第2章 工艺辅料

2.1 焊膏

2.1焊膏（1）

组成

焊膏由焊料合金粉（以下简称焊粉）和焊剂组成，而焊剂又由溶剂、成膜物质、活化剂和触变剂等组成，如图2-1所示。

焊剂各组分所占焊膏质量的百分比及成分如下。

（1）成膜物质：2%～5%（Wt），主要为松香及其衍生物、合成材料，最常用的是水白松香。

（2）活化剂：0.05%～0.5%（Wt），最常用的活化剂包括二羧酸、特殊羧基酸和有机卤化盐。

（3）触变剂：0.2%～2%（Wt），增加黏度，起悬浮作用。这类物质很多，优选的有蓖麻油、氢化蓖麻油、乙二醇-丁基醚、羧甲基纤维素。

（4）溶剂：3%～7%（Wt），多组分，有不同的沸点。

（5）其他：表面活性剂，耦和剂。

组分对焊接质量的影响

焊料飞溅、焊剂飞溅、BGA空洞、桥连等焊接不良与焊膏的组成有很大的关系！焊膏的选用应根据印制电路板组件（PCBA）的工艺特性进行选择。

焊粉所占比重，对塌落性能和黏度有很大的影响，焊粉含量越高，塌落度也越小，因此，用于细间距元件的焊膏，多使用88%～92%焊粉含量的焊膏。

活化剂，决定焊膏的可焊性或润湿能力。要实现良好的焊接，焊膏中必须有适当的活化剂，特别是在微焊盘焊接情况下，如果活性不足，就有可能引发葡萄球现象和球窝缺陷。

成膜物质，影响焊点的可测性以及焊膏的黏度和黏性。

溶剂，主要用于溶解活化剂、成膜物质、触变剂等。焊膏中的溶剂，一般由不同沸点的溶剂组成，使用高沸点溶剂的目是为了防止再流焊接时焊锡、焊剂飞溅。触变剂，用来改善印刷性能和工艺性能。

市场上的焊膏类别

市场上的焊膏，一般按照应用需求进行划分，例如：

适合高速印刷的焊膏；

适合细间距印刷的焊膏；

BGA空洞少的焊膏；

活性比较强的焊膏。

2.1焊膏（2）

焊膏配方设计

焊膏所用的活化剂多为有机酸、有机胺、有机卤化物。与无机系列焊剂相比，其活性比较弱，但具有加热迅速、分解留下的残留物基本呈惰性、吸湿性小、电绝缘性能好的特点。

焊膏的配方实际就是焊剂的配方，焊剂各组分的作用如图2-2所示。

焊剂的三大功能：

（1）化学功能。去除被焊金属表面的氧化物并在焊接过程中防止焊料和焊接表面的再氧化。

（2）热学功能。焊剂能在焊接过程中迅速传递能量，使被焊金属表面热量传递加快并建立热平衡。

（3）物理功能。焊剂有降低焊料表面张力的功能，有助于焊料与被焊金属之间的相互润湿，起到助焊作用。焊接后可形成化学性质稳定的绝缘层，“固”住生成物。

活化剂去除氧化物的原理

反应一，生成可溶性盐类。

MeOn+2nRCOOH→Me（RCOO）n+H2O

MeOn+2nHX→MeXn+nH2O

反应二，氧化-还原反应。

MeO+2HCOOH→Me（COOH）2+H2O

Me（COOH）2→Me+CO2+H2

2.1焊膏（3）

再流焊接过程中焊膏的物理化学变化

由于各种品牌焊膏配方的不同以及焊接时温度曲线设置的差异，很难准确地描述再流焊接过程中焊膏在什么温度点发生了什么化学和物理变化，但并不妨碍我们对其作一个大致的定性描述。

认识和了解再流焊接过程中焊膏的物理和化学变化，对正确的设置温度曲线、减少焊接不良十分重要。比如，ENIG焊盘上出现焊剂污点或焊锡点，如果我们清楚它发生的大致温度点、了解其发生的原因，那么我们就可以优化温度曲线，减少此类焊接不良。

图2-3 是作者根据一些试验报告绘制的一个焊膏在再流焊接过程中的状态变化图，描述了焊剂在不同阶段的挥发情况、焊膏的物理变化、焊锡焊剂飞溅的发生阶段、去除金属氧化物的主要阶段。需要说明的是，图中一些数据不是一个准确的数值，仅说明一个大致情况，如溶剂的挥发量，它不仅取决于温度与时间，更取决于焊剂组成以及沸点，这点请读者注意。

2.1焊膏（4）

焊膏的性能评价

对一款焊膏进行评价，一般应包括焊膏的使用性能、助焊剂性能、金属粉性能等内容，详细评价指标如图2-4所示。

日常例行检查，主要检测影响工艺质量的五项指标：

印刷性——实践中可以通过观察0.4mm间距的CSP或QFP焊膏印刷图形来评价。

聚合性——用焊球试验评价（在规定的试验条件下，检验焊膏中的合金粉末在不润湿的基板上熔合为一个球的能力），目的是检验焊剂短时去氧化物能力以及焊粉的氧化程度。

铺展性——用扩展率试验进行评价，用于确定焊剂的活性。

塌落度——评价焊膏印刷后保持图形原状的能力。

黏着力——评价焊膏的黏附强度。

焊膏使用

1）冷藏储存

必须存放在5～12℃。如果温度过高，焊粉与焊剂反应，会使黏度上升而影响印刷性；如果温度过低（0℃下），焊剂中的松香成分会产生结晶现象，使焊膏性能恶化。

活性比较强的焊膏，如果常温存放（如解冻）有可能发生焊粉与焊剂反应，使焊膏变黏、变稠、活性变低，这点可通过观察焊膏焊粉颗粒表面是否光滑予以确认。

2）回温后开封使用

必须在操作环境下放置2h以上解冻，以避免冷凝水出现。

3）印刷环境

（25±3）℃，相对湿度小于或等于65%，以维持焊膏出厂性能。

4）温度对印刷时间的影响

（湿度在60%下）温度在20℃、25℃、30℃时，可印刷时间分别为12h、7h、2h。

5）湿度对印刷时间的影响

25℃时，随湿度增加，印刷时间减少。

2.1焊膏（5）

焊膏活性的表现

焊膏活性的表现：

（1）焊膏的活性越强，在OSP处理的焊盘上铺展面积越大，如图2-5所示。

（2）焊膏的活性越强，引线爬锡越高，如图2-6所示。

（3）焊膏的活性越强，焊锡对引脚的覆盖越好，如图2-7所示。

（4）采用0.127mm（5mil）厚的钢网印刷焊膏，在165～175℃下，烘烤10min，然后再加热到210℃（对于有铅焊膏），观察焊锡表面葡萄球现象的严重程度。葡萄球越少，表示去除氧化物能力越强。

这是判定焊剂活性比较简单和有效一些方法，通常不需要专门制作试验板就可进行。从中也应该领悟到利用焊剂活性的强弱可以解决一些连接器的爬锡过高的问题——可以利用低活性焊剂焊接引脚镀金的连接器，这是笔记本电脑制造中经常采用的手段。

2.2 失活性焊膏

2.2失活性焊膏（1）

产生背景

解决虚焊最有效的方法就是采用活性比较强的焊剂，然而，为确保焊后焊剂残留物的高绝缘性和低腐蚀性，又要求尽可能减少活性剂的含量，这就是长期束缚人们不敢使用活性较强助焊剂来解决虚焊问题的原因。显然要同时兼顾润湿性和耐腐蚀性是困难的，因此，传统的方法就是在润湿性和耐腐蚀性上寻求一个折中点。

失活焊膏发明的目的就是设法在焊膏中加入某种物质，使其在再流焊接峰值温度之前的时间段，具有中等活性，以达到有效地除去金属氧化物，改善焊料的润湿性。而在过炉后又要让其失去活性，变成弱活性，以确保其残留物的高绝缘性和低腐蚀性，如图2-8所示。

失活机理

一般焊膏都是以卤素化合物，如HCl或HBr作为活性剂的，该化合物在再流焊接的初期，因加热而分解形成的氢卤酸与金属氧化物发生化学反应，而将金属表面的氧化物清除。

当焊膏中添加了失活剂后，在再流焊接的峰值温度附近，残留的氢卤酸与助焊剂中失活剂进行化学反应，并结合成为碳与卤素的新的有机化合物，从而使其完全失去活性，如图2-9所示。

2.2失活性焊膏（2）

无铅焊料对焊剂的要求

无铅焊膏是一种高锡合金，相对于传统的锡铅共晶合金焊膏，锡的含量高出1/3以上。这一特点使得无铅焊膏表面氧化物更难清除，界面表面张力更大，润湿性恶化。为了实现良好的焊接，高锡合金焊膏必须使用较强活性的焊剂。PbO与SnO的还原率如图2-10所示。

性能表现

在IC引脚前端，RMA焊膏容易出现润湿性问题，而失活性焊膏可以确保与过去的RA焊膏具有相同的品质。

零部件引脚润湿性对接合强度也会产生影响。一般情况下，即使是润湿性非常差的引脚端面，失活性焊膏同样也显示出优良的润湿性。

图2-11为使用不同焊膏所作的对比。

说明

RA、RMA为焊剂活性的标识。通常，焊剂按其活性被划分为四类；即低活性类（R），中等活性类（RMA），高活性类（RA）和特别活性类（RSA）。

2.3 无铅焊料

概述

在选择无铅焊料的时候，我们总是将锡铅共晶焊料作为基准，从影响焊接性能的因素与影响可靠性的因素两方面进行评价。表征焊料性能的重要特性如图2-12所示。

无铅焊料仍然采用Sn基合金（Sn≥605Wt），能够用于制造具有实际应用价值的合金元素非常少，主要限制在Cu、Ag、Bi、In、Ga等元素范围。尽管提出的无铅焊料合金很多，但真正得到广泛使用的并不多，常用或讨论得比较多的几种无铅焊料合金见表2-1。

Sn-Ag-Cu系无铅焊料合金已经成为无铅焊料合金的主流。在Sn-Ag-Cu系无铅焊料合金中Sn与Ag、Cu元素之间形成的IMC和中间相显著地影响合金的强度与疲劳寿命。研究表明，无论Cu的含量变化（0.5%～3.0%）还是Ag的含量变化（3.0%～4.7%），对其合金的熔点温度影响并不明显，但Ag和Cu含量变化对其合金的机械性能有明显的影响。

2.4 常用焊料的合金相图

2.4常用焊料的合金相图（1）

Sn-Pb

Sn-Pb二元合金相图如图2-13所示。

Sn-Cu

Sn-Cu二元合金相图如图2-14所示。

2.4常用焊料的合金相图（2）

Sn-Ag-Cu

Sn-Ag-Cu三元合金相图如图2-15所示。

Sn-Ag

Sn-Ag二元合金相图如图2-16所示。