The Selection of Solder Paste in Electronic Assembly

摘 要：焊膏是焊料合金粉末與助焊劑的混合物，其質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)印刷效果有極其重要的影響，特別是無鉛化工工藝中。本文介紹了焊膏的組成、只要性能要求及其影響因素，我們對(duì)目前常用的焊料合金和助焊劑的性能和使用效果進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)不同行業(yè)所適用的焊膏類型進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：無鉛化；焊膏；焊料合金；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

   焊膏是將焊料合金粉末與助焊劑混合而成的一種漿料，通常合金比重占90%左右，其余部分為助焊劑。焊膏是一個(gè)復(fù)雜的物料系統(tǒng)，制造過程涉及流體力學(xué)、金屬冶煉學(xué)、有機(jī)化學(xué)和物理學(xué)等綜合知識(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，電子產(chǎn)品品質(zhì)缺陷有70%左右與焊膏印刷有關(guān)。無鉛化后此問題更加嚴(yán)重，其中由于焊膏的選擇不當(dāng)而導(dǎo)致的品質(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)用而產(chǎn)生的一種新型材料，也是表面組裝生產(chǎn)中極為重要的輔助材料，其質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到SMA品質(zhì)的好壞，因此受到工程師的廣泛重視。表1為焊膏的基本組成，其中觸變劑在有些文獻(xiàn)中被列為獨(dú)立一類。不同的設(shè)計(jì)有不同的用途和使用范圍，SMT工程師在選擇時(shí)必須明確其所用于何種產(chǎn)品；軍品還是民品，要求清洗還是免清洗等。

表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同工藝階段有不同的性能要求：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)不發(fā)生化學(xué)變化，不發(fā)生焊料與助焊劑分離，不發(fā)生黏度變化，并且要求吸濕性小、低毒、無腐蝕性；印刷時(shí)應(yīng)具有良好的印刷性能，包括順利填充模板且無溢出，脫模順利且不堵塞模板開孔或點(diǎn)涂管嘴；成型要好無重大形狀缺陷，放置一段時(shí)間后不發(fā)生塌陷；具有較長(zhǎng)的工作壽命，印刷后放置于常溫下可保持在一定的時(shí)間內(nèi)不變質(zhì)；回流焊接是應(yīng)具有良好的潤(rùn)濕性能，焊料在母材上鋪展良好；不發(fā)生飛濺現(xiàn)象，盡量減少焊接過程中產(chǎn)生的焊料球；焊后應(yīng)具有良好的焊接強(qiáng)度，確保時(shí)間組裝的可靠性；焊后殘留物有良好的穩(wěn)定性，絕緣且無腐蝕作用，且易于清洗。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須覆蓋整個(gè)釬焊溫度，一般從80℃開始發(fā)揮到冷卻后180℃{無鉛}或150℃{有鉛}，整個(gè)變化過程中助焊劑焊后重量損失率可達(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)必須從材料特性和工藝特性進(jìn)行考慮，并依據(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)及表面絕緣電阻等，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{絕緣電阻及電遷測(cè)試}及抗腐蝕性等{影響模板壽命及焊點(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)人員來說，通過日常的經(jīng)驗(yàn)積累，掌握焊膏的經(jīng)驗(yàn)判斷方法是可行的。（1）焊料顆粒是將合金熔化后，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)于焊膏的黏度及印刷性有直接的影響。韓料顆粒形狀分為無規(guī)則和球形兩種，無規(guī)則顆粒焊膏黏度更高，因?yàn)轭w粒直接由著“互鎖”作用導(dǎo)致流動(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表面積而易被氧化，造成空洞、焊球等缺陷。同時(shí)由于布線、阻焊膜、元件標(biāo)記、加工精度及印刷機(jī)導(dǎo)致水平度的影響，印刷時(shí)PCB焊盤與鋼網(wǎng)之間存在的間隙很容易漏出過小的顆粒造成沾污。不同合金比重的焊膏印刷工藝窗口是不同的，比重太小會(huì)增加塌陷及針孔的出現(xiàn)，過高會(huì)使焊膏印刷性變差，一般模板漏印合金顆粒占焊膏總重量的88%~91%，對(duì)于點(diǎn)涂等注射方法，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)所攝像范圍內(nèi)的顆粒直徑進(jìn)行測(cè)量，參考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)度等因素而發(fā)生變化，與合金粉末含量。尺寸及焊劑黏度太大容易粘住網(wǎng)孔，太小無法粘住元件，一般模板漏印采用的黏度介于700~1300Pa．s之間，絲網(wǎng)漏印和點(diǎn)涂一般可低于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系數(shù)。黏度測(cè)試可參考IPC-TM-650或J-STD-005，觸變系數(shù)一般為0.5~0.6。

（3）焊膏可印刷性是評(píng)估焊膏在印刷到線路板時(shí)的沉積高度和印刷效果。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)算，取標(biāo)準(zhǔn)差最小的，可獲得一致性好的焊膏。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，并記錄取最終最佳印刷效果、值得注意的是印刷效果所用模板應(yīng)具有圓形和矩形孔，矩形孔須有水平、垂直及45°三個(gè)方向。

（4）焊膏保型性是評(píng)估焊膏印刷后在一定溫度及濕度條件下，由于重力及焊劑表面張力作用而導(dǎo)致焊膏塌陷圖形模糊，引起的焊接時(shí)引腳橋連缺陷。塌陷測(cè)試可參考IPC-TM-650。

（5）焊膏潤(rùn)濕性是評(píng)估焊膏在焊盤表面潤(rùn)濕能力和對(duì)焊盤表面氧化的處理能力，測(cè)試時(shí)可以對(duì)不同的焊盤鍍層進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法可參考IPC-TM-650，也可采用印刷面積逐漸遞減/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)系。當(dāng)濺射出現(xiàn)孤立分布的焊球后，可能造成短路并且降低焊點(diǎn)可靠性。測(cè)試法方法可參考IPC-TM-650。

（7）焊膏工作壽命是評(píng)估在貼片和回流焊前焊膏印刷后可以存放的時(shí)間。

3.無鉛焊料合金的選擇

 釬焊過程中焊料合金的行為是能否進(jìn)行釬焊以及釬焊質(zhì)量?jī)?yōu)劣的決定因素 。焊料合金在釬焊過程中的行為就是其工藝性能，主要包括：焊料合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：合金的組成、純度的化學(xué)均勻性；液態(tài)焊料的表面張力；母材的成分、性質(zhì)和表面的潔凈度；釬焊溫度、氣氛、助焊劑的活性；液態(tài)焊料表面膜的組成、結(jié)構(gòu)和性能等。

3.1 無鉛焊料合金體系

  錫鉛共晶合金熔點(diǎn)為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。鉛雖不參與反應(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于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)定了11種合金共21類，ISO和IEC正在討論中。無鉛合金主要是在Sn證加入Ag、Cu、Bi、Zn、Ni、In、Sb、Al、Mn、Ti、Ce等元素，按不同搭配和百分比組成二元、三元和四元合金，甚至五元合金，以獲得良好的工藝性能和可靠性。需要指出的是，焊料合金中的某種元素超過一定量才能被認(rèn)為是該合金的組成元素，一些微量存在的元素不會(huì)被列入合金的表達(dá)式中，因?yàn)槠鋵?duì)合金性能沒有明顯的影響，無鉛焊料在注冊(cè)專利時(shí)，一般也是只認(rèn)可超過一定含量的元素作為合金配方的一部分。圖2為目前市場(chǎng)上不同焊接工藝中焊料合金使用情況，其中波峰焊中仍以SAC為主流，但其對(duì)錫爐易產(chǎn)生強(qiáng)的蝕孔、對(duì)產(chǎn)品細(xì)引流產(chǎn)生銹蝕、對(duì)Cu產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，還存在IMC沉積等問題；SnCu抗擾性差，當(dāng)成分發(fā)生微量變化會(huì)導(dǎo)致熔點(diǎn)上升，且潤(rùn)濕性差，焊點(diǎn)可靠性較差，使用時(shí)必須定期檢查合金成分的變化，日本已開始使用SnCuNi替代?；亓骱钢腥匀灰?/span>SAC 為主，其次二元合金Sn3.5Ag為日本JEITA和美國(guó)NCMS推薦。手工焊中仍以SAC為主流，其替代合金選擇上歐洲用SnAg、日本用SnCu。表2為世界范圍內(nèi)普遍使用的無前行、焊料合金情況。

為了進(jìn)一步提高性能，可對(duì)上述三種主要合金進(jìn)行合金化。SnCu合金便宜，對(duì)雜質(zhì)元素的敏感度較低，有著等同于傳統(tǒng)SnPb合金的力學(xué)性能，目前廣泛應(yīng)用于波峰焊接中。但由于它的成本低，在焊膏消耗較多的低成本再流焊接中被開發(fā)使用，并常加入一些元素如Ni、P、Ge等來提高它的抗氧化特性。然而這些元素往往與焊膏表面的氧及其它的元素有副反應(yīng)，易被消耗而使得含量難以控制。SnAg合金中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為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)，合金熔點(diǎn)會(huì)上升，且Sb毒性較大。SAC合金中加入0.001-0.006wt%的Al、Ni等可有效提高合金性能，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，同時(shí)AlAg和AlCu化合物可有效抑制棒狀SnAg及塊狀SnCu化合物形成，使組織更傾向SnAg及SnCu兩相共晶組織，且{Ni，Cu}Sn化合物有效抑制銅焊盤的消耗。

  無鉛焊料按熔點(diǎn)范圍分包括高溫合金{SnAu、SnSb}、中低溫合金{SnZn}、中高溫合金{SAC、SnAg、SnCu}及低溫合金{SnIn、SnBi}，目前使用較廣泛的焊料合金中主要為中溫系的二元和三元合金。一般高大合金大都呈現(xiàn)比低元合金具有更好的綜合性能，但是四元以上合金體系凝結(jié)溫度范圍大，易產(chǎn)生裂紋，所以很少使用。焊料合金的可靠性與熔點(diǎn)及合金種類有關(guān)：一般來說熔點(diǎn)高、可焊性優(yōu)的多元合金，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。值得注意的是，高溫合金只有SnAu系最有可能滿足性能要求，但是成本太高。SnB9和SnIn等低溫系合金化程度不髙，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。中溫系合金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)發(fā)黑，重則形成黑渣。同時(shí)Zn電離趨勢(shì)打，形成的焊點(diǎn)電化學(xué)腐蝕嚴(yán)重，而且回收系統(tǒng)很難建立。然而，SnZn合金由于熔點(diǎn)接近SnPb合金，是最具發(fā)展前景的合金。焊接時(shí)選擇適用于SnZn合金的助焊劑中要加入一些人、特殊物質(zhì)來減緩氧化，并采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，也可以獲得很好的焊點(diǎn)。另外，SnZn合金對(duì)鋁有很好的潤(rùn)濕性，選擇合適助焊劑，防止過強(qiáng)的氧化性，可用于特殊組裝中。

3. 2 SAC合金系

   SAC三元合金是無鉛焊接公藝中主要應(yīng)用的合金，加工性能好，可方便制成焊膏及其讓形狀用于不同焊接方法。三種合金元素毒性很小，資源豐富，供應(yīng)充足，以生產(chǎn)與回收，且一般不會(huì)與鉛劑發(fā)生反應(yīng)，能保證焊膏穩(wěn)定性。工藝性能方面，很少與其他合金元素發(fā)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，高溫老化后機(jī)械性能優(yōu)于SnPb合金，可以在高溫、髙可靠性要求情況下使用。表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示SAC合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)為Sn Ag Cu 為近共晶合金，高于此比例則為過共晶，低于此比例則為亞共晶。如圖3所示，SAC305合金為近共晶，熔點(diǎn)溫度區(qū)間窄，潤(rùn)濕性好，空洞率低，且表面裂紋缺陷率少；SAC305合金為亞共晶，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)為高含量的Ag可提高焊接性能和焊點(diǎn)質(zhì)量，但很多研究者認(rèn)為Ag含量超過3.2%時(shí)會(huì)出現(xiàn)板狀的AgSn合金粗大化，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度降低，疲勞壽命縮短。SAC合金不同配比對(duì)焊點(diǎn)微觀組織和斷裂機(jī)制都產(chǎn)生了很大的影響。試驗(yàn)證明，使用不同配比SAC合金與Au/Ni/Pb鍍層QFP引線、Ni鍍層PCB焊盤得到的強(qiáng)度不同，從一次再焊流、二次再焊流及熱循環(huán)前后力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，近共晶成分的合金的綜合性能最好，亞共晶成分由于接頭引線與焊料合金之間的金屬間化合物中Ni沒有被Sn、Cu消耗或置換而含量過高導(dǎo)致綜合性能下降

3.3無鉛焊料合金顯微組織

 釬焊時(shí)焊料中的錫與焊盤母材反應(yīng)生成以Cu6Sn5為主的金屬間化合物從而實(shí)現(xiàn)連接。焊點(diǎn)質(zhì)量不但與界面化合物有關(guān)，而且與合金基體顯微組織也有關(guān)。Sn0.7Cu合金熔點(diǎn)為227℃，組織相對(duì)比較穩(wěn)定，在β-Sn基體上分布著Cu6Sn5，由于熔點(diǎn)較高很少作為焊膏使用，主要應(yīng)用于波峰焊中。Sn3.5Ag合金熔點(diǎn)為221℃，組織相對(duì)穩(wěn)定，在β-Sn基體上分布著Ag3Sn金屬間化合物，起著固溶強(qiáng)化作用，塑性良好，但價(jià)格偏高。

3.4無鉛焊料合金與鍍層兼容性

  無鉛化電子組裝中，元器件和PCB表面鍍層有多種鍍層材料，無鉛合金選擇時(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面考慮，無鉛焊料的最佳選配PCB表面材料主要為ENIG、T-Ag、和OSP三種。從潤(rùn)濕性方面考慮，對(duì)于ENIG鍍層，無鉛焊料表現(xiàn)了良好的鋪展率，其中SnCu焊料有著最大的鋪展率，SnAg和SAC次之；對(duì)于I-Ag鍍層，錫鉛焊料沒有表現(xiàn)出比無鉛焊料特別優(yōu)異的鋪展率，這與其他PCB表面保護(hù)層的青睞是很不相同的。

選擇焊料兼容的焊盤鍍層主要取決于界面反應(yīng)及化合物的形成。焊料能夠?qū)崿F(xiàn)與木材的良好連接在于Sn能夠與Cu、Ni等母材金屬或鍍層之間形成金屬間化合物，從而促進(jìn)焊料在金屬表面的潤(rùn)濕鋪展及原子間鍵合，進(jìn)而形成可靠地連接。不同的焊料合金與界面材料形成的可焊性。         

3.6無鉛焊料合金性能評(píng)

  目前無鉛焊料的配方很多，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況選擇最合適的無鉛焊料合金。圖10為影響焊接可靠性的主要因素，無鉛焊料合金在降低對(duì)銅溶解率、提高焊點(diǎn)光亮度以及低的熱膨脹系數(shù)、均勻的金屬間化合物、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)械疲勞性能方面都有新的要求。表5給出NCMS提出的一般性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

表5  NCMS提出的無鉛焊料合金性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

  除了考慮合金本身性能外，實(shí)際生產(chǎn)中還應(yīng)考慮其公藝性，如波峰焊中SAC和SnCuNi合金的選擇，如表6所示。SnCuNi合金基地比較柔軟，強(qiáng)度要比SAC合金低嗎，而SAC系列基本相似。4點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和跌落試驗(yàn)中，SnCuNi性能較SAC合金好，而低音含量的SAC比高銀含量的SAC合金要好。

表6  波峰焊接中SAC及SnCuNi合金工藝性能對(duì)比