1、 研究生课程论文 (2016-2017学年 第二 学期 ) 几种 活性盐对铝用锡膏铺展性能的探究 研究生： 赵星飞 提交日期： 2017 年 6 月 21 日 研究生签名：赵星飞 学 号 201620115710 学 院 材料科学与工程学院 课程编号 S0805256 课程名称 材料科学中的数据处理与分析 学位类别 硕士 任课教师 丁 剑平 教师评语： 成绩评定： 分 任课教师签名： 年 月 日 几种 活性盐对铝用锡膏铺展性能的探究 赵星飞 华南理工大学材料科学与工程学院 摘要 ： 近年来 ， 在 电子产业和 LED 照明 产业中 ， 出现了 铝 替 代 铜 的 趋势。随着铝 用量 的 增 多
2、，产业中对铝及铝合金低温软钎焊锡膏的需求量不断上升 ， 然而由于铝及铝合金表面存在一层致密的氧化物薄膜 ， 至今尚无一种通用的铝用锡膏。 在 锡膏中加入 活性盐 ， 不但可以 剥离 氧化铝薄膜 ， 同时 也可以提高钎料在铝及铝合金基 板 的 铺展 性能 。本文 通过 设计正交实验，分析 几种 活性盐对铝用锡膏铺展性能的影响，来获取一种较好的活性盐配比。 关键词 ： 锡膏 ；助焊剂；活性盐 1. 铝用 锡膏的 简介 锡膏（ solder paste） 是由焊锡粉、助焊剂以及其它的表面活性剂、触变剂等加以混合，形成的膏状混合物 ， 它是 伴随 表面 贴装 技术 应用 而生的新型焊接材料 1。 一直
3、以来，铜因具有优良的导电性、导热性和良好的韧性与延展性 ，广泛运用于电子和电器制造行业 。但是 ，铜的价格高，密度大，在 地壳 中 的含量低 （约为 0.01%） ， 而铝 的价格约为铜的三分之一， 密度小 ，含量高 （约为8.13%）， 并且 铝 及其合金具有良好的导电性、导热性、耐腐蚀性 ， 因此，在电子封装的基板 材料 的应用中呈现 出 铝替代铜的趋势。 在 表面贴装过程中，印刷锡膏是重要环节之一，锡膏 性能 的好坏直接影响 后续 的焊接过程，最终影响产品的质量 2。 由于 铝化学性质活泼，易于 与 氧气反应 生成 致密的氧化膜， 而 普通的铜用锡膏不能有效去除 铝 的氧化膜 ， 因此，
4、开发出新的铝用锡膏 十分 重要 3。 锡膏最重要的成分是助焊剂 ， 一种好的助焊剂可以 去除 氧化物薄膜，降低被焊接材料的表面张力，形成 可靠 的焊接接头 。 助焊剂 的 主要成分为活性剂、溶剂、 表面 活性剂、缓蚀剂、触变剂等 4。 其中 活性剂是助焊剂中辅助焊点形成的最为关键部分，其作用是在焊接过程中 去除 焊盘和钎料合金表面氧化物，使钎料合金与焊盘能够很好的接触并润湿，形成可靠 的 接头 。 本文通过设计 正交实验 ，着重研究 活性剂中的几种活性盐 对铝用 锡膏性能的影响 ， 从而找出一种较好的活性盐配 比 。 2. 单组分 活性盐 对 助焊剂 性能的影响 本实验 所用的活性盐主要有锌盐
5、 A、 锌盐 B、 亚锡盐 A、 锂盐 A， 我们用活性盐、某一特定活性基体、乙二醇按照一定比例 混合制成简易助焊剂，通过铺展性实验，探究活性盐对 助焊剂 性能的影响 ，助焊剂 配比 见 表 1. 表 1 助焊剂 配比 成分 活性盐 活性基体 乙二醇 比例 /% X 80-X 20 在活性基体和乙二醇溶剂中加入锌盐 A、锌盐 B、亚锡盐 A,锂盐 A 中的一种活性盐，质量百分数取 0%、 3.2%、 6.4%、 9.6%、 12.8%五种等级，制成简易助焊剂和锡膏。通过网孔为 9.0mm7.0mm0.5mm 的钢网将锡膏漏印在尺寸25.0mm25.0mm 的 6061 铝基板上，把其置于温度为
6、 265的回流炉中慢速加热或锡炉液面上快速加热，待冷却后形成焊点，并对焊点清洗后进行铺展性 测试 。 助焊剂 中不同活性盐及其含量的变化 所 对应的焊点铺展面积 如图 1 所示 。 图 1 助焊剂 中不同活性盐及其含量的变化 对 焊点铺展面积的影响 （ a）回流炉 慢 速 加 （ b）锡炉 快速加热 由 图 1 可以 看出 ， 焊点的铺展面积 随着 活性盐含量的增加 而 普遍 出现 增大 。 不同 活性盐所对应的的铺展面积 呈现 明显差异，表现出了不同活性盐对助焊剂活性的影响不同。对于 回流炉 慢 速加热 的焊接工艺， 锌盐 A 含量 从 0%增加到 12.8%， 焊点 的铺展面积由 14.9
7、mm2 扩大到 28.1mm2， 而锂盐 A 在含量增加 过程中 ， 其 焊点 铺展面积大致为 16 mm2， 变化幅度不大。由 图 1（ a）可以 明显看出，锌盐 A 对 助焊剂活性影响较大。 由 图 1（ b） 可以 看出 ， 在锡炉快速 加热 的焊接工艺中 锡盐 A 对应 的焊点铺展面积最大， 对 助焊剂的活性 的 提升影响最大。对比 图 1（ a）和（ b）可得 ， 当 焊接时，加热速率不同，同种活性盐对助焊剂的影响不同。如 ， 在回流炉 慢速 加热时，锌盐 A 效果 最佳，锡盐 A 效果较差，但在锡炉快速加热 时 ，锌盐 A 效果 较差，锡盐 A 效果 反而最好。 因此 ，活性盐 对
8、助焊剂活性的影响不仅仅受其含量的影响，还取决于焊接时的加热速率。 3. 多组分 活性盐的配比对助焊剂性能的影响 为了 进一步增强助焊剂的活性，我们将上述的四种活性盐 进行 混合配比，探究 不 同 含量的四种活性盐的混合物对焊点铺展性能的影响。 这里 有四种活性盐，即有四个因素，查阅正交实验表，发现比较合适的正交表为 9(34)， 因此 ，本实验采用四因素三水平 的 正交实验来探究四种活性盐 的 不同配比对 焊点铺展性能的影响 5。 实验 的四个因素为：锌盐 A、 锌盐 B、 亚锡盐 A、 锂盐A； 锌盐 A 的 三水平分别为 4.8、 6.4、 8； 锌盐 B 的 三水平分别为 1.6、 3.
9、2、4.8； 亚锡盐 A 的 三水平分别为 0、 1.6、 3.2； 锌盐 A 的 三水平分别为 1.6、3.2、 4.8，其 因素水平表 见 表 2. 表 2 因素 水平表 水平 锌盐 A(A) 锌盐 B(B) 亚锡盐 A(C) 锂盐 A(D) 1 4.8 1.6 0 1.6 2 6.4 3.2 1.6 3.2 3 8.0 4.8 3.2 4.8 表头 设计、实验方案及实验结果如表 3 所示 ： 表 3 9(34)正交 实验表 试验号 水平 焊点铺展面积（ mm2） 锌盐 A(A) 锌盐 B(B) 亚锡盐 A(C) 锂盐 A(D) 回流炉慢速加热 锡炉快速加热 1 1 1 1 1 25.5
10、94.4 2 1 2 2 2 31.1 98.9 3 1 3 3 3 23.1 92.2 4 2 1 2 3 32.2 97.1 5 2 2 3 1 30.6 112.2 6 2 3 1 2 34.2 106.9 7 3 1 3 2 31.3 101.1 8 3 2 1 3 38.6 104.2 9 3 3 2 1 32.3 107.3 表 4 几种 活性盐的正交实验结果与分析 指标 锌盐A(A) 锌盐B(B) 亚锡盐 A(C) 锂盐A(D) 回流炉慢速加热 所对应的的焊点 铺展面积 /mm2 K1 79.7 89 98.3 88.4 K2 97 100.3 95.6 96.6 K3 102.
11、2 89.6 85 93.9 k1 22.6 29.6 32.8 29.5 k2 32.3 33.5 31.9 32.2 k3 34.1 29.9 28.3 31.3 极差 R 7.5 3.8 4.4 2.7 因素主次 ACBD 优方案 A3 C1 B2 D2 回流炉慢速加热 所对应的的焊点 铺展面积 /mm2 K1 285.5 292.6 305.5 313.9 K2 316.2 315.3 303.3 306.9 K3 312.6 306.4 305.5 293.5 k1 95.1 97.5 101.8 104.6 k2 105.4 105.1 101.1 102.3 k3 104.2 1
12、02.1 101.8 97.8 极差 R 10.3 7.6 0.7 6.8 因素主次 ABDC 优方案 A2 B2 D1 C1/A2 B2 D1 C3 图 2 趋势图 由 图 2 可以 看出，在慢速加热条件下 ，随着助焊剂中锌盐 A 的含量从4.8wt%上升到 8.0wt%，焊点的铺展面积从 26.6mm2 最高上升至 34.1mm2（ 8.0 wt%；随着助焊剂中锌盐 B 的含量从 1.6 wt%上升到 4.8w t%，焊点的铺展面积从 29.6mm2 最高上升至 33.5mm2（ 3.2 wt%） ；随着助焊剂中亚锡盐 A 的含量从0 wt%上升到 3.2wt%，焊点的铺展面积从 32.8
13、mm2 最低下降至 28.3 mm2（ 3.2 wt%）；随着助焊剂中 锂盐 A 的含量从 1.6 wt%上升到 4.8 wt%，焊点的铺展面积从 29.5mm2 最高上升至 32.2mm2（ 3.2wt%） 。在慢速加热条件下，助焊剂中锌盐 A 的含量依然是影响焊点铺 展面积的首要因素，其对焊点铺展面积的提升比例达到 28.2%，高于锌盐 B 的 12.9%， 锂盐 A 的 9.2%和亚锡盐 A 的 -13.5%。在快速加热条件下，随着助焊剂中锌盐 A 的含量从 4.8wt%上升到 8.0wt%，焊点的铺展面积从 95.1mm2 最高上升至 105.4mm2（ 6.4wt%） ； 随着助焊剂
14、中锌盐 B的含量从 1.6wt%上升到 4.8wt%，焊点的铺展面积从 97.5mm2 最高上升至105.1mm2（ 3.2wt%） ； 随着助焊剂中亚锡盐 A 的含量从 0 wt%上升到 3.2wt%，焊点的铺展面积从 101.8mm2 最低下降至 101.1 mm2（ 1.6wt%） ， 变化幅度不大 ， 这说明在 慢速 加热时 ，亚锡盐 A 对 助焊剂活性影响不大 ；随着助焊剂中锂盐 A 的含量从 1.6wt%上升到 4.8wt%，焊点的铺展面积从 104.6mm2 最低下降至97.8mm2（ 4.8 wt%） 。 0204060801001204.8 6.4 8 1.6 3.2 4.8
15、 0 1.6 3.2 1.6 3.2 4.8焊点铺展面积mm2锌盐 A/wt% 锌盐 B/wt% 亚锡盐 A/wt% 锂盐 A/wt% 回流炉慢速加热 锡炉快速加热由 表 4 可以 看出，在回流炉慢速加热时， 助焊剂 中活性盐的 最佳组合 为 A3 C1 B2 D2，即 锌盐 A 含量 8.0wt%、 锌盐 B 含量 3.2wt %、亚锡盐含量 0wt%、锂盐 A 含量 1.6wt%； 在锡炉 快速 加热 时 ， 助焊剂 中活性盐的 最佳组合 为 A2 B2 D1 C1 或 A2 B2 D1 C3，即 锌盐 A 含量 6.4wt%、 锌盐 B 含量 3.2wt %、亚锡盐含量 0wt%或 3.
16、2wt%、锂盐 A 含量 1.6wt%。 4. 结论 1. 在 助焊剂里加入 单一 活性盐 时 ，助焊剂的活性 几乎 随着活性盐含量的 增加 而 增强 ，且活性盐的种类和焊接时加热速率对助焊剂活性影响显著。在 回流炉慢速加热 时，高含量的锂盐 A 对 助焊剂的活性提升最大 ； 在锡炉快速加热时，高含量的锡盐 A 对 助焊剂的活性提升最大。 2. 在 多种活性盐共同作用时 ，助焊剂 的活性随焊接加热 速率 和活性盐的含量的改变而发生变化。在 慢速 加热时， 活性盐 的最佳配比为锌盐 A 含量 8.0wt%、 锌盐 B 含量 3.2wt %、亚锡盐含量 0wt%、锂盐 A 含量1.6wt%； 在快
17、速加热时， 活性盐 的最佳配比为锌盐 A 含量 6.4wt%、 锌盐 B 含量 3.2wt 、亚锡盐含量 0wt%或 3.2wt%、锂盐 A 含量 1.6wt%。 参考文献 1 叶明娟 , 揭晓华 , 郭黎 ,等 . 无铅焊锡膏的研究进展及应用现状 J. 热加工工艺 , 2014(23):9-11. 2 王超 . 电子封装铝用软钎焊无铅焊锡丝配套助焊剂的研究与应用 D. 华南理工大学 , 2012. 3 吴伟明 , 高岩 . 铜与铝软钎焊技术的研究现状 J. 印制电路信息 , 2008, 29(3):105-108. 4 张浪 . LED 芯片组件封装用高性能焊铝锡膏研制 D. 华南理工大学 , 2016. 5 李云雁、胡传荣 . 实验设计与数据处理 M. 化学工业出版社 , 2008:124-145.
