The Selection of Solder Paste in Electronic Assembly

摘   要： 焊膏是焊料閤金粉末與助焊劑的混閤物，其質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)印刷效果有極其重要的影響，特彆是無鉛化工工藝中。本文介紹瞭焊膏的組成、隻要性能要求及其影響因素，我們對(duì)目前常用的焊料閤金和助焊劑的性能和使用效果進(jìn)行總結(jié)，併對(duì)不衕行業(yè)所適用的焊膏類型進(jìn)行瞭論述。

關(guān)鍵詞： 無鉛化；焊膏；焊料閤金；助焊劑；應(yīng)用

Abstract:   Solder paste is a compound of solder alloy and flux, and its quality affects printing The main factors that infect the performance of solder paste are introduced. The performance of different solder and flux which in common use at present are contrasted. Some suggestions about the selection of lead-free solder paste in PCB assembly are provided.

Keyword:  Lead-free; Solder Paste; Solder Alloy; Flux; Application

   焊膏是將焊料閤金粉末與助焊劑混閤而成的一種漿料，通常閤金比重佔(zhàn) 90% 左右，其餘部分爲(wèi)助焊劑。焊膏是一箇複雜的物料繫統(tǒng)，製造過程涉及流體力學(xué)、金屬冶鍊學(xué)、有機(jī)化學(xué)和物理學(xué)等綜閤知識(shí)。焊膏的選擇和使用至關(guān)重要，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，電子産品品質(zhì)缺陷有 70% 左右與焊膏印刷有關(guān)。無鉛化後此問題更加嚴(yán)重，其中由於焊膏的選擇不當(dāng)而導(dǎo)緻的品質(zhì)問題及可靠性問題非常明顯。

1.        焊膏的組成

              焊膏是伴隨著 SMT 應(yīng)用而産生的一種新型材料，也是錶麵組裝生産中極爲(wèi)重要的輔助材料，其質(zhì)量的好壞直接關(guān)繫到 SMA 品質(zhì)的好壞，因此受到工程師的廣泛重視。錶 1 爲(wèi)焊膏的基本組成，其中觸變劑在有些文獻(xiàn)中被列爲(wèi)?yīng)毩⒁活?。不衕的設(shè)計(jì)有不衕的用途和使用範(fàn)圍， SMT 工程師在選擇時(shí)必鬚明確其所用於何種産品；軍品還是民品，要求清洗還是免清洗等。

錶 1 焊膏的基本組成

2. 焊膏的性能要求

焊膏在電子組裝過程中的不衕工藝階段有不衕的性能要求：使用前焊膏應(yīng)具有較長(zhǎng)的儲(chǔ)存壽命，在一定時(shí)間內(nèi)不髮生化學(xué)變化，不髮生焊料與助焊劑分離，不髮生黏度變化，併且要求吸濕性小、低毒、無腐蝕性；印刷時(shí)應(yīng)具有良好的印刷性能，包括順利填充模闆且無溢齣，脫模順利且不堵塞模闆開孔或點(diǎn)塗管嘴；成型要好無重大形狀缺陷，放置一段時(shí)間後不髮生塌陷；具有較長(zhǎng)的工作壽命，印刷後放置於常溫下可保持在一定的時(shí)間內(nèi)不變質(zhì)；迴流焊接是應(yīng)具有良好的潤(rùn)濕性能，焊料在母材上鋪展良好；不髮生飛濺現(xiàn)象，盡量減少焊接過程中産生的焊料球；焊後應(yīng)具有良好的焊接強(qiáng)度，確保時(shí)間組裝的可靠性；焊後殘留物有良好的穩(wěn)定性，絶緣且無腐蝕作用，且易於清洗。尤其是焊接過程中所需的要求，如圖 1 所示，焊接過程中焊膏活化溫度必鬚覆蓋整箇釺焊溫度，一般從 80 ℃開始髮揮到冷卻後 180 ℃ { 無鉛 } 或 150 ℃ { 有鉛 } ，整箇變化過程中助焊劑焊後重量損失率可達(dá) 94.48% 。

圖 1  焊接過程中焊膏重量損失率

根據(jù)以上要求，選擇焊膏時(shí)必鬚從材料特性和工藝特性進(jìn)行考慮，併依據(jù)測(cè)試方法進(jìn)行評(píng)估。焊膏材料特性包括顆粒度、黏度、熔點(diǎn)及錶麵絶緣電阻等，工藝特性包括可印刷性、抗熱塌性、潤(rùn)濕性、焊球可控性、可檢查性 { 探針測(cè)試 } 、可靠性 { 絶緣電阻及電遷測(cè)試 } 及抗腐蝕性等 { 影響模闆壽命及焊點(diǎn)質(zhì)量 } 。從目前企業(yè)實(shí)際情況來看，大多數(shù)都不具備檢測(cè)能力。因此對(duì)技術(shù)人員來説，通過日常的經(jīng)驗(yàn)積纍，掌握焊膏的經(jīng)驗(yàn)判斷方法是可行的。 （1）焊料顆粒是將閤金熔化後，通過高壓惰性氣體噴霧或超聲波霧化形成，再通過多次過篩得到統(tǒng)一的尺寸，其形狀、大小及比重對(duì)於焊膏的黏度及印刷性有直接的影響。韓料顆粒形狀分爲(wèi)無規(guī)則和球形兩種，無規(guī)則顆粒焊膏黏度更高，因爲(wèi)顆粒直接由著“互鎖”作用導(dǎo)緻流動(dòng)性差，而球形顆粒的延展性更高。焊料顆粒太大不易印刷，太小則會(huì)增加單位體積的焊膏錶麵積而易被氧化，造成空洞、焊球等缺陷。衕時(shí)由於佈線、阻焊膜、元件標(biāo)記、加工精度及印刷機(jī)導(dǎo)緻水平度的影響，印刷時(shí) PCB 焊盤與鋼網(wǎng)之間存在的間隙很容易漏齣過小的顆粒造成沾汙。不衕閤金比重的焊膏印刷工藝窗口是不衕的，比重太小會(huì)增加塌陷及針孔的齣現(xiàn)，過高會(huì)使焊膏印刷性變差，一般模闆漏印閤金顆粒佔(zhàn)焊膏總重量的 88%~91% ，對(duì)於點(diǎn)塗等註射方法，含量可低至 80%~85% 。驗(yàn)證焊膏顆?？赏ㄟ^顯微鏡 { 帶分析設(shè)備 } 對(duì)所攝像範(fàn)圍內(nèi)的顆粒直徑進(jìn)行測(cè)量，蔘考 J-STD-006 來判斷。

（2） 焊膏是一種假塑性流體，有觸變性。其粘度隨時(shí)間、溫度、剪切強(qiáng)度等因素而髮生變化，與閤金粉末含量。尺寸及焊劑黏度太大容易粘住網(wǎng)孔，太小無法粘住元件，一般模闆漏印採(cǎi)用的黏度介於 700~1300Pa ． s 之間，絲網(wǎng)漏印和點(diǎn)塗一般可低於 300Pa ． s 。黏度試驗(yàn)主要測(cè)試焊膏黏度、印刷過程中黏度變化率及觸變繫數(shù)。黏度測(cè)試可蔘考 IPC-TM-650 或 J-STD-005 ，觸變繫數(shù)一般爲(wèi) 0.5~0.6 。

（3） 焊膏可印刷性是評(píng)估焊膏在印刷到線路闆時(shí)的沈積高度和印刷效果。印刷高度評(píng)估時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)方差計(jì)祘，取標(biāo)準(zhǔn)差最小的，可穫得一緻性好的焊膏。印刷效果主要看印刷圖邊緣是否平整，有無拉尖、缺損、橋連現(xiàn)象，併記録取最終最佳印刷效果、值得註意的是印刷效果所用模闆應(yīng)具有圓形和矩形孔，矩形孔鬚有水平、垂直及 45 °三箇方曏。

（4） 焊膏保型性是評(píng)估焊膏印刷後在一定溫度及濕度條件下，由於重力及焊劑錶麵張力作用而導(dǎo)緻焊膏塌陷圖形模糊，引起的焊接時(shí)引腳橋連缺陷。塌陷測(cè)試可蔘考 IPC-TM-650 。

（5） 焊膏潤(rùn)濕性是評(píng)估焊膏在焊盤錶麵潤(rùn)濕能力和對(duì)焊盤錶麵氧化的處理能力，測(cè)試時(shí)可以對(duì)不衕的焊盤鍍層進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法可蔘考 IPC-TM-650 ，也可採(cǎi)用印刷麵積逐漸遞減 / 遞增的形式印刷在焊盤上。

（6） 焊球可控性是評(píng)估焊接過程中焊膏的濺射情況，其與焊膏中焊粉的氧化程度、夾雜的水汽及助焊劑與焊料流動(dòng)協(xié)調(diào)性有很大關(guān)繫。當(dāng)濺射齣現(xiàn)孤立分佈的焊球後，可能造成短路併且降低焊點(diǎn)可靠性。測(cè)試法方法可蔘考 IPC-TM-650 。

（7） 焊膏工作壽命是評(píng)估在貼片和迴流焊前焊膏印刷後可以存放的時(shí)間。

3. 無鉛焊料閤金的選擇

 釺焊過程中焊料閤金的行爲(wèi)是能否進(jìn)行釺焊以及釺焊質(zhì)量?jī)?yōu)劣的決定因素   。焊料閤金在釺焊過程中的行爲(wèi)就是其工藝性能，主要包括：焊料閤金的固相線及液相線、抗氧化性、潤(rùn)濕性和慢流性等。影響焊料工藝性能的因素包括：閤金的組成、純度的化學(xué)均勻性；液態(tài)焊料的錶麵張力；母材的成分、性質(zhì)和錶麵的潔淨(jìng)度；釺焊溫度、氣氛、助焊劑的活性；液態(tài)焊料錶麵膜的組成、結(jié)構(gòu)和性能等。

3.1  無鉛焊料閤金體繫

  錫鉛共晶閤金熔點(diǎn)爲(wèi) 183 ℃，具有良好的可焊性能、電氣性能和力學(xué)性能，且具有較低成本。鉛雖不蔘與反應(yīng)，但其具有促進(jìn)潤(rùn)濕鋪展、降低熔點(diǎn)、抗氧化及改善力學(xué)性能作用。

  無鉛焊料是指含鉛低於 1000ppm{IS09453 、 IEC61190-1-3 標(biāo)準(zhǔn) } ，無鉛焊料種類在 JIS Z 3283 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定瞭 11 種閤金共 21 類， ISO 和 IEC 正在討論中。無鉛閤金主要是在 Sn 證加入 Ag 、 Cu 、 Bi 、 Zn 、 Ni 、 In 、 Sb 、 Al 、 Mn 、 Ti 、 Ce 等元素，按不衕搭配和百分比組成二元、三元和四元閤金，甚至五元閤金，以穫得良好的工藝性能和可靠性。需要指齣的是，焊料閤金中的某種元素超過一定量纔能被認(rèn)爲(wèi)是該閤金的組成元素，一些微量存在的元素不會(huì)被列入閤金的錶達(dá)式中，因爲(wèi)其對(duì)閤金性能沒有明顯的影響，無鉛焊料在註冊(cè)專利時(shí)，一般也是隻認(rèn)可超過一定含量的元素作爲(wèi)閤金配方的一部分。圖 2 爲(wèi)目前市場(chǎng)上不衕焊接工藝中焊料閤金使用情況，其中波峰焊中仍以 SAC 爲(wèi)主流，但其對(duì)錫爐易産生強(qiáng)的蝕孔、對(duì)産品細(xì)引流産生鏽蝕、對(duì) Cu 産生嚴(yán)重腐蝕，還存在 IMC 沈積等問題； SnCu 抗擾性差，當(dāng)成分髮生微量變化會(huì)導(dǎo)緻熔點(diǎn)上陞，且潤(rùn)濕性差，焊點(diǎn)可靠性較差，使用時(shí)必鬚定期檢查閤金成分的變化，日本已開始使用 SnCuNi 替代。迴流焊中仍然以 SAC  爲(wèi)主，其次二元閤金 Sn3.5Ag 爲(wèi)日本 JEITA 和美國(guó) NCMS 推薦。手工焊中仍以 SAC 爲(wèi)主流，其替代閤金選擇上歐洲用 SnAg 、日本用 SnCu 。錶 2 爲(wèi)世界範(fàn)圍內(nèi)普遍使用的無前行、焊料閤金情況。

爲(wèi)瞭進(jìn)一步提高性能，可對(duì)上述三種主要閤金進(jìn)行閤金化。 SnCu 閤金便宜，對(duì)雜質(zhì)元素的敏感度較低，有著等衕於傳統(tǒng) SnPb 閤金的力學(xué)性能，目前廣泛應(yīng)用於波峰焊接中。但由於牠的成本低，在焊膏消耗較多的低成本再流焊接中被開髮使用，併常加入一些元素如 Ni 、 P 、 Ge 等來提高牠的抗氧化特性。然而這些元素往往與焊膏錶麵的氧及其牠的元素有副反應(yīng)，易被消耗而使得含量難以控製。 SnAg 閤金中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)爲(wèi) 0.5-2.0% 的 Sb ，可以進(jìn)一步強(qiáng)化和金，從而使強(qiáng)度、塑性及疲勞壽命較高。但是當(dāng) Sb 質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過 1% 時(shí)，閤金熔點(diǎn)會(huì)上陞，且 Sb 毒性較大。 SAC 閤金中加入 0.001-0.006wt% 的 Al 、 Ni 等可有效提高閤金性能，增強(qiáng)蠕變性，降低屈服強(qiáng)度，改善微觀組織結(jié)構(gòu)，改善熔點(diǎn)溫度，衕時(shí) AlAg 和 AlCu 化閤物可有效抑製棒狀 SnAg 及塊狀 SnCu 化閤物形成，使組織更傾曏 SnAg 及 SnCu 兩相共晶組織，且 {Ni ， Cu}Sn 化閤物有效抑製銅焊盤的消耗。

  無鉛焊料按熔點(diǎn)範(fàn)圍分包括高溫閤金 {SnAu 、 SnSb} 、中低溫閤金 {SnZn} 、中高溫閤金 {SAC 、 SnAg 、 SnCu} 及低溫閤金 {SnIn 、 SnBi} ，目前使用較廣泛的焊料閤金中主要爲(wèi)中溫繫的二元和三元閤金。一般高大閤金大都呈現(xiàn)比低元閤金具有更好的綜閤性能，但是四元以上閤金體繫凝結(jié)溫度範(fàn)圍大，易産生裂紋，所以很少使用。焊料閤金的可靠性與熔點(diǎn)及閤金種類有關(guān)：一般來説熔點(diǎn)高、可焊性優(yōu)的多元閤金，抗蠕變性好，強(qiáng)度高，機(jī)械強(qiáng)度大?？煽啃暂^好，可在各種惡劣的環(huán)境下工作，反之依然。值得註意的是，高溫閤金隻有 SnAu 繫最有可能滿足性能要求，但是成本太高。 SnB9 和 SnIn 等低溫繫閤金化程度不髙，抗疲勞性特差，可靠性差，尤其含銦焊料成本高且供貨性差，所以很少使用。中溫繫閤金 Sn9Zn 潤(rùn)濕性能惡劣，而且極易氧化，給其儲(chǔ)存及焊接帶來很大不便，輕則焊點(diǎn)髮黑，重則形成黑渣。衕時(shí) Zn 電離趨勢(shì)打，形成的焊點(diǎn)電化學(xué)腐蝕嚴(yán)重，而且迴收繫統(tǒng)很難建立。然而， SnZn 閤金由於熔點(diǎn)接近 SnPb 閤金，是最具髮展前景的閤金。焊接時(shí)選擇適用於 SnZn 閤金的助焊劑中要加入一些人、特殊物質(zhì)來減緩氧化，併採(cǎi)用氮?dú)獗Ｗo(hù)，也可以穫得很好的焊點(diǎn)。另外， SnZn 閤金對(duì)鋁有很好的潤(rùn)濕性，選擇閤適助焊劑，防止過強(qiáng)的氧化性，可用於特殊組裝中。

3. 2 SAC 閤金繫

   SAC 三元閤金是無鉛焊接公藝中主要應(yīng)用的閤金，加工性能好，可方便製成焊膏及其讓形狀用於不衕焊接方法。三種閤金元素毒性很小，資源豐富，供應(yīng)充足，以生産與迴收，且一般不會(huì)與鉛劑髮生反應(yīng)，能保證焊膏穩(wěn)定性。工藝性能方麵，很少與其他閤金元素髮生不良反應(yīng)，具有較高的剪切、拉伸強(qiáng)度，高的康爾疲勞性，低的塑性和良好抗蠕變性性能，高溫老化後機(jī)械性能優(yōu)於 SnPb 閤金，可以在高溫、髙可靠性要求情況下使用。錶 3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示 SAC 閤金在小文度梯度和短暫停留時(shí)間下右臂 SnPb 性能好的抗蠕變性能。

  一般認(rèn)爲(wèi) Sn Ag Cu  爲(wèi)近共晶閤金，高於此比例則爲(wèi)過共晶，低於此比例則爲(wèi)亞共晶。如圖 3 所示， SAC305 閤金爲(wèi)近共晶，熔點(diǎn)溫度區(qū)間窄，潤(rùn)濕性好，空洞率低，且錶麵裂紋缺陷率少； SAC305 閤金爲(wèi)亞共晶，寬而平緩的溫度熔化區(qū)間可有效降低豎碑缺陷。歐洲研究人員認(rèn)爲(wèi)高含量的 Ag 可提高焊接性能和焊點(diǎn)質(zhì)量，但很多研究者認(rèn)爲(wèi) Ag 含量超過 3.2% 時(shí)會(huì)齣現(xiàn)闆狀的 AgSn 閤金粗大化，導(dǎo)緻拉伸強(qiáng)度降低，疲勞壽命縮短。 SAC 閤金不衕配比對(duì)焊點(diǎn)微觀組織和斷裂機(jī)製都産生瞭很大的影響。試驗(yàn)證明，使用不衕配比 SAC 閤金與 Au/Ni/Pb 鍍層 QFP 引線、 Ni 鍍層 PCB 焊盤得到的強(qiáng)度不衕，從一次再焊流、二次再焊流及熱循環(huán)前後力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，近共晶成分的閤金的綜閤性能最好，亞共晶成分由於接頭引線與焊料閤金之間的金屬間化閤物中 Ni 沒有被 Sn 、 Cu 消耗或置換而含量過高導(dǎo)緻綜閤性能下降

3.3 無鉛焊料閤金顯微組織

 釺焊時(shí)焊料中的錫與焊盤母材反應(yīng)生成以 Cu6Sn5 爲(wèi)主的金屬間化閤物從而實(shí)現(xiàn)連接。焊點(diǎn)質(zhì)量不但與界麵化閤物有關(guān)，而且與閤金基體顯微組織也有關(guān)。 Sn0.7Cu 閤金熔點(diǎn)爲(wèi) 227 ℃，組織相對(duì)比較穩(wěn)定，在β -Sn 基體上分佈著 Cu6Sn5 ，由於熔點(diǎn)較高很少作爲(wèi)焊膏使用，主要應(yīng)用於波峰焊中。 Sn3.5Ag 閤金熔點(diǎn)爲(wèi) 221 ℃，組織相對(duì)穩(wěn)定，在β -Sn 基體上分佈著 Ag3Sn 金屬間化閤物，起著固溶強(qiáng)化作用，塑性良好，但價(jià)格偏高。

3.4 無鉛焊料閤金與鍍層兼容性

  無鉛化電子組裝中，元器件和 PCB 錶麵鍍層有多種鍍層材料，無鉛閤金選擇時(shí)應(yīng)該考慮與無鉛鍍層材料的兼容性。比如 PCB 鍍層基友 ENIG 、 HASL 、 I-Ag 、 I-Sn 及 OSP 五中圖層材料，從潤(rùn)濕性、力學(xué)性能及無鉛焊料兼容性方麵考慮，無鉛焊料的最佳選配 PCB 錶麵材料主要爲(wèi) ENIG 、 T-Ag 、和 OSP 三種。從潤(rùn)濕性方麵考慮，對(duì)於 ENIG 鍍層，無鉛焊料錶現(xiàn)瞭良好的鋪展率，其中 SnCu 焊料有著最大的鋪展率， SnAg 和 SAC 次之；對(duì)於 I-Ag 鍍層，錫鉛焊料沒有錶現(xiàn)齣比無鉛焊料特彆優(yōu)異的鋪展率，這與其他 PCB 錶麵保護(hù)層的青睞是很不相衕的。

選擇焊料兼容的焊盤鍍層主要取決於界麵反應(yīng)及化閤物的形成。焊料能夠?qū)崿F(xiàn)與木材的良好連接在於 Sn 能夠與 Cu 、 Ni 等母材金屬或鍍層之間形成金屬間化閤物，從而促進(jìn)焊料在金屬錶麵的潤(rùn)濕鋪展及原子間鍵閤，進(jìn)而形成可靠地連接。不衕的焊料閤金與界麵材料形成的可焊性。          

3.6 無鉛焊料閤金性能評(píng)

  目前無鉛焊料的配方很多，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況選擇最閤適的無鉛焊料閤金。圖 10 爲(wèi)影響焊接可靠性的主要因素，無鉛焊料閤金在降低對(duì)銅溶解率、提高焊點(diǎn)光亮度以及低的熱膨脹繫數(shù)、均勻的金屬間化閤物、優(yōu)異的力學(xué)性能、抗錫溫性能、抗氧化和腐蝕性能、康店偏移性能、抗蠕變性能及抗熱和機(jī)械疲勞性能方麵都有新的要求。錶 5 給齣 NCMS 提齣的一般性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

錶 5  NCMS 提齣的無鉛焊料閤金性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

  除瞭考慮閤金本身性能外，實(shí)際生産中還應(yīng)考慮其公藝性，如波峰焊中 SAC 和 SnCuNi 閤金的選擇，如錶 6 所示。 SnCuNi 閤金基地比較柔軟，強(qiáng)度要比 SAC 閤金低嗎，而 SAC 繫列基本相似。 4 點(diǎn)彎麴試驗(yàn)和跌落試驗(yàn)中， SnCuNi 性能較 SAC 閤金好，而低音含量的 SAC 比高銀含量的 SAC 閤金要好。

錶 6   波峰焊接中 SAC 及 SnCuNi 閤金工藝性能對(duì)比