关键词：焊膏、焊粉、焊剂载体
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、焊剂载体等组成的膏状稳定混合物。在表面安装技术中起到粘固元件，促进焊料润湿，清除氧化物、硫化物、微量杂质和吸附层，保护表面防止再次氧化，形成牢固的冶金结合等作用。焊膏印刷是SMT的第一道工序，它影响着后续的贴片、再流焊、清洗、测试等工艺，并直接决定着产品的可靠性。据统计，电子产品72％的缺陷和失效与焊膏相关，因而焊膏的性能对于SMT来说是至关重要的。随着细间距(FPT)、球栅阵列(BGA)、免清洗（NC）、0201等技术的迅速发展，以及有关法规对某些损害环境和健康的材料的限制或者禁止，对焊膏的成分与性能要求越来越高。在市场、环保、法律因素的约束和推动下，国内外的各种组织、科研机构和公司对焊膏的研究与开发日益深入。
2合金焊粉
焊粉的关键性能参数有形状、尺寸分布和含氧量，而这些又取决于制粉技术。其制造方法主要有雾化法（如离心雾化、超声雾化、多级快冷等）和化学电解沉积两类方法[1]。我们采用了简易的流体真空喷雾法，其基本原理是：在真空条件下，用感应加热熔融Sn63Pb37合金焊料棒，然后将金属液流用高速高压的喷射氮气击碎而雾化为细小的金属液滴，然后在冷却媒质中快速冷却凝固成为粉末，最后进行分级和收集。雾化法冷却速度极快，大幅度减小了合金成分偏析，增加了合金固溶能力，成形粉末均匀细小。由于采用保护气氛，含氧量低。这种方法还具有球形率高、尺寸分布范围小、污染小等优点。不同方法制备的焊粉形貌如图1(a)至(e)所示。图1 (a)中焊粉呈疏松多孔的海绵状，不能使用。焊粉形状最好是球形或者类球形，如图1 (f)[2]。球形焊粉的比表面小，能量低，在制造、存储和印刷中不易氧化，而且印刷时不会堵塞网孔。焊粉的氧化会导致可焊性差、桥接、焊锡球等缺陷。图1 (b)中焊粉尺寸分布不均，球与球之间有粘接，形状不规则，而且球的表面不光滑，有“小卫星”颗粒和孔洞，见图1 (d)，也不能使用。球的表面缺陷会导致在焊接过程中受热升温速度不一致、孔洞中残留气体、焊料飞溅形成焊珠等焊接问题。由Stokes公式F=6pahv（F是半径为a的球形颗粒以速度v在黏性为h的介质中运动所受的力）可知，尺寸分布的变化直接影响着焊膏的粘性、流变性能，继而影响到印刷质量。图1(c)为比较规则的球形焊粉，但还是有一些粘连。图1(e)是规则焊粉表面形貌，其中黑色的为富锡相，而亮区为富铅相。图1 (f)则为AMT公司的-325/+500目的规则球形焊粉。SMT焊膏常用的焊粉为光滑球形，尺寸分布为20~75微米，氧含量低于0.3％。
（a）极其不规则焊粉 （b）不规则焊粉 （c）较规则焊粉
（d） b中A球表面孔洞 （e）较规则焊粉表面 （f）规则球形焊粉
图1 Sn63Pb37焊粉形貌比较SEM图
3焊剂载体
免清洗要求焊剂载体保持传统焊膏功能外，还要具备挥发性好、焊后残留物少、无腐蚀、薄膜坚硬呈惰性等特点。焊剂载体在焊膏中的比重一般为10％~20％，体积百分比为50~60％。作为焊粉载体，它起到结合剂、助熔剂、流变控制剂和悬浮剂等作用。它由成膜物质、溶剂、活化剂（表面活性剂、催化剂）、缓蚀剂、稳定剂、抗氧化剂、触变剂等组成。为了达到免清洗效果，建议固形物、溶剂、活性剂分别占焊剂载体的25％、50％、10％左右。固形物采用热固性树脂以及人造合成树脂，焊后在焊点表面形成坚硬而透明的薄膜。一般应采用多元醇类的混合物作为溶剂，建议选用高（约230℃）低（约160℃）沸点、高（30~1000cps）低（3~20cps）粘度的醇类调配成一定的粘性溶剂，使之在一个较宽的温度范围内具有相应的挥发速度，且150~220℃之间挥发应由慢到快。对于低沸点醇，由于挥发性较好，容易导致焊膏发干失去粘性，使工作寿命缩短；而高沸点醇有增稠和“保湿”作用，可改善工作寿命和印刷性能，但是容易吸湿，挥发也不彻底。活性剂使用有机弱酸而不使用传统的含卤素的活性剂，以达到焊后腐蚀性小的特点。为了弥补活性不足，可使用分子结构带有烷基和羟基的二元羧酸。对焊剂载体质量占9％的焊膏进行的热分析(图2)发现：在100~150℃之间挥发很快，在212℃附近也有较大的挥发。表明在预热区(125~150℃)和焊接区其不同组分分别起到了清洗和活化被焊表面的作用，然后挥发，符合工业中典型的再流焊温度工艺曲线要求。而到220℃时，重量百分比只有95％，残留物较少，且呈一层坚硬透明的薄膜，不必清洗。
图2 一种免清洗焊膏的热重分析曲线
4基本性能测试
4.1粘度及其特性
焊膏的粘度主要与其中的粉末含量、粉末尺寸、焊剂粘度相关[3](见表1)，对粘度的要求随应用方法的不同而异。粘度太高，会粘连网孔；太低无法保形且无法粘固元器件。焊膏是一种假塑性流体，有触变性。其粘度随时间、温度、剪切强度等因素而发生变化。根据IPC-TM-650（2.4.34）测试方法，在25±1℃下，采用NDJ-7型旋转式粘度计以7.5转/分钟连续旋转2分钟，稳定后读数，几种常用进口焊膏的粘度都在600~730Pa.s范围内，适合于模板印刷。由于焊剂载体物质含有很多羟基、烷基、以及羧基，所以氢键很重，通过加入一定量的氢化蓖麻油在搅拌和剪切时破坏氢键，可达到图3的触变性[4]（切变变稀）效果。一般将触变剂控制在7％左右，以便于搅拌、漏印、流平、抗塌落和粘固元件。
表1焊膏金属含量、粘度、尺寸分布以及用途
金属含量 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 细间距丝网印刷
85％ 400～600 20-45 一般丝网印刷
80％ 300～400 20-45 定量分配器注射
75％ 200－300 40-75 针头转移滴送
图3焊膏使用过程中粘度变化
4.2塌落
焊膏印刷后，在一定温度和湿度条件下，由于重力和表面张力的作用，导致图形塌落并从最初边界向外界扩展。这种塌落会引起焊膏的流溢，导致焊接过程中的引脚间桥接缺陷。根据IPC-TM-650（2.4.35）采用IPC-A-21图案，进行了冷塌和热塌试验。在25±5℃、RH(50±10)%环境中停留10分钟的塌落情形见图4(a)。然后在150±10℃金属热板上放置10分钟，其塌落见图4(b)。图4 (a)只有边距为0.06mm的相邻图形之间，图4(b)只有0.06mm和0.10mm之间发生桥连，表明抗冷塌和热塌性能良好，主要是选用了热固性树脂和表面张力比较大的醇类的原因。
4.3细间距印刷
细间距印刷要求焊粉尺寸分布为20～36微米，否则影响均匀性和分辨率，甚至堵塞网孔；同时要有很好的保形性，防止流溢、塌落等发生。图5是间距为0.4mm，厚度0.2mm的印刷图形。图5(a)是刚刚印刷后的扫描图形，图5(b)是图5(a)在150℃保持10分钟的情形。二者均匀完整、分辨率较好，没有铺散、桥联等现象。
4.4焊锡球
焊锡球的形成与焊粉氧化、焊剂活性、焊粉尺寸均匀性、焊膏吸湿性、杂质等密切相关。图6是按照IPC-TM-650（2.4.43）测试的焊料球结果。其中图6(a)是在不润湿陶瓷基片上刚刚印刷的扫描图形；图6(b)是免洗焊膏是在208℃保持20秒钟的情形。因表面张力和焊剂载体与焊粉间的润湿作用“缩回”效果好，因此颜色浅；图6(c)是普通焊膏的相应情形，残留较多，因而颜色较深；图6(d)的情况则完全不合格，主要是在空气中放置了6小时，因挥发和吸湿导致了大颗粒焊珠的形成。
5结语
总之，焊膏看似普通平常，在电子封装工业中却起着举足轻重的作用。设计、制备、应用以及管理人员应该加以充分的重视。开发研制新型优质的焊膏、积极优化质量与工艺，对我国的电子组装工业有积极的意义。