溶劑對(duì)細(xì)間距用無鉛焊錫膏抗熱塌性的影響

楊 楠，趙麥群，明小龍，孫 杰

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溶劑對(duì)細(xì)間距用無鉛焊錫膏抗熱塌性的影響

楊 楠，趙麥群，明小龍，孫 杰

（西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

焊接后出現(xiàn)橋連、短路是高密度電子組裝中經(jīng)常遇到的問題。通過回流焊接實(shí)驗(yàn)和抗熱塌性實(shí)驗(yàn)，研究了助焊劑中溶劑的復(fù)配對(duì)焊錫膏抗熱塌性的影響。結(jié)果表明：四氫糠醇與丙二醇苯醚按質(zhì)量比3:2復(fù)配得到的焊錫膏焊點(diǎn)光亮飽滿，鋪展率達(dá)到84.83%，抗熱塌性(150℃)優(yōu)異。四氫糠醇與聚乙二醇單甲醚250(MPEG250)按質(zhì)量比1:1復(fù)配得到的焊錫膏助焊性良好，焊點(diǎn)鋪展率高達(dá)86.55%，具有優(yōu)異的抗熱塌性(150℃)，并在180℃下仍表現(xiàn)優(yōu)異，且最小不橋連間距為0.06 mm，滿足超細(xì)間距條件下的焊接要求。

無鉛焊錫膏；細(xì)間距；溶劑；助焊性能；鋪展率；抗熱塌性

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，封裝的小型化和組裝的高密度化以及各種新型封裝技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，對(duì)電子組裝質(zhì)量的要求越來越高[1]，對(duì)焊錫膏各方面的性能也提出更嚴(yán)格的要求。由于封裝基板向更小尺寸發(fā)展，引腳數(shù)量進(jìn)一步增多，引腳線寬/引腳間距更微細(xì)化[2]，因此制備出細(xì)間距用無鉛焊錫膏成為了表面組裝領(lǐng)域的一項(xiàng)重大任務(wù)。優(yōu)異的抗熱塌性是細(xì)間距用無鉛焊錫膏必須具備的特質(zhì)，可以大大減少焊后出現(xiàn)橋連、短路等缺陷的幾率[3]，而我國在這一方面起步較晚，主要是依靠進(jìn)口來滿足國內(nèi)需求。因此開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能細(xì)間距用無鉛焊錫膏，將使我國IC（集成電路）產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)國際化、品牌化，也才能引領(lǐng)我國電子產(chǎn)業(yè)逐漸走向世界前列。

近幾年，國內(nèi)外對(duì)SnAgCu系焊錫膏的研究主要集中于焊錫膏的流變特性[4-5]以及印刷性[6-7]等方面。在焊錫膏抗熱塌性方面，葛曉敏等[8]研究了聚酰胺改性氫化蓖麻油的添加量對(duì)焊錫膏抗熱塌性的影響，當(dāng)用量為5 g時(shí)印刷圖形直徑變化量最小且為0.15 mm。徐曉艷[9]研究了觸變劑的種類以及添加工藝對(duì)焊錫膏抗熱塌性的影響，制備的焊錫膏最小不橋連間距為0.1 mm。而影響焊錫膏抗熱塌性的因素有很多：觸變劑的性能及添加量、焊錫粉與助焊劑的比例、溶劑以及其他化學(xué)物質(zhì)等等[10]。目前關(guān)于助焊劑中溶劑對(duì)焊錫膏抗熱塌性能的影響還鮮見報(bào)道。因此，筆者通過研究溶劑復(fù)配對(duì)焊錫膏的助焊性能和抗熱塌性能的影響，對(duì)焊錫膏抗熱塌性進(jìn)行優(yōu)化研究，這對(duì)焊錫膏抗熱塌性的提高以及使其滿足細(xì)間距焊接都有一定意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 設(shè)備與材料

設(shè)備：T200N+型小型精密無鉛回流焊機(jī)，BS210S精密電子天平，78-I型數(shù)顯恒溫磁力攪拌器，高溫箱式電阻爐，標(biāo)準(zhǔn)絲網(wǎng)印刷模板（絲網(wǎng)印刷模板上面的圖形分兩種不同尺寸，分別為0.63 mm×2.03 mm和0.33 mm×2.03 mm。

材料：Sn0.3Ag0.7Cu焊錫微粉，20~38 μm（400~700目）；KE-604松香，F(xiàn)oral AX-E全氫化松香；活性劑：壬二酸、己二酸；溶劑：四氫糠醇、聚乙二醇單甲醚250（MPEG250）、丙二醇苯醚，化學(xué)純；觸變劑：氫化蓖麻油。實(shí)驗(yàn)用基板分別為15 mm×15 mm×1.5 mm和50 mm×50 mm×1.5 mm的單面覆銅板，銅層厚度約35 μm?；逶谑褂们敖?jīng)過打磨和除銹處理，并用無水乙醇擦洗。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

筆者對(duì)溶劑采取復(fù)配，采用低沸點(diǎn)的四氫糠醇分別與高沸點(diǎn)的MPEG250和丙二醇苯醚進(jìn)行復(fù)配。將所選的溶劑按表1的成分要求配制成助焊劑，溶劑分別按質(zhì)量比1:0，4:1，3:2，1:1，2:3，1:4，0:1進(jìn)行復(fù)配，再將助焊劑分別以11:89的質(zhì)量比與焊錫微粉配制成焊錫膏，研究溶劑復(fù)配對(duì)焊錫膏性能的影響。

表1 助焊劑的成分

Tab.1 The components of the flux

焊錫膏鋪展性能測(cè)試：將焊錫膏用規(guī)格為6.5 mm×0.3 mm的不銹鋼模板印刷在15 mm×15 mm×1.5 mm的單面覆銅板上，然后進(jìn)行回流焊接。本試驗(yàn)依據(jù)GB/T9491—2002中的計(jì)算方法。焊錫膏的鋪展率（%）按式（1）、式（2）計(jì)算，結(jié)果取平均值。

式中：為焊料球等效直徑，mm；為焊點(diǎn)鋪展高度，mm；pp為印刷的焊錫膏的質(zhì)量，g；為配制焊膏焊料微粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；為換算系數(shù)；對(duì)于Sn0.3Ag0.7Cu合金，值為6.396 65。

焊錫膏抗熱塌性能測(cè)試：用標(biāo)準(zhǔn)的絲網(wǎng)印刷模板在50 mm×50 mm×1.5 mm的單面覆銅板上印刷圖形，室溫下放置15 min，然后置于溫度為150℃的電阻爐中加熱15 min，取出并觀察記錄其最小不橋連間距，即為焊錫膏的塌落度。最小不橋連間距越小，說明焊錫膏的抗熱塌性越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 溶劑四氫糠醇與MPEG250復(fù)配對(duì)焊錫膏抗熱塌性的影響

表2為四氫糠醇與MPEG250以不同質(zhì)量比(:)復(fù)配對(duì)焊錫膏的焊點(diǎn)形貌、焊點(diǎn)鋪展率的影響。從表中可以看出，幾種不同比例的復(fù)配溶劑對(duì)應(yīng)焊錫膏的焊點(diǎn)形貌都很理想，外觀飽滿、光亮，潤濕性良好。隨著MPEG250含量的增加，焊點(diǎn)鋪展率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，且當(dāng)復(fù)配質(zhì)量比為1:1時(shí)，焊錫膏鋪展率最高，達(dá)到86.55%。由于單一溶劑MPEG250配制焊膏的焊點(diǎn)鋪展率高于單一溶劑四氫糠醇的焊點(diǎn)鋪展率，所以隨MPEG250的含量增加時(shí)，焊點(diǎn)鋪展率先呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，隨后出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這是由于溶劑MPEG250是高沸點(diǎn)溶劑，當(dāng)高沸點(diǎn)物質(zhì)含量過高時(shí)，在預(yù)熱階段不能完全揮發(fā)，殘留部分便在焊料熔化區(qū)沸騰，阻礙焊料的鋪展，從而引起焊點(diǎn)鋪展率下降[11]。

圖1為四氫糠醇與MPEG250以不同質(zhì)量比復(fù)配對(duì)應(yīng)焊錫膏的部分焊盤印刷后的熱塌實(shí)驗(yàn)圖，表3為四氫糠醇與MPEG250以不同質(zhì)量比復(fù)配對(duì)應(yīng)焊錫膏的焊盤抗熱塌性實(shí)驗(yàn)的最小不橋連間距。由抗熱塌實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖1中可以看出，(a)圖、(b)圖、(c)圖、(d)圖以及(e)圖中，尺寸為0.63 mm×2.03 mm的圖形（左圖）輪廓清晰，圖形規(guī)整，圖形間沒有出現(xiàn)橋連，而尺寸為0.33 mm×2.03 mm的圖形中（右圖）部分出現(xiàn)了橋連。(f)圖和(g)圖中0.63 mm×2.03 mm尺寸的圖形邊緣模糊，但是圖形間橋連不明顯，而0.33 mm×2.03 mm尺寸的圖形間出現(xiàn)了嚴(yán)重的橋連。根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)顯示，復(fù)配質(zhì)量比為1:4和0:1時(shí)，焊錫膏的抗熱塌性較差，最小不橋連間距達(dá)到0.41 mm，而復(fù)配質(zhì)量比為1:0和1:1時(shí)，焊錫膏的抗熱塌性最好，最小不橋連間距為0.06 mm。

表2 四氫糠醇與MPEG250復(fù)配對(duì)焊錫膏助焊性的影響

Tab.2 The effect of mixtures of tetrahydrofurfuryl alcohol and MPEG250 on solder paste soldering

表3 焊盤的抗熱塌實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Tab.3 The anti-hot slump results of solder pads

由于焊錫膏的抗熱塌性實(shí)驗(yàn)是在150℃下進(jìn)行的，因此150℃下焊錫膏的黏度與其抗熱塌性有著密切的關(guān)系，黏度越高，焊錫膏的抗熱塌性越好。反之，焊錫膏的抗熱塌性越差。助焊劑中所用的兩種松香其軟化點(diǎn)分別為125℃和80℃，四氫糠醇的沸點(diǎn)為178℃，MPEG250的沸點(diǎn)為255℃。當(dāng)溫度為150℃時(shí)，松香達(dá)到自身的軟化點(diǎn)，形態(tài)由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，從而使焊錫膏的黏度變小，易于流動(dòng)，而溶劑的揮發(fā)可以使焊錫膏的黏度增大，補(bǔ)償因松香軟化造成的黏度損失，防止焊錫膏出現(xiàn)塌落[12]。因此，當(dāng)四氫糠醇的含量較高時(shí)，焊錫膏表現(xiàn)出較好的抗熱塌性，因?yàn)檩^多的溶劑揮發(fā)，使得軟化速率與揮發(fā)速率達(dá)到了一個(gè)平衡比例。而隨MPEG250含量的增加，焊膏的抗熱塌性越來越差。這是由于MPEG250的沸點(diǎn)較高，在持續(xù)升溫過程中，焊料合金粉末以較快的速度將熱量傳到焊膏內(nèi)部，溶劑升溫但揮發(fā)緩慢，則會(huì)不斷膨脹且不能透過焊料合金粉末的空隙揮發(fā)出去，那么無限制的膨脹最終導(dǎo)致焊膏坍塌[10]，并且MPEG250在150℃時(shí)揮發(fā)速率較慢，使得此時(shí)焊錫膏黏度變小，焊錫膏黏度越小越容易漫流，從而發(fā)生了橋連。

在研究焊錫膏的性能時(shí)，不能只滿足單一的性能。判斷焊錫膏是否具有良好的性能，需要檢測(cè)焊錫膏的綜合性能。而焊錫膏的助焊性是其最基本的性能，決定著焊點(diǎn)是否連接牢固，所以在討論焊錫膏的抗熱塌性時(shí)必須結(jié)合其焊點(diǎn)的鋪展率即助焊性能。由以上分析可知，溶劑復(fù)配質(zhì)量比為1:0和1:1時(shí)，焊錫膏的抗熱塌性最好，但是比例為1:0時(shí)焊點(diǎn)的鋪展率最小，1:1時(shí)焊點(diǎn)的鋪展率最大，這表明四氫糠醇與MPEG250按1:1比例進(jìn)行復(fù)配性能最佳。

2.2 溶劑四氫糠醇與丙二醇苯醚復(fù)配對(duì)焊錫膏抗熱塌性的影響

表4為四氫糠醇與丙二醇苯醚以不同質(zhì)量比（:）復(fù)配對(duì)焊錫膏焊點(diǎn)形貌、焊點(diǎn)鋪展率的影響。從表中可以看出，除了質(zhì)量比為1:1時(shí)焊點(diǎn)邊緣出現(xiàn)了回縮，其余焊點(diǎn)均光亮、飽滿，外觀較為理想。隨著丙二醇苯醚含量的增加，焊點(diǎn)鋪展率呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，但是在質(zhì)量比為1:1時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)凹陷值，這是由于焊點(diǎn)出現(xiàn)了回縮，表現(xiàn)為潤濕性不夠，降低了其鋪展率。當(dāng)質(zhì)量比為3:2時(shí)焊點(diǎn)鋪展率達(dá)到了最大值為84.83%，助焊性最好。

圖2為四氫糠醇與丙二醇苯醚以不同質(zhì)量比復(fù)配對(duì)應(yīng)焊錫膏的部分焊盤印刷后的熱塌實(shí)驗(yàn)圖，表5為四氫糠醇與丙二醇苯醚以不同質(zhì)量比復(fù)配所對(duì)應(yīng)焊錫膏的焊盤抗熱塌性實(shí)驗(yàn)的最小不橋連間距。由圖2中可以看出，(a)圖、(b)圖、(c)圖以及(d)圖中，尺寸為0.63 mm×2.03 mm的圖形（左圖）挺括、規(guī)整，且圖形間沒有出現(xiàn)橋連，但是(b)圖和(d)圖中尺寸為0.33 mm×2.03 mm的圖形（右圖）出現(xiàn)了不同程度的橋連現(xiàn)象，(e)圖、(f)圖、(g)圖在尺寸為0.33 mm×2.03 mm的圖形中均出現(xiàn)了嚴(yán)重的橋連現(xiàn)象。根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)顯示，隨著丙二醇苯醚含量的增加，焊錫膏的抗熱塌性越來越差。當(dāng)質(zhì)量比為1:0和3:2時(shí)焊錫膏的抗熱塌性最好，印刷的圖形間沒有出現(xiàn)橋連，即最小不橋連間距為0.06 mm。當(dāng)質(zhì)量比為2:3，1:4和0:1時(shí)，圖形間的最小不橋連間距較大，焊錫膏的抗熱塌性較差。

表4 四氫糠醇與丙二醇苯醚復(fù)配對(duì)焊錫膏助焊性的影響

Tab.4 The effect of mixtures of tetrahydrofurfuryl alcohol and propylene glycol monophenyl ether on solder paste soldering

表5 焊盤的抗熱塌實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Tab.5 The anti-hot slump results of solder pads

由以上分析可知，質(zhì)量比為1:0和3:2時(shí)焊錫膏的抗熱塌性最好，且最小不橋連間距為0.06 mm。但是，在對(duì)焊錫膏進(jìn)行助焊性能討論時(shí)，得出質(zhì)量比1:0時(shí)焊點(diǎn)鋪展率最低，而3:2時(shí)鋪展率最高，表明四氫糠醇與丙二醇苯醚按3:2質(zhì)量比進(jìn)行復(fù)配性能最佳。

由2.1、2.2討論可知，高沸點(diǎn)溶劑的含量是焊錫膏抗熱塌性的重要影響因素之一，適當(dāng)?shù)娜軇┖坎拍鼙ＷC焊錫膏優(yōu)異的抗熱塌性。

焊錫膏因助焊劑的揮發(fā)容易在預(yù)熱階段和活化階段發(fā)生坍塌，在150℃下沒有發(fā)生橋連并不代表在180℃下也不發(fā)生橋連，而四氫糠醇與MPEG250以質(zhì)量比1:1復(fù)配和四氫糠醇與丙二醇苯醚以質(zhì)量比3:2復(fù)配所得到的焊錫膏均在150℃下具有優(yōu)異的抗熱塌性，所以筆者對(duì)這兩組進(jìn)行了180℃的熱塌性測(cè)試，熱塌圖片如圖3所示。

圖3 兩組復(fù)配溶劑對(duì)應(yīng)焊錫膏焊盤的180 ℃抗熱塌實(shí)驗(yàn)圖片

從圖3中可以看出，(a)圖中沒有出現(xiàn)橋連，而(b)圖中出現(xiàn)了橋連，且最小不橋連間距分別為0.06 mm和0.15 mm。表明四氫糠醇與MPEG250按1:1質(zhì)量比復(fù)配對(duì)應(yīng)焊錫膏具有更加優(yōu)異的抗熱塌性，且滿足超細(xì)間距條件下的焊接要求。

3 結(jié)論

（1）四氫糠醇與MPEG250最佳復(fù)配質(zhì)量比為1:1，四氫糠醇與丙二醇苯醚最佳復(fù)配質(zhì)量比為3:2，兩者所得到的焊錫膏均具有良好的助焊性和優(yōu)異的抗熱塌性(150℃)，且最小不橋連間距均為0.06 mm。

（2）隨著高沸點(diǎn)溶劑含量的增加，焊錫膏焊點(diǎn)鋪展率先上升后下降，焊錫膏的抗熱塌性越來越差。

（3）四氫糠醇與MPEG250按質(zhì)量比1:1復(fù)配得到的焊錫膏180℃下的抗熱塌性明顯優(yōu)于四氫糠醇與丙二醇苯醚按質(zhì)量比3:2復(fù)配得到的焊錫膏，且最小不橋連間距仍為0.06 mm，滿足超細(xì)間距條件下的焊接要求。

[1] 雷穎劼. 電子封裝技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) [J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2016(7): 139.

[2] 龍樂. 電子封裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) [J]. 電子與封裝, 2012, 12(1): 39-43.

[3] 關(guān)智曉. 適用于細(xì)間距技術(shù)無鉛焊膏助焊劑的研究 [D]. 北京: 北京工業(yè)大學(xué), 2011.

[4] SON M J, KIM I, YANG S, et al. Employment of roll-offset printing for fabrication of solder bump arrays: harnessing the rheological properties of lead-free solder pastes using particle size distribution [J]. Microelectron Eng, 2016, 164: 128-134.

[5] DURAIRAJ R, MAN L W, EKERE N N, et al. The effect of wall-slip formation on the rheological behaviour of lead-free solder pastes [J]. Mater Des, 2010, 31(3): 1056-1062.

[6] AMALU E H, EKERE N N, MALLIK S. Evaluation of rheological properties of lead-free solder pastes and their relationship with transfer efficiency during stencil printing process [J]. Mater Des, 2011, 32(6): 3189-3197.

[7] DURAIRAJ R, RAMESH S, MALLIK S, et al. Rheological characterisation and printing performance of Sn/Ag/Cu solder pastes [J]. Mater Des, 2009, 30(9): 3812-3818.

[8] 葛曉敏, 熊國宣, 馬鑫. 聚酰胺改性氫化蓖麻油在無鉛錫膏中的應(yīng)用研究 [J]. 廣州化工, 2013, 41(24): 76-78.

[9] 徐曉艷. 無鉛焊膏粘度及穩(wěn)定性的分析 [D]. 南京:東南大學(xué), 2015.

[10] 鄧濤. 免清洗助焊劑與SnAgCu無鉛焊膏的制備及其性能研究 [D]. 長沙: 中南大學(xué), 2012.

[11] 薛靜, 趙麥群, 范歡, 等. SnAgCu無鉛焊膏用溶劑的優(yōu)化研究 [J]. 電子元件與材料, 2011, 30(2): 36-38.

[12] 祝蕾, 雷永平, 夏志東, 等. 無鉛焊膏用鹵素松香型助焊劑的研制 [J]. 電子元件與材料, 2010, 29(3): 38-41.

（編輯：陳渝生）

Effect of solvent on anti-hot slump ability of lead-free solder paste with fine-pitch

YANG Nan, ZHAO Maiqun, MING Xiaolong, SUN Jie

(School of Materials Science and Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Bridging and short-circuit are the common problems in high density electronic packaging. The effects of compound solvents in flux on the anti-hot slump of solder paste were studied by reflow soldering and anti-hot slump test. The results show that mixed with tetrahydrofurfuryl alcohol and propylene glycol monophenyl ether (mass ratio=3:2) as solvent, the solder paste has good anti-hot slump ability (150℃).The spreadability is 84.83% and the appearance of spots is plump, beamy. Mixed with tetrahydrofurfuryl alcohol and MPEG250 (mass ratio=1:1) as solvent, the solder paste has good soldering and excellent anti-hot slump ability(150℃), and the spreadability is as high as 86.55%.The solder paste still has excellent anti-hot slump ability at 180℃and the minimum non bridging space is 0.06 mm.The solder paste meets the requirement of ultra-fine pitch technology.

lead-free solder paste; fine-pitch; solvent; solderability; spreadability; anti-hot slump ability

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.11.013

TN604

A

1001-2028（2017）11-0073-05

2017-08-29

趙麥群

陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研計(jì)劃項(xiàng)目資助（No. 14JS069）

趙麥群（1960－），男，陜西戶縣人，教授，主要從事粉體功能材料及其產(chǎn)品的研發(fā)，E-mail:zhaomq@mail.xaut.edu.cn ；

楊楠（1993－），女，陜西戶縣人，研究生，研究方向?yàn)殡娮庸δ懿牧?，E-mail: 1549365362@qq.com。

2017-11-02 15:47

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