淺析SMT焊膏質(zhì)量與測試

摘??要：隨著電子封裝向高性能、高密度、微型化的發(fā)展，焊膏材料和技術顯得極為重要。本文討論了表面安裝技術（SMT）焊膏的焊粉質(zhì)量、焊劑載體要求以及焊膏的基本性能測試。?

關鍵詞：焊膏、焊粉、焊劑載體

The?Quality?and?Testing?of?Solder?Paste?for?SMT

Abstract:?Because?of?the?development?of?high?density,?high?performance?and?miniaturization?in?electronic?packaging,?solder?paste?material?and?technology?become?more?and?more?important.?This?paper?discussed?the?quality?of?SMT?solder?paste,?including?powder?preparation,?flux?vehicle?formulation?and?basic?testing.

Keywords:?solder?paste,?solder?powder,?flux?vehicle

1引言

焊膏是由合金焊粉、焊劑載體等組成的膏狀穩(wěn)定混合物。在表面安裝技術中起到粘固元件，促進焊料潤濕，清除氧化物、硫化物、微量雜質(zhì)和吸附層，保護表面防止再次氧化，形成牢固的冶金結合等作用。焊膏印刷是SMT的第一道工序，它影響著后續(xù)的貼片、再流焊、清洗、測試等工藝，并直接決定著產(chǎn)品的可靠性。據(jù)統(tǒng)計，電子產(chǎn)品72％的缺陷和失效與焊膏相關，因而焊膏的性能對于SMT來說是至關重要的。隨著細間距(FPT)、球柵陣列(BGA)、免清洗（NC）、0201等技術的迅速發(fā)展，以及有關法規(guī)對某些損害環(huán)境和健康的材料的限制或者禁止，對焊膏的成分與性能要求越來越高。在市場、環(huán)保、法律因素的約束和推動下，國內(nèi)外的各種組織、科研機構和公司對焊膏的研究與開發(fā)日益深入。

2合金焊粉

焊粉的關鍵性能參數(shù)有形狀、尺寸分布和含氧量，而這些又取決于制粉技術。其制造方法主要有霧化法（如離心霧化、超聲霧化、多級快冷等）和化學電解沉積兩類方法[1]。我們采用了簡易的流體真空噴霧法，其基本原理是：在真空條件下，用感應加熱熔融Sn63Pb37合金焊料棒，然后將金屬液流用高速高壓的噴射氮氣擊碎而霧化為細小的金屬液滴，然后在冷卻媒質(zhì)中快速冷卻凝固成為粉末，最后進行分級和收集。霧化法冷卻速度極快，大幅度減小了合金成分偏析，增加了合金固溶能力，成形粉末均勻細小。由于采用保護氣氛，含氧量低。這種方法還具有球形率高、尺寸分布范圍小、污染小等優(yōu)點。不同方法制備的焊粉形貌如圖1(a)至(e)所示。圖1?(a)中焊粉呈疏松多孔的海綿狀，不能使用。焊粉形狀最好是球形或者類球形，如圖1?(f)[2]。球形焊粉的比表面小，能量低，在制造、存儲和印刷中不易氧化，而且印刷時不會堵塞網(wǎng)孔。焊粉的氧化會導致可焊性差、橋接、焊錫球等缺陷。圖1?(b)中焊粉尺寸分布不均，球與球之間有粘接，形狀不規(guī)則，而且球的表面不光滑，有“小衛(wèi)星”顆粒和孔洞，見圖1?(d)，也不能使用。球的表面缺陷會導致在焊接過程中受熱升溫速度不一致、孔洞中殘留氣體、焊料飛濺形成焊珠等焊接問題。由Stokes公式F=6pahv（F是半徑為a的球形顆粒以速度v在黏性為h的介質(zhì)中運動所受的力）可知，尺寸分布的變化直接影響著焊膏的粘性、流變性能，繼而影響到印刷質(zhì)量。圖1(c)為比較規(guī)則的球形焊粉，但還是有一些粘連。圖1(e)是規(guī)則焊粉表面形貌，其中黑色的為富錫相，而亮區(qū)為富鉛相。圖1?(f)則為AMT公司的-325/+500目的規(guī)則球形焊粉。SMT焊膏常用的焊粉為光滑球形，尺寸分布為20~75微米，氧含量低于0.3％。

???
（a）極其不規(guī)則焊粉????????（b）不規(guī)則焊粉???????????（c）較規(guī)則焊粉

????
（d）?b中A球表面孔洞???（e）較規(guī)則焊粉表面????????（f）規(guī)則球形焊粉

3焊劑載體

免清洗要求焊劑載體保持傳統(tǒng)焊膏功能外，還要具備揮發(fā)性好、焊后殘留物少、無腐蝕、薄膜堅硬呈惰性等特點。焊劑載體在焊膏中的比重一般為10％~20％，體積百分比為50~60％。作為焊粉載體，它起到結合劑、助熔劑、流變控制劑和懸浮劑等作用。它由成膜物質(zhì)、溶劑、活化劑（表面活性劑、催化劑）、緩蝕劑、穩(wěn)定劑、抗氧化劑、觸變劑等組成。為了達到免清洗效果，建議固形物、溶劑、活性劑分別占焊劑載體的25％、50％、10％左右。固形物采用熱固性樹脂以及人造合成樹脂，焊后在焊點表面形成堅硬而透明的薄膜。一般應采用多元醇類的混合物作為溶劑，建議選用高（約230℃）低（約160℃）沸點、高（30~1000cps）低（3~20cps）粘度的醇類調(diào)配成一定的粘性溶劑，使之在一個較寬的溫度范圍內(nèi)具有相應的揮發(fā)速度，且150~220℃之間揮發(fā)應由慢到快。對于低沸點醇，由于揮發(fā)性較好，容易導致焊膏發(fā)干失去粘性，使工作壽命縮短；而高沸點醇有增稠和“保濕”作用，可改善工作壽命和印刷性能，但是容易吸濕，揮發(fā)也不徹底?；钚詣┦褂糜袡C弱酸而不使用傳統(tǒng)的含鹵素的活性劑，以達到焊后腐蝕性小的特點。為了彌補活性不足，可使用分子結構帶有烷基和羥基的二元羧酸。對焊劑載體質(zhì)量占9％的焊膏進行的熱分析(圖2)發(fā)現(xiàn)：在100~150℃之間揮發(fā)很快，在212℃附近也有較大的揮發(fā)。表明在預熱區(qū)(125~150℃)和焊接區(qū)其不同組分分別起到了清洗和活化被焊表面的作用，然后揮發(fā)，符合工業(yè)中典型的再流焊溫度工藝曲線要求。而到220℃時，重量百分比只有95％，殘留物較少，且呈一層堅硬透明的薄膜，不必清洗。

4基本性能測試

4.1粘度及其特性

焊膏的粘度主要與其中的粉末含量、粉末尺寸、焊劑粘度相關[3](見表1)，對粘度的要求隨應用方法的不同而異。粘度太高，會粘連網(wǎng)孔；太低無法保形且無法粘固元器件。焊膏是一種假塑性流體，有觸變性。其粘度隨時間、溫度、剪切強度等因素而發(fā)生變化。根據(jù)IPC-TM-650（2.4.34）測試方法，在25±1℃下，采用NDJ-7型旋轉(zhuǎn)式粘度計以7.5轉(zhuǎn)/分鐘連續(xù)旋轉(zhuǎn)2分鐘，穩(wěn)定后讀數(shù)，幾種常用進口焊膏的粘度都在600~730Pa.s范圍內(nèi)，適合于模板印刷。由于焊劑載體物質(zhì)含有很多羥基、烷基、以及羧基，所以氫鍵很重，通過加入一定量的氫化蓖麻油在攪拌和剪切時破壞氫鍵，可達到圖3的觸變性[4]（切變變?。┬ЧＲ话銓⒂|變劑控制在7％左右，以便于攪拌、漏印、流平、抗塌落和粘固元件。

表1焊膏金屬含量、粘度、尺寸分布以及用途

金屬含量???????粘度

（Pa.s）?尺寸

（mm）?主?要?用?途

90％??????600～1000????40-75???????一般模板印刷

90％??????400～600??????20-36???????細間距絲網(wǎng)印刷

85％??????400～600??????20-45???????一般絲網(wǎng)印刷

80％??????300～400??????20-45???????定量分配器注射

75％??????200－300??????40-75???????針頭轉(zhuǎn)移滴送

4.2塌落

焊膏印刷后，在一定溫度和濕度條件下，由于重力和表面張力的作用，導致圖形塌落并從最初邊界向外界擴展。這種塌落會引起焊膏的流溢，導致焊接過程中的引腳間橋接缺陷。根據(jù)IPC-TM-650（2.4.35）采用IPC-A-21圖案，進行了冷塌和熱塌試驗。在25±5℃、RH(50±10)%環(huán)境中停留10分鐘的塌落情形見圖4(a)。然后在150±10℃金屬熱板上放置10分鐘，其塌落見圖4(b)。圖4?(a)只有邊距為0.06mm的相鄰圖形之間，圖4(b)只有0.06mm和0.10mm之間發(fā)生橋連，表明抗冷塌和熱塌性能良好，主要是選用了熱固性樹脂和表面張力比較大的醇類的原因。

4.3細間距印刷

細間距印刷要求焊粉尺寸分布為20～36微米，否則影響均勻性和分辨率，甚至堵塞網(wǎng)孔；同時要有很好的保形性，防止流溢、塌落等發(fā)生。圖5是間距為0.4mm，厚度0.2mm的印刷圖形。圖5(a)是剛剛印刷后的掃描圖形，圖5(b)是圖5(a)在150℃保持10分鐘的情形。二者均勻完整、分辨率較好，沒有鋪散、橋聯(lián)等現(xiàn)象。

4.4焊錫球

焊錫球的形成與焊粉氧化、焊劑活性、焊粉尺寸均勻性、焊膏吸濕性、雜質(zhì)等密切相關。圖6是按照IPC-TM-650（2.4.43）測試的焊料球結果。其中圖6(a)是在不潤濕陶瓷基片上剛剛印刷的掃描圖形；圖6(b)是免洗焊膏是在208℃保持20秒鐘的情形。因表面張力和焊劑載體與焊粉間的潤濕作用“縮回”效果好，因此顏色淺；圖6(c)是普通焊膏的相應情形，殘留較多，因而顏色較深；圖6(d)的情況則完全不合格，主要是在空氣中放置了6小時，因揮發(fā)和吸濕導致了大顆粒焊珠的形成。

5結語

總之，焊膏看似普通平常，在電子封裝工業(yè)中卻起著舉足輕重的作用。設計、制備、應用以及管理人員應該加以充分的重視。開發(fā)研制新型優(yōu)質(zhì)的焊膏、積極優(yōu)化質(zhì)量與工藝，對我國的電子組裝工業(yè)有積極的意義。