焊膏技術(shù)及其進(jìn)展

＊周盾白

（廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院 廣東 510640）

電子制造工業(yè)近來(lái)在小型手持產(chǎn)品如手機(jī)和個(gè)人設(shè)備的制造上獲得了很多經(jīng)驗(yàn)。由于晶片的微縮化和產(chǎn)品性能的提高，晶片制造商成功地生產(chǎn)出I/O密度非常高的晶片。對(duì)電子制造商來(lái)說(shuō)，制造出很高密度，超低成本的可靠的焊錫聯(lián)接非常具有挑戰(zhàn)性[1]。

焊膏是SMT生產(chǎn)中重要的輔料，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到SMT品質(zhì)的好壞，因此受到人們廣泛的重視。除了SMT的刮板印刷，還有針筒式點(diǎn)涂和移針印[2]。其中以刮板印刷為主。一款好的焊膏，需要具有良好的綜合理化性能，金屬部份、助焊膏部份及焊膏整體性能都需要綜合考慮，只有這樣才能生產(chǎn)一款具有高可靠性的微電子裝備用的焊膏[3]。

1.焊膏組成

焊膏由合金焊料粉末和具有觸變性的焊劑系統(tǒng)組成。合金焊料粉末的成分、顆粒形狀和尺寸是影響焊膏特性的重要因素，需根據(jù)焊接對(duì)象的實(shí)際需要和具體焊接工藝合理選擇[4]。焊劑系統(tǒng)除了作為合金焊料份的載體，同時(shí)起到凈化焊接表面、提高潤(rùn)濕性、防止焊料氧化和確保焊點(diǎn)可靠性的作用。

（1）焊粉。焊膏中的合金焊粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般是75%～90%。增加金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)有助于控制焊縫內(nèi)的空洞和焊縫體積大小，并使焊后易于清洗。其主要材質(zhì)為SnPb合金和SnAgCu合金（為了滿足歐盟要求現(xiàn)在主要采用的無(wú)鉛焊粉）。

焊膏中的焊料粉末尺寸、形狀和分布是影響焊膏性能的主要參數(shù)之一，它對(duì)焊膏的性能起關(guān)鍵作用。一般采用噴射塔制造焊料粉末，控制冷卻條件等使工藝條件處于最佳狀態(tài)，就能形成球形的和均勻的焊料顆粒。否則會(huì)發(fā)生顆粒的破裂變形彎曲，而形成非球形的焊粒顆粒。大多數(shù)焊膏都采用球形焊料粉末，因球形粉末在給定體積下總表面積最小，能減少可能發(fā)生表面氧化的面積。球形合金粉末的表面積小、氧化程度低、制成的焊膏具有良好的印刷性能。合金焊料粉末的粒度一般在200～400目。粒度愈小，黏度愈大；粒度過(guò)大，會(huì)使錫膏粘接性能變差；粒度太細(xì)，則由于表面積增大，會(huì)使表面含氧量增高，也不宜采用[5-6]。

銀具有高導(dǎo)電導(dǎo)熱、耐腐蝕、抗氧化、延展性好等特性，因此銀基焊膏在金屬焊接與電子表面裝聯(lián)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[7-8]。除了常用的SnAgCu合金無(wú)鉛焊料，研究者對(duì)其它的無(wú)鉛焊料也做了大量的研究，戎萬(wàn)等[9]綜述了高溫釬料的發(fā)展，高溫釬焊正朝著高效、精細(xì)、智能的方向發(fā)展，而高溫焊膏是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑，常用的有鎳基、銅基、銀基、鈦基和金基五種高溫釬料。李偉等[10]研究了熔點(diǎn)在320℃的金錫合金焊膏；楊澤霖等[11]研究了一種熔點(diǎn)在220℃的中溫錫鋅焊膏；楊婉春等[12]研究了一種燒結(jié)溫度在160～320℃的納米銅焊膏。

（2）助焊膏。在焊膏中，糊狀助焊膏是合金粉末的載體，體積分?jǐn)?shù)在50%左右。為了改善印刷效果和觸變性，需加入觸變劑和溶劑；助焊膏中活性劑的作用，能清除被焊接材料表面以及合金粉末本身的氧化膜，使焊料迅速擴(kuò)散并附著在被焊金屬表面。劉旭東等[13]采用丁二酸、蘋(píng)果酸、硬脂酸復(fù)配，焊點(diǎn)潤(rùn)濕性好，焊點(diǎn)光滑圓潤(rùn)，鋪展性良好。郝娟娟等[14]采用10種有機(jī)酸作為無(wú)鹵活性劑，羧酸X、羧酸Y與己二酸比例為1:2:4時(shí)，焊膏具有良好的潤(rùn)濕性和抗塌陷性。一款質(zhì)量?jī)?yōu)良的焊膏，其助焊膏的配制是非常復(fù)雜的，融合了物理化學(xué)、高分子物理、金屬化學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)。

對(duì)于不同的焊粉，助焊膏的配方也非常不同，王君等[15]通過(guò)甲基丁二酸、己二酸、水楊酸和丁二酸復(fù)配，焊膏潤(rùn)濕性能優(yōu)異，焊點(diǎn)鋪展率達(dá)86.52%。

2.焊膏的特性和影響因素

焊膏需要具有優(yōu)良的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。焊膏制備后，在印刷前冷藏（或在常溫下）保存3—6個(gè)月，其性能應(yīng)保持不變。要有合適的黏性。表面組裝常利用焊膏的黏性把SMD暫時(shí)固定在PCB表面上，為此，要求焊膏有良好的黏度，而且要求其黏度隨時(shí)間變化小，當(dāng)元器件貼裝后經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間才進(jìn)行再流焊接也不會(huì)減小其黏性。同時(shí)，有較好的印刷性、對(duì)基材潤(rùn)濕性、較好的焊接強(qiáng)度等[16]。

（1）焊膏的流變特性。焊膏是高黏度的膏體，在外力作用下，其流動(dòng)行為會(huì)發(fā)生改變，并對(duì)焊膏的印刷質(zhì)量有直接影響。印刷焊膏是SMT生產(chǎn)中的第一道工序，也是最關(guān)鍵的工序，統(tǒng)計(jì)表明SMT生產(chǎn)中60%～70%的焊接缺陷與焊膏的印刷有關(guān)。

焊膏中的助焊劑含有一定量的觸變劑，具有假塑性流體性質(zhì)，這種性質(zhì)在印刷錫膏時(shí)是非常有用的。即焊膏在印刷時(shí)，受到刮刀的推力作用，其黏度下降，故能順利通過(guò)窗口沉降到PCB焊盤(pán)上，印刷完成，焊膏黏度又迅速回升，這樣就保證了印刷圖形的規(guī)整性。焊膏屬于觸變流體。從印刷的角度來(lái)看，焊膏的觸變特性是一種受攪拌影響的特性，達(dá)到平衡需要一定時(shí)間，其印刷圖像邊緣比較整齊[17-19]。

焊料合金粒徑對(duì)具有相同合金成分及焊劑系統(tǒng)的焊膏黏度的影響，粉末粒徑增加，黏度減少；粉末粒徑減少，黏度增加。這是因?yàn)榉勰╊w粒的表面積隨粒徑的減少而增加，引起總剪切力增加，所以黏度增加。

溫度增加，黏度減少。為了控制錫膏黏度，必須把使用環(huán)境溫度控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，因?yàn)榧词?℃的微小溫度變化也能使黏度發(fā)生至少幾十帕·秒的變化，從而影響焊膏的印刷質(zhì)量。

（2）焊膏的熔點(diǎn)與焊接溫度。焊膏的熔點(diǎn)主要取決于合金焊料粉的成分與配比。根據(jù)焊膏組成成分和熔點(diǎn)的不同，采用的回流焊接溫度也不同，而焊接效果和性能也各不相同。

3.工藝要求

要提高SMT工藝的制品良率，必須要理解SMT的工藝要求和工藝特點(diǎn)，這樣采用的焊膏才能和實(shí)際工藝所匹配。在SMT的不同工藝或工序中，要求焊膏具有與之相應(yīng)的性能[20]。但是，一款再好的焊膏，必須配合合適的工藝，才能得到高的良品率，焊膏和工裝的作用是相輔相成的，因此必需要處理好二者的關(guān)系，這樣才是有意義的。在SMT生產(chǎn)中，焊膏施加到印制板的焊盤(pán)上的方式，可以分為三種：手工滴涂、焊膏印刷、焊膏噴印[21]。焊膏印刷是主要的生產(chǎn)工藝。但對(duì)于航天小批量、多品種產(chǎn)品而言，絲網(wǎng)印刷顯得不太適合，采用自動(dòng)噴印式更為靈活，適用性廣，無(wú)需定制鋼網(wǎng)[22]。

在使用過(guò)程中，即在印刷時(shí)和在再回焊爐加熱的時(shí)候，焊膏應(yīng)具有以下流變特性：（1）印刷時(shí)有良好的脫模性。焊料合金粉末顆粒直徑、粒度分布和形狀對(duì)脫模性影響很大，應(yīng)選擇粉末顆粒直徑小于鋼網(wǎng)開(kāi)口部位尺寸的1/4，并選用粉末顆粒為球形顆粒（特別是在貼裝細(xì)間距器件時(shí)）。當(dāng)焊膏黏度較高時(shí)，其流動(dòng)性差，脫模困難；但黏度太低，則印刷后可能出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。焊膏觸變性較差時(shí)，脫模較容易，但又容易發(fā)生坍塌。為此，必須按實(shí)際要求和工作條件合理選擇和確定焊膏的流變參數(shù)。（2）印刷時(shí)和印刷后焊膏不易坍塌。實(shí)際上，印刷脫模性和坍塌性有相應(yīng)關(guān)系，如在無(wú)定形焊料粉末中，粒度大和觸變性好時(shí)，不易坍塌。

QFN是一種較新的IC封裝形式，適應(yīng)性更廣、可靠性較高。焊接時(shí)，一定要調(diào)整好焊接溫度曲線，盡量降低因溫度升高產(chǎn)生的氣泡，并要合理控制焊膏的印刷工藝和貼裝焊接工藝，確保QFN的焊接可靠性[23]。

（1）回流焊要求。不論是點(diǎn)涂、噴涂還是絲印，最終都要通過(guò)回流焊來(lái)達(dá)到最終的焊接。由于不同的焊膏其助焊膏配方不同，每款焊膏金屬成份，助焊膏中溶劑揮發(fā)的溫度、速度，活性劑作用的溫度等都不相同，我們需要對(duì)回流焊的溫度曲線進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。不論是采用何種工藝的焊膏，其回流焊時(shí)要求焊膏具有下列特性。

①具有良好的潤(rùn)濕性能。焊膏中的焊劑和波峰焊中的助焊劑不同，在回流焊加熱曲線的下，其潤(rùn)濕行為更為復(fù)雜。

②減少焊料球的形成。產(chǎn)生焊料球是焊膏回流時(shí)常出現(xiàn)的不良現(xiàn)象，業(yè)界稱(chēng)為錫珠。這有兩方面原因，一方面由于當(dāng)溫度急劇上升時(shí)，焊膏會(huì)出現(xiàn)近似沸騰現(xiàn)象，引起焊料顆粒飛濺。這需要在助焊膏配方設(shè)計(jì)的時(shí)候，控制不同沸點(diǎn)溶劑的比例，在升溫過(guò)程中讓一部份溶劑先揮發(fā)，這樣就不會(huì)出現(xiàn)助焊膏集中熔化沸騰的現(xiàn)象。另一方面，焊粉的氧化程度不能太高，否則助焊膏中的活性劑不能讓它完全還原為單質(zhì)金屬，使焊粉不能在回流焊溫度下熔融，從而形成錫珠；助焊膏中的活性成份也不能太低，應(yīng)能使焊粉金屬正常完成還原反應(yīng)[24]。

③回流焊接后要求的特性。A.洗凈性。焊接后若有焊劑殘?jiān)秃噶锨蛄粼陔娐钒迳?，將影響組件可靠性，所以一般需在焊接后進(jìn)行清洗。特別是對(duì)高性能電子產(chǎn)品和軍事裝備電路組件，清洗是必須的。傳統(tǒng)組裝工藝常采用松香型焊劑，其有效清洗劑是氟氯烴（CFC）等。因?yàn)楹附雍笤陔娐钒褰M件上殘留下的焊劑剩余物是焊劑中的固體成分，所以要求焊劑中固體含量越低越好。同時(shí)，要求焊劑成分具有高絕緣性和低腐蝕性。B.焊接強(qiáng)度。焊接后能得到良好的接合狀態(tài)（焊點(diǎn)），要求焊料合金及其焊縫具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，以確保PCBA在使用過(guò)程中不會(huì)因振動(dòng)等因素而出現(xiàn)元器件脫落，保證其長(zhǎng)期可靠性[25]。

（2）SMT印刷要求。在SMT工藝中，印刷工藝對(duì)良品率的影響達(dá)到60%～70%。首先，SMT工藝通常采用模板印刷，由于焊膏印刷比其它涂料的印刷復(fù)雜和易發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題。焊膏的印刷工藝設(shè)定和控制，在整個(gè)表面組裝工藝中應(yīng)該放在首要的位置[28]。在模板印刷中，最大印刷速度取決于PCB上SMD的最小腳距，在進(jìn)行高精度印刷時(shí)（腳距≤0.5mm），印刷速度一般在20～30mm/s。使用角度小的刮刀印刷時(shí)，焊膏印刷量是其重要的控制因素；印刷用刮刀通常都采用合金、聚酯橡膠等做成。合金材料做的刮刀因其硬度高，印刷圖型較規(guī)整，但是這種刮刀，會(huì)增加鋼網(wǎng)本身的磨損；模板印刷的印刷厚度基本由模板的厚度決定，并與焊膏特性及工藝參數(shù)有關(guān)。

4.結(jié)論

本文綜述了焊膏的組成與性能的關(guān)系，只有各方面性能達(dá)到完美平衡的焊膏，才能在SMT生產(chǎn)中具有良好的表現(xiàn)。同時(shí)，結(jié)合SMT生產(chǎn)實(shí)際狀況，焊膏的性能需要和工藝工裝良好地匹配，才能使SMT生產(chǎn)獲得高的良品率和產(chǎn)品品質(zhì)。