乳化工艺对无铅焊锡膏性能的影响*

2024-04-09熊晓娇柳丽敏何禹浩张文正

云南化工 2024年3期

熊晓娇，武信，柳丽敏，何欢，钱斌，何禹浩，张文正

(云南锡业新材料有限公司，云南昆明 650501)

焊锡膏主要用于电子产品的焊接。目前市场上的无铅焊锡膏以SnAgCu系列为主[1]。随着电子产品向数字化、超大规模集成化、微型化、精密化方面发展，对焊锡膏的质量提出了更高的要求[2]。助焊膏作为焊锡膏的辅料(质量分数为10%～20%)，不仅可以提供优良的助焊性能，而且还直接影响焊锡膏的印刷性能和储存寿命[3]。助焊膏还能净化焊接表面，辅助完成焊接，提高润湿性，防止焊接时表面再次氧化，降低焊料表面张力。助焊膏是保证焊锡膏质量以及优良工艺性的关键材料。可以说，助焊膏的品质直接影响表面贴装技术(Surface mounted technology，简称 SMT)整个工艺过程和产品的质量，而助焊膏的制备工艺直接影响助焊膏的整体性能，进而影响焊锡膏性能。目前，乳化工艺更多的是应用于炸药和日化产品的生产，而关于制备助焊膏乳化工艺研究的文献却鲜有发现。随着电子焊料的需求日益增加，对助焊膏的需求也逐日上涨，优化助焊膏的制备工艺，能有效减少人力和时间的投入，提高产量，且更有利于对助焊膏质量的把控，对乳化工艺进行优化改进意义重大且亟待解决。

1 实验部分

1.1 材料及仪器设备

材料：松香、有机酸、溶剂、触变剂、抗氧剂、Sn96.5Ag3.0Cu0.5合金、Type4(20～38 μm)规格焊锡粉、PCB(Printed Circuit Board)板、载玻片等。

仪器设备：电子天平，乳化机，三辊碾磨机，ACM-5LV爱公社搅拌机，IPC-A-21金属模板，无铅热风回流炉，Stemi-508型体式显微镜，离心机。

1.2 实验步骤

1.2.1 助焊膏制备

按助焊膏配方精确称取各物料。将松香和溶剂加入反应釜中，设置乳化温度，通过反应釜夹层中通导热油的方法进行加热，设置搅拌轴转速，从视镜观察反应釜内情况，待松香被分散至无大颗粒物后，按顺序从加料口依次加入后续物料。加热结束后，关闭加热，边搅拌边降温，待釜内原料冷却至结束温度时停止搅拌；将助焊膏倒入容器内密封冷却至室温备用[4]。改进前小试乳化工艺参数见表1。

表1 小试乳化工艺参数

在小试乳化工艺(表1)参数的基础上，保持 70 ℃ 的结束温度和 800 r/min 的搅拌速率不变，将乳化温度设置从 95 ℃ 梯度升高至 110 ℃。以 5 ℃ 为一个温度梯度，制备助焊膏及对应焊锡膏，编号为a～d(详见表2)，将制备的助焊膏经同一碾磨工艺碾磨备用。

表2 乳化温度改进

通过乳化温度改进试验，确定最佳乳化温度，保持 105 ℃ 的最佳乳化温度和 800 r/min 的搅拌速率不变，将乳化工艺的结束温度从 70 ℃ 降低至 40 ℃。每降低 10 ℃ 为一个温度梯度，制备助焊膏及对应焊锡膏，编号为e～h(详见表3)，将制备的助焊膏经同一碾磨工艺碾磨备用。

表3 结束温度改进

1.2.2 焊锡膏制备

以11.5%的助焊膏比例，将8组碾磨后的助焊膏(编号为a～h)分别与同一批次Sn96.5Ag3.0Cu0.5合金Type 4规格焊锡粉混合，按相同的搅拌工艺各制备 0.5 kg 焊锡膏(编号为a～h)。

1.3 测试项目及方法

1.3.1 助焊膏粒度测试

分别取等量a～h编号的助焊膏，均匀涂布于洁净干燥的载玻片上。涂布厚度宜薄。将样件置于体式显微镜下，以相同倍率查看助焊膏粒度，标示出粒度大小。助焊膏粒度应满足90%的粒度<80 μm。

1.3.2 焊锡膏状态观察

观察时，手持洁净干燥的刮刀，搅拌焊锡膏1～2 min 后将其部分挑起，观察焊锡膏的流动性以及细腻程度。焊锡膏细腻、有光泽，且具有较好的流动性时，判定为焊锡膏状态较好。

1.3.3 焊锡膏黏度测试

按照JIS Z 3284-3：2014标准对焊锡膏黏度进行测试。为满足SMT印刷作业要求，焊锡膏黏度在 160 Pa·s 为最佳，且黏度变化率应<20%。

1.3.4 焊锡膏润湿性测试

测试时，先用塑料刮刀按顺时针方向搅拌焊锡膏1～2 min，再将 0.13 mm 厚度的钢网覆于PCB板上并对齐网孔，使用印刷刮刀以45°角匀速将焊锡膏填满钢网孔洞，最后移开PCB板，将印刷好的PCB板置于无铅热风回流炉中进行回流焊接。焊接过程中，焊锡膏中的助焊膏发挥活性作用，有效去除焊盘表面的氧化物，增强焊料流动性，降低焊料合金的表面张力，增强焊盘与焊料间的润湿性，帮助完成焊接[5]。焊接完成后在显微镜下观察润湿效果，焊锡膏润湿性以焊点饱满、无回缩退焊问题为最佳。

1.3.5 焊锡膏耐干性测试

测试时，各取 100 g 制备好的焊锡膏，将其置于高速离心机中连续离心 30 min，待离心结束且焊锡膏恢复至室温后查看焊锡膏状态。若焊锡膏经连续高速离心 30 min 后细腻有光泽且具有较好流动性，则判定为焊锡膏耐干性较好；若离心后焊锡膏砂化甚至发干，则判定为焊锡膏耐干性差。

2 结果与讨论

2.1 乳化温度的影响

2.1.1 助焊膏粒度

不同乳化温度下制备4组助焊膏，编号为a～d，测试4组助焊膏研磨前的粒度，结果如图1所示。

(a) (b)

由图1可知，升高乳化温度制备的助焊膏(a～d号)的粒度整体偏大，绝大多数助焊膏粒度>100 μm，且粒度大小一致性差。助焊膏粒度随乳化温度的升高而变小，乳化温度从 95 ℃(a)升高至 105 ℃(c)时改善效果明显，继续升高至 110 ℃(d)时粒度较 105 ℃(c)无明显改善。乳化温度升高使固体性状的原料熔化更加充分，从而有效减小了助焊膏粒度。就助焊膏粒度而言，105 ℃ 的乳化温度已为最佳，继续小幅度升高乳化温度见效甚微。若大幅度升高乳化温度，将由乳化工艺转变为高温合成工艺，故暂将 105 ℃ 选定为最佳乳化温度。

2.1.2 焊锡膏状态

不同乳化温度制备的4组焊锡膏状态如图2所示。

(a) (b)

由图2可知，a～d号焊锡膏均呈现出不同程度的粗糙状态，且无光泽。a号焊锡膏近乎砂化，无流动性，状态最差；c号焊锡膏亦呈现出明显的粗糙感，但具有一定的流动性；d号焊锡膏粗糙程度最小，且具有流动性。随着乳化温度的升高，助焊膏粒度变小，进而使得焊锡膏状态得到一定程度的改善。

2.1.3 焊锡膏黏度

表4为乳化温度改进后制备的焊锡膏黏度测试结果。

表4 黏度测试结果

由表4可知，焊锡膏黏度随着乳化温度的升高而升高，乳化温度为 95 ℃(a)时焊锡膏黏度最低，乳化温度为 110 ℃(d)时焊锡膏黏度最高。乳化温度由 95 ℃ 升高至 100 ℃ 时黏度上涨 12 Pa·s，上涨率为8.7%；乳化温度由 100 ℃ 升高至 105 ℃ 时黏度上涨 10 Pa·s，上涨率为6.7%；乳化温度由 105 ℃ 升高至 110 ℃ 时黏度上涨 4 Pa·s，上涨率为2.5%。通过黏度测试说明乳化温度的设置对焊锡膏黏度影响显著，乳化温度升高使得助焊膏粒度变小，从而导致焊锡膏黏度上涨，但黏度上涨幅度在乳化温度为 105 ℃～110 ℃ 时已趋于平缓。

2.1.4 焊锡膏润湿性能

在显微镜下观察焊锡膏在PCB板大焊盘上的润湿情况如图3所示。

(a) (b)

由图3看出，a～d号大焊盘有部分印刷了焊锡膏的区域未被熔融焊料润湿，焊点均有不同程度的回缩。助焊剂残留大部分分布于焊点一侧，且流至阻焊层上。因此说明a～d号焊锡膏的润湿效果无明显差异，且与乳化温度的高低无明显相关性。

2.1.5 焊锡膏耐干性

图4为焊锡膏耐干性测试结果。由图4可知，a、b号焊锡膏经高速离心后无流动性，严重砂化；c号焊锡膏粗糙无光泽；d号焊锡膏粗糙程度最小，且具有一定的流动性，整体状态最好。因此，适当升高乳化温度对焊锡膏耐干性有一定的改善效果。

(a) (b)

试验通过对乳化温度的改进，结合乳化温度改进后助焊膏粒度、焊锡膏状态、焊锡膏润湿性和焊锡膏耐干性的测试结果，将 105 ℃ 选定为后续试验的最佳乳化温度。

2.2 结束温度的影响

2.2.1 助焊膏粒度

不同结束温度乳化工艺下制备的4组助焊膏(e～h)研磨前的粒度测试情况见图5。

(e) (f)

由图5可知，降低结束温度(即延长乳化时间，e～h)试验制备的助焊膏的粒度显著变小，改善效果较升高乳化温度明显，绝大部分粒度在 50 μm 左右。随着结束温度的降低，助焊膏粒度逐渐变小，g和h号粒度无明显变化。结束温度降低(延长乳化时间)使得乳化过程中高速转动的搅拌轴对物料的破碎程度提高，制备助焊膏粒度变小，但因在h号(40 ℃)结束温度基础上继续降低温度耗时长，故暂将结束温度选定为 50 ℃。

2.2.2 焊锡膏状态

图6为降低结束温度制备的焊锡膏的状态。在最佳乳化温度(105 ℃)和转速不变的条件下降低结束温度(e～h)，4组焊锡膏均有流动性，e号焊锡膏有轻微粗糙感，f～h号焊锡膏无粗糙感，更加细腻有光泽。