活性溫度也各不相同，為此，通過(guò)有效組合活性劑，可能會(huì)降低活性劑必要的最低限量（圖 5）。

圖5 活性劑的作用溫度與反應(yīng)水的抑制

第四是抑制金屬氧化的方法。最重要的是防止回流焊工程中的金屬氧化，以及防止被還原金屬后的干凈金屬由活性劑引起的再次被氧化。在精心調(diào)查各種氧化防止劑后，本研究確認(rèn)：二唑系的氧化防止劑最為有效。

從以上討論來(lái)看，將高沸點(diǎn)溶劑與抑制水生成兩種方法相結(jié)合，有可能大幅減少焊錫中氣泡的產(chǎn)生。

調(diào)查結(jié)果表明：在抑制（分散）氣泡成長(zhǎng)的兩種方法中，最有效的方法是在氣泡成長(zhǎng)前就使其分散開(kāi)，并在助焊劑內(nèi)，拼用具有表面活性的最佳溶劑。利用此辦法，使氣泡無(wú)法成長(zhǎng)，與助焊劑一起被排出到焊錫外。

6.焊錫膏飛濺的改善

焊錫膏飛濺的發(fā)生與間隙一樣，氣泡生成和成長(zhǎng)對(duì)飛濺的影響很大。當(dāng)氣泡被排出到焊錫外部時(shí)，助焊劑和焊錫粒子被吹飛，從而導(dǎo)致飛濺現(xiàn)象的發(fā)生（圖6）。

圖6 焊錫膏飛濺發(fā)生的主要原因（氣泡的排出）

為此，用于改善間隙的方法可能同樣可用于解決飛濺問(wèn)題。即便如此，在使用環(huán)境和回流焊過(guò)程中的溫度條件下，還是會(huì)存在一定程度的氣泡產(chǎn)生、放出，完全抑制飛濺現(xiàn)象是不可能的。

為改善飛濺現(xiàn)象的發(fā)生，本研究重點(diǎn)研究了助焊劑比例最高的基本成分——松香。

原來(lái)的焊錫膏配方中的松香是不均化精制的松香。調(diào)查結(jié)果表明：在焊錫熔融溫度附近的高溫下，松香是無(wú)黏度的液體，焊錫金屬與助焊劑處于容易分離的狀態(tài)。

為解決該問(wèn)題，本研究拼用了粘性易變的松香，賦予助焊劑適合的黏度，從而，提高焊錫膏的凝集力，使助焊劑和焊錫粉變得不易飛濺。另外，由于助焊劑殘?jiān)陨砭哂幸种骑w濺的抵抗力，在助焊劑殘?jiān)鼉?nèi)部，飛濺逐漸降低。

從以上討論來(lái)看，通過(guò)選定最佳松香的合理組合，可以比原來(lái)的助焊劑殘?jiān)兊秒y以飛濺，即：即使有飛濺也會(huì)停留在助焊劑殘?jiān)鼉?nèi)部，不會(huì)對(duì)周?chē)牧慵a(chǎn)生不良影響。

7. 改良產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與性能確認(rèn)

根據(jù)前述的性能改善討論結(jié)果，本研究開(kāi)發(fā)出了新的洗凈型無(wú)鉛焊錫膏 “PS31BR-600AVHICS”。

以下是確認(rèn)其性能結(jié)果的報(bào)告（表1）。

①洗凈性確認(rèn)

本研究使用車(chē)載關(guān)聯(lián)制造商實(shí)際使用的溶劑進(jìn)行洗凈，確認(rèn)助焊劑殘?jiān)磺逑锤蓛?，洗凈性沒(méi)有問(wèn)題。

②間隙評(píng)價(jià)結(jié)果

間隙的發(fā)生狀態(tài)如圖7所示，銅電極、銀電極均顯示良好的結(jié)果，確認(rèn)電極種類(lèi)對(duì)間隙發(fā)生的影響很小。

③飛濺的評(píng)價(jià)結(jié)果

圖7 兩種焊錫膏的間隙發(fā)生狀態(tài)比較

表1 PS31BR-600A-VHICS性能確認(rèn)結(jié)果匯總

飛濺發(fā)生數(shù)量如圖8所示，確認(rèn)“PS31BR-600A-VHICS”的飛濺量降至與SnPb焊錫膏同等的水平。

④印刷性確認(rèn)

圖8 不同焊錫膏的飛濺發(fā)生數(shù)的比較

本研究對(duì)焊錫膏要求的重要性能——印刷性進(jìn)行了確認(rèn)。圖9是對(duì)連續(xù)印刷12h的印刷體積確認(rèn)結(jié)果。發(fā)現(xiàn) 12h后與初期相比沒(méi)有大的變化，確認(rèn)不存在印刷問(wèn)題。

⑤黏附力的確認(rèn)

圖9 印刷體積率的比較

本研究對(duì)焊錫膏性能的零件保持力進(jìn)行了確認(rèn)。與印刷性一樣，連續(xù)12h的黏著性雖有變化，但12h后仍然超過(guò)最低限度的必要黏著力1N，確認(rèn)沒(méi)有問(wèn)題。

⑥焊錫附著性的確認(rèn)

本研究對(duì)焊錫膏性能的焊錫附著性進(jìn)行了確認(rèn)。電極的潤(rùn)濕擴(kuò)大率，銅電極、銀電極均有良好的潤(rùn)濕性。

⑦電氣可靠性

由于焊錫膏安裝過(guò)程中會(huì)施加高電壓，因而，特別要求具有高電壓可靠性。即使對(duì)助焊劑殘?jiān)南磧舨蛔?，也不?huì)漏電。

本文介紹的改良產(chǎn)品，姑且不論能否洗凈助焊劑殘?jiān)?，即使沒(méi)有洗凈，也能確保有高絕緣抵抗值，確認(rèn)該產(chǎn)品沒(méi)有問(wèn)題。

8.結(jié)論

焊錫安裝用新型洗凈型無(wú)鉛焊錫膏，具有優(yōu)異的洗凈性，而且間隙及飛濺性良好。本文把這種新型無(wú)鉛焊錫膏命名為“PS31BR-600A-VHICS”。

本次設(shè)計(jì)的VHICS是為功能器件專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的。對(duì)除此以外的與車(chē)載相關(guān)的焊錫膏，今后，應(yīng)該開(kāi)發(fā)可靠性更高能滿(mǎn)足性能要求的制品。為了迅速滿(mǎn)足用戶(hù)的這種需求，日本Harima Chemicals Group, Inc正不斷提高自身的技術(shù)水平，努力為用戶(hù)提供更多高水平的制品。

本文譯自2015.10《JETI》

The Development of Lead-free Solder Paste with Excellent Property of Cleaning Flux Residue

Shinichiro Ooyama
(Research and Development Center, Harima Chemicals Group, Inc, Japan, 9990011)

The development process of lead-free solder paste is reviewed in this paper, where properties of lead-free solder paste on cleaning flux residue can be greatly increased by virtue of rational choice of solvents and rosin. Finally, the comprehensive performance of lead-free solder paste is confirmed

cleaning property；flux residue；lead-free solder paste

TQ649

A

1672—2701（2017）03—48—06