乳化工藝對無鉛焊錫膏性能的影響*

熊曉嬌，武 信，柳麗敏，何 歡，錢 斌，何禹浩，張文正

(云南錫業(yè)新材料有限公司，云南 昆明 650501)

焊錫膏主要用于電子產(chǎn)品的焊接。目前市場上的無鉛焊錫膏以SnAgCu系列為主[1]。隨著電子產(chǎn)品向數(shù)字化、超大規(guī)模集成化、微型化、精密化方面發(fā)展，對焊錫膏的質(zhì)量提出了更高的要求[2]。助焊膏作為焊錫膏的輔料(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～20%)，不僅可以提供優(yōu)良的助焊性能，而且還直接影響焊錫膏的印刷性能和儲存壽命[3]。助焊膏還能凈化焊接表面，輔助完成焊接，提高潤濕性，防止焊接時表面再次氧化，降低焊料表面張力。助焊膏是保證焊錫膏質(zhì)量以及優(yōu)良工藝性的關(guān)鍵材料?？梢哉f，助焊膏的品質(zhì)直接影響表面貼裝技術(shù)(Surface mounted technology，簡稱 SMT)整個工藝過程和產(chǎn)品的質(zhì)量，而助焊膏的制備工藝直接影響助焊膏的整體性能，進(jìn)而影響焊錫膏性能。目前，乳化工藝更多的是應(yīng)用于炸藥和日化產(chǎn)品的生產(chǎn)，而關(guān)于制備助焊膏乳化工藝研究的文獻(xiàn)卻鮮有發(fā)現(xiàn)。隨著電子焊料的需求日益增加，對助焊膏的需求也逐日上漲，優(yōu)化助焊膏的制備工藝，能有效減少人力和時間的投入，提高產(chǎn)量，且更有利于對助焊膏質(zhì)量的把控，對乳化工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)意義重大且亟待解決。

1 實驗部分

1.1 材料及儀器設(shè)備

材料：松香、有機酸、溶劑、觸變劑、抗氧劑、Sn96.5Ag3.0Cu0.5合金、Type4(20～38 μm)規(guī)格焊錫粉、PCB(Printed Circuit Board)板、載玻片等。

儀器設(shè)備：電子天平，乳化機，三輥碾磨機，ACM-5LV愛公社攪拌機，IPC-A-21金屬模板，無鉛熱風(fēng)回流爐，Stemi-508型體式顯微鏡，離心機。

1.2 實驗步驟

1.2.1 助焊膏制備

按助焊膏配方精確稱取各物料。將松香和溶劑加入反應(yīng)釜中，設(shè)置乳化溫度，通過反應(yīng)釜夾層中通導(dǎo)熱油的方法進(jìn)行加熱，設(shè)置攪拌軸轉(zhuǎn)速，從視鏡觀察反應(yīng)釜內(nèi)情況，待松香被分散至無大顆粒物后，按順序從加料口依次加入后續(xù)物料。加熱結(jié)束后，關(guān)閉加熱，邊攪拌邊降溫，待釜內(nèi)原料冷卻至結(jié)束溫度時停止攪拌；將助焊膏倒入容器內(nèi)密封冷卻至室溫備用[4]。改進(jìn)前小試乳化工藝參數(shù)見表1。

表1 小試乳化工藝參數(shù)

在小試乳化工藝(表1)參數(shù)的基礎(chǔ)上，保持 70 ℃ 的結(jié)束溫度和 800 r/min 的攪拌速率不變，將乳化溫度設(shè)置從 95 ℃ 梯度升高至 110 ℃。以 5 ℃ 為一個溫度梯度，制備助焊膏及對應(yīng)焊錫膏，編號為a～d(詳見表2)，將制備的助焊膏經(jīng)同一碾磨工藝碾磨備用。

表2 乳化溫度改進(jìn)

通過乳化溫度改進(jìn)試驗，確定最佳乳化溫度，保持 105 ℃ 的最佳乳化溫度和 800 r/min 的攪拌速率不變，將乳化工藝的結(jié)束溫度從 70 ℃ 降低至 40 ℃。每降低 10 ℃ 為一個溫度梯度，制備助焊膏及對應(yīng)焊錫膏，編號為e～h(詳見表3)，將制備的助焊膏經(jīng)同一碾磨工藝碾磨備用。

表3 結(jié)束溫度改進(jìn)

1.2.2 焊錫膏制備

以11.5%的助焊膏比例，將8組碾磨后的助焊膏(編號為a～h)分別與同一批次Sn96.5Ag3.0Cu0.5合金Type 4規(guī)格焊錫粉混合，按相同的攪拌工藝各制備 0.5 kg 焊錫膏(編號為a～h)。

1.3 測試項目及方法

1.3.1 助焊膏粒度測試

分別取等量a～h編號的助焊膏，均勻涂布于潔凈干燥的載玻片上。涂布厚度宜薄。將樣件置于體式顯微鏡下，以相同倍率查看助焊膏粒度，標(biāo)示出粒度大小。助焊膏粒度應(yīng)滿足90%的粒度<80 μm。

1.3.2 焊錫膏狀態(tài)觀察

觀察時，手持潔凈干燥的刮刀，攪拌焊錫膏1～2 min 后將其部分挑起，觀察焊錫膏的流動性以及細(xì)膩程度。焊錫膏細(xì)膩、有光澤，且具有較好的流動性時，判定為焊錫膏狀態(tài)較好。

1.3.3 焊錫膏黏度測試

按照J(rèn)IS Z 3284-3：2014標(biāo)準(zhǔn)對焊錫膏黏度進(jìn)行測試。為滿足SMT印刷作業(yè)要求，焊錫膏黏度在 160 Pa·s 為最佳，且黏度變化率應(yīng)<20%。

1.3.4 焊錫膏潤濕性測試

測試時，先用塑料刮刀按順時針方向攪拌焊錫膏1～2 min，再將 0.13 mm 厚度的鋼網(wǎng)覆于PCB板上并對齊網(wǎng)孔，使用印刷刮刀以45°角勻速將焊錫膏填滿鋼網(wǎng)孔洞，最后移開PCB板，將印刷好的PCB板置于無鉛熱風(fēng)回流爐中進(jìn)行回流焊接。焊接過程中，焊錫膏中的助焊膏發(fā)揮活性作用，有效去除焊盤表面的氧化物，增強焊料流動性，降低焊料合金的表面張力，增強焊盤與焊料間的潤濕性，幫助完成焊接[5]。焊接完成后在顯微鏡下觀察潤濕效果，焊錫膏潤濕性以焊點飽滿、無回縮退焊問題為最佳。

1.3.5 焊錫膏耐干性測試

測試時，各取 100 g 制備好的焊錫膏，將其置于高速離心機中連續(xù)離心 30 min，待離心結(jié)束且焊錫膏恢復(fù)至室溫后查看焊錫膏狀態(tài)。若焊錫膏經(jīng)連續(xù)高速離心 30 min 后細(xì)膩有光澤且具有較好流動性，則判定為焊錫膏耐干性較好；若離心后焊錫膏砂化甚至發(fā)干，則判定為焊錫膏耐干性差。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳化溫度的影響

2.1.1 助焊膏粒度

不同乳化溫度下制備4組助焊膏，編號為a～d，測試4組助焊膏研磨前的粒度，結(jié)果如圖1所示。

(a) (b)

由圖1可知，升高乳化溫度制備的助焊膏(a～d號)的粒度整體偏大，絕大多數(shù)助焊膏粒度>100 μm，且粒度大小一致性差。助焊膏粒度隨乳化溫度的升高而變小，乳化溫度從 95 ℃(a)升高至 105 ℃(c)時改善效果明顯，繼續(xù)升高至 110 ℃(d)時粒度較 105 ℃(c)無明顯改善。乳化溫度升高使固體性狀的原料熔化更加充分，從而有效減小了助焊膏粒度。就助焊膏粒度而言，105 ℃ 的乳化溫度已為最佳，繼續(xù)小幅度升高乳化溫度見效甚微。若大幅度升高乳化溫度，將由乳化工藝轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷睾铣晒に?，故暫?105 ℃ 選定為最佳乳化溫度。

2.1.2 焊錫膏狀態(tài)

不同乳化溫度制備的4組焊錫膏狀態(tài)如圖2所示。

(a) (b)

由圖2可知，a～d號焊錫膏均呈現(xiàn)出不同程度的粗糙狀態(tài)，且無光澤。a號焊錫膏近乎砂化，無流動性，狀態(tài)最差；c號焊錫膏亦呈現(xiàn)出明顯的粗糙感，但具有一定的流動性；d號焊錫膏粗糙程度最小，且具有流動性。隨著乳化溫度的升高，助焊膏粒度變小，進(jìn)而使得焊錫膏狀態(tài)得到一定程度的改善。

2.1.3 焊錫膏黏度

表4為乳化溫度改進(jìn)后制備的焊錫膏黏度測試結(jié)果。

表4 黏度測試結(jié)果

由表4可知，焊錫膏黏度隨著乳化溫度的升高而升高，乳化溫度為 95 ℃(a)時焊錫膏黏度最低，乳化溫度為 110 ℃(d)時焊錫膏黏度最高。乳化溫度由 95 ℃ 升高至 100 ℃ 時黏度上漲 12 Pa·s，上漲率為8.7%；乳化溫度由 100 ℃ 升高至 105 ℃ 時黏度上漲 10 Pa·s，上漲率為6.7%；乳化溫度由 105 ℃ 升高至 110 ℃ 時黏度上漲 4 Pa·s，上漲率為2.5%。通過黏度測試說明乳化溫度的設(shè)置對焊錫膏黏度影響顯著，乳化溫度升高使得助焊膏粒度變小，從而導(dǎo)致焊錫膏黏度上漲，但黏度上漲幅度在乳化溫度為 105 ℃～110 ℃ 時已趨于平緩。

2.1.4 焊錫膏潤濕性能

在顯微鏡下觀察焊錫膏在PCB板大焊盤上的潤濕情況如圖3所示。

(a) (b)

由圖3看出，a～d號大焊盤有部分印刷了焊錫膏的區(qū)域未被熔融焊料潤濕，焊點均有不同程度的回縮。助焊劑殘留大部分分布于焊點一側(cè)，且流至阻焊層上。因此說明a～d號焊錫膏的潤濕效果無明顯差異，且與乳化溫度的高低無明顯相關(guān)性。

2.1.5 焊錫膏耐干性

圖4為焊錫膏耐干性測試結(jié)果。由圖4可知，a、b號焊錫膏經(jīng)高速離心后無流動性，嚴(yán)重砂化；c號焊錫膏粗糙無光澤；d號焊錫膏粗糙程度最小，且具有一定的流動性，整體狀態(tài)最好。因此，適當(dāng)升高乳化溫度對焊錫膏耐干性有一定的改善效果。

(a) (b)

試驗通過對乳化溫度的改進(jìn)，結(jié)合乳化溫度改進(jìn)后助焊膏粒度、焊錫膏狀態(tài)、焊錫膏潤濕性和焊錫膏耐干性的測試結(jié)果，將 105 ℃ 選定為后續(xù)試驗的最佳乳化溫度。

2.2 結(jié)束溫度的影響

2.2.1 助焊膏粒度

不同結(jié)束溫度乳化工藝下制備的4組助焊膏(e～h)研磨前的粒度測試情況見圖5。

(e) (f)

由圖5可知，降低結(jié)束溫度(即延長乳化時間，e～h)試驗制備的助焊膏的粒度顯著變小，改善效果較升高乳化溫度明顯，絕大部分粒度在 50 μm 左右。隨著結(jié)束溫度的降低，助焊膏粒度逐漸變小，g和h號粒度無明顯變化。結(jié)束溫度降低(延長乳化時間)使得乳化過程中高速轉(zhuǎn)動的攪拌軸對物料的破碎程度提高，制備助焊膏粒度變小，但因在h號(40 ℃)結(jié)束溫度基礎(chǔ)上繼續(xù)降低溫度耗時長，故暫將結(jié)束溫度選定為 50 ℃。

2.2.2 焊錫膏狀態(tài)

圖6為降低結(jié)束溫度制備的焊錫膏的狀態(tài)。在最佳乳化溫度(105 ℃)和轉(zhuǎn)速不變的條件下降低結(jié)束溫度(e～h)，4組焊錫膏均有流動性，e號焊錫膏有輕微粗糙感，f～h號焊錫膏無粗糙感，更加細(xì)膩有光澤。

(e) (f)

升高乳化溫度和降低結(jié)束溫度均能對焊錫膏狀態(tài)起到一定的改善作用，兩種措施均能使助焊膏粒度變小，在經(jīng)相同碾磨工藝碾磨后達(dá)到更好地粒度范圍，進(jìn)而改善制備焊錫膏的狀態(tài)。

2.2.3 焊錫膏黏度

表5為結(jié)束溫度改進(jìn)后制備焊錫膏的黏度測試結(jié)果。

表5 黏度測試結(jié)果

由表5可知，焊錫膏黏度隨著結(jié)束溫度的降低而升高，但漲幅較??；結(jié)束溫度從 70 ℃(e)降低至 40 ℃(h)時，黏度僅上漲 8 Pa·s，上漲率為4.8%；相鄰溫度梯度的黏度上漲緩慢，黏度上漲幅度在結(jié)束溫度為 50 ℃(g)～40 ℃(h)時已趨于平緩。

2.2.4 焊錫膏潤濕性能測試

由圖7看出，有部分印刷了焊錫膏的區(qū)域未被熔融焊料潤濕，焊點均有不同程度的回縮。助焊劑殘留大部分分布于焊點一側(cè)且流至阻焊層上，潤濕效果無明顯差異且與結(jié)束溫度的高低無明顯相關(guān)性。

(e) (f)

2.2.5 焊錫膏耐干性

圖8為焊錫膏耐干性測試結(jié)果。

(e) (f)

由圖8可知，降低出鍋溫度(編號e～h，即延長乳化時間)對焊錫膏離心后狀態(tài)改善較升高乳化溫度效果顯著，e、f號呈現(xiàn)出輕微地粗糙感，焊錫膏有流動性；g、h號焊錫膏均細(xì)膩有光澤且具有較好的流動性。

試驗通過對結(jié)束溫度的改進(jìn)，結(jié)合結(jié)束溫度改進(jìn)后助焊膏粒度、焊錫膏狀態(tài)、焊錫膏潤濕性和焊錫膏耐干性的測試結(jié)果，將 50 ℃ 選定為乳化工藝最終的結(jié)束溫度。

3 結(jié)論

通過對乳化工藝中乳化溫度和結(jié)束溫度的優(yōu)化改進(jìn)，制備出助焊膏和焊錫膏，對助焊膏的粒度、焊錫膏的狀態(tài)、潤濕性能和耐干性進(jìn)行表征，得出如下結(jié)論：

1)升高乳化溫度和降低結(jié)束溫度(即延長乳化時間)均能有效減小助焊膏粒度，保證在相同碾磨工藝下碾磨后能夠達(dá)到更好的粒度效果。

2)升高乳化溫度和降低結(jié)束溫度均能改善焊錫膏狀態(tài)，焊錫膏狀態(tài)隨著乳化溫度的升高和結(jié)束溫度的降低變得更加細(xì)膩有光澤，結(jié)束溫度為 50 ℃ 時焊錫膏狀態(tài)達(dá)最佳。

3)升高乳化溫度和降低結(jié)束溫度對焊錫膏的潤濕性能無明顯改善。

4)升高乳化溫度和降低結(jié)束溫度對焊錫膏的耐干性有一定的改善作用。在選定最佳乳化溫度(105 ℃)的條件下降低出鍋溫度，使得焊錫膏離心后狀態(tài)由粗糙改善到細(xì)膩有光澤。結(jié)束溫度為 50 ℃ 時焊錫膏狀態(tài)達(dá)最佳，且對應(yīng)焊錫膏離心后狀態(tài)正常。