1、高性能无铅焊膏和焊剂的技术开发高性能无铅焊膏和焊剂的技术开发蔡积庆编译(江苏南京 210018)摘要概述了高性能无铅焊膏和焊剂的技术开发,适用于便携电话等便携电子设备的高密度安装.关键词无铅焊膏;焊剂;低共熔点合金焊料中图分类号:TN41 支献标识码:A 文章编号:10090096(2009)9-006304TechnicalDevelopmentofHighPerformanceLead.FreeSolderPastesandFluxesCAIJi-qingAbstractThispaperdescribesthetechnologydevelopmentofhighperformanceP
2、bfreecreamsolderandflux.Itsuitabletohighdensitymountingformobilephoneetc.mobileelectronicsequipment.KeywordsPb-freecrearnsolder,flux,eutecticallysolder()前言从冰箱或者电视等我们身边的家电产品到大型计算机等电子设备中,使用了大规模集成电路或者电阻,电容,电感等各种各样的电子元器件.在 1 枚安装用的 PCB 上搭载了各种各样的电子元器件,组成了电子控制系统用的电子设备.在安装用的 PCB 上布设了电子电路,焊料起着电气上连接电子元器件并固定在
3、PCB 上的作用.图 1 表示了安装用 PCB 和电子元器件的关系.焊料材料长年使用由 Sn 和 Pb 组成的 Sn.Pb 合金焊料,然而近年来不含铅的合金材料的利用迅速发展.这是由于电子电器设备使用以后废弃时,如果遭遇酸性雨水,则会溶解焊料中的铅进而溶解于地焊接邵安装用 PCB图 1 安装用 PCBfl 电子元器件下水中,如果饮用这种地下水,那么铅就会积累在人体内,进而诱发各种各样的神经系统障碍,造成严重的环境污染问题.图 2 表示了无铅化的背景.在这种背景下,欧盟(EU)于 2006 年 7 月旌行了 RollS法令,禁止使用含 Pb 的特定有害物质 ,在一般使用PrintedCircui
4、tInformation 印制电路信息 2009No.9.SMT的电子电器设备中禁止使用加入铅的焊料.以此为契机,世界上正在致力于适应降低环境负荷的无铅焊料的转换.无铅化的背景铅溶解产生的地 F 水( 饮片 j 水)污染图 2 无铅化的背景现在已经实用化的无铅焊料,与传统的加入铅的焊料相比,存在着对于接合金属的融合性差的问题.因此与焊料共同使用的焊剂的高性能化显得尤为重要,它可以改善与焊料金属接合的金属湿润性,从而弥补无铅焊料的短处.焊剂是来自天然松脂的松香与数种化学物质的混合物.为了焊剂的高性能化即无铅焊料的高性能化,必须利用关于焊料金属的知识和焊剂的开发设计用的化学知识.日本荒川化学工业(
5、株)是使用松香为焊剂的基本树脂的项级制造商,有效利用它的经验和知识,在焊接以后的焊剂清洗领域中给电子材料业界留下了深刻印象.趁无铅焊料的转换机会,有效利用荒川 1 化学工业(株)长年积累的松香和化学的知识,正在致力于高性能无铅焊料的开发.本文叙述了电子元器件焊接所必须的“焊料 “,“焊剂“和“ 无铅焊膏“ 的知识,并就适应高功能化和高性能化迅速发展的便携电话等便携电子设备安装用的无铅焊膏“TASLF2l9.2“加以介绍.j 斤|铅蝉膏11 焊料传统使用的焊料是由 63%sn 和 37%Pb 构成的低共熔点 Sn.Pb 合金焊料.加热熔融焊料作为粘结材料将金属电极和电子元器件接合,称为焊接,可以
6、获得强固的高可靠性的电气连接,作业性良好,因此“ 焊接性 “是焊料的重要性能之一.加入铅的低共熔点焊料在熔融状态下的表面张力低,在焊接加工中与电子元器件或者 PCB 上接合的电极金属的融合性良好.因此接合强度高,电气和机械的可靠性高.尤其是加入铅的低共熔点焊料的熔点比较低(183 ),焊接时的热影响少,不会劣化电子元器件的性能.正因为这样,使用加入铅的低共熔点:PrintedCircuitInformation 印制电路信息 2009No.9焊料焊接的产品可靠性高,在电气电子工业中有着悠久的使用历史.然而近年来由于铅对环境产生的污染为人类所不容,于是迫切要求转换到不含铅的无铅焊料.现在已经研究
7、了旨在取代低共熔点焊料的无铅焊料合金,它们是 Sn.Ag.Cu 系或者 SnCu 系,Sn Zn系.图 3 表示了加入铅的低共熔点焊料合金与无铅焊料合金的熔点比较.由图 3 可知,根据焊接时的作业性或者焊料接合的可靠性等方面,SnAgCu 系焊料合金已经成为实质上的业界标准焊料.在日本,sn.3.0Ag 一 0.5Cu 的焊料组成(熔点 217220)已经成为标准焊料,然而在海外,即使 SnAg.Cu 系合金也多用低 Ag 系(1,2Ag 或者 0.7Ag 系)的焊料合金.无 Pb 焊料Au.20Sn278C一至!,/139Sn 一 52In119图 3 加入铅的焊料合金和无铅焊料合金的熔点比
8、较SnAgCu 系无铅焊料与加入铅的低共熔点焊料的不同点有:(1)熔点高;(2)容易被氧化;(3)熔融金属的表面张力高等.表 1 表示了 Sn3.0Ag0.5Cu 焊料与 Sn37Pb 焊料的性能比较.特别是对于熔融时的焊料金属与电极材料的融合性即湿润扩展性方面,无铅焊料比加入铅的低共熔点焊料的性能差,接合不良等影响到产品的焊料金属l;Cu 板一焊剂图 4 铅焊料与无铅焊料的湿润扩展性比较:表面安装技术;.一可靠性.图 4 表示了加入铅的低共熔点焊料与无铅焊料在湿润扩展性方面的比较.为了改善无铅焊料的这些短处,需要高性能化的焊剂担当此任,既可有效而迅速的除去容易氧化的焊料金属表面上的强固氧化膜
9、,又可防止焊料金属的再度氧化.1.2 焊剂焊剂是焊接时不可缺少的材料,焊剂是由树脂,添加剂和溶剂等构成的.焊接中焊剂的作用有:(1)除去金属表面上的氧化膜,使焊接的表面清净化;(2)防止清净化的金属表面的再氧化;(3)降低熔融金属的表面张力.下面就焊剂的构成成分及其任务进行叙述.1.2.1 树脂聚合松香或者氢化松香已经长年用作电子元器件焊接用焊剂的基本树脂.松香作为焊剂树脂的理由是:(1)松香具有的羧基起着酸的作用,利用焊料或者电极金属表面的还原反应而除去表面上的氧化膜;(2)在常温下的电气绝缘性优良;(3)在基板上搭载电子元器件时具有必要适度的粘结性;(4)加热涂覆于焊料合金粉末的表面上,可
10、以抑制焊料合金表面的氧化.1.2.2 添加剂由于仅仅松香还不能充分除去氧化物,所以焊剂中还要微量添加具有与金属表面进行反应的活性成分.一般使用有机酸,胺和卤系化合物等活性添加剂.1.2.3 溶剂添加溶剂旨在调整焊剂的物理性能,一般使用对于基本树脂或添加剂的溶解性良好的醇系溶剂.1.3 焊膏焊膏是焊料合金粉末与焊剂混合并加工成为胶状的焊料,在安装基板的表面上进行电子元器件焊接的工程中,可以仅涂覆于基板上的电极部分.焊料合金粉末与焊剂以大概 9:l 的比例进行混合,混练成为涂布所需要的适当粘性的胶状.图 5 表示了焊膏的制造方法.代表性的焊膏的涂布方法是丝网印刷法,使用金属掩模在基板电极上转移印刷
11、焊膏,再在焊膏上搭载电子元器件,然后采用称为再流焊的加热工程熔融焊料,进而焊接电极和电子元器件.图 6 表示了焊膏的使用方法.在使用焊膏的基板安装工艺中,由于具有高密度的一次性接合电子元器件的特长,所以丝网印刷法在电子元器件的接合中已经成为主流的方法.合金粉末和焊剂混练以后的焊膏图 5 焊膏的制造方法J_I=;属圜_电子元器件的搭载电子元器件的焊接图 6 焊膏的使用方法,由于焊接决定了电子设备和电气产品的可靠性,所以焊膏具有焊接性或者保存稳定性等数十项严格的品质和性能.图 7 表示了焊膏所要求的各种性能.为了开发满足这些性能要求的焊接性没有问题的焊膏制品,把握焊膏的构成成分及其物理性能与焊膏制
12、品性能有着怎样的因果关系方面的技术知识非常有必要.图 8 表示了关于焊膏的技术要素.在加PrintedCircuitInformation 印制电路信息 2009No.9:面安装技术;.SMT入铅的低共熔点焊料情况下,因为金属本身具有优良的“ 焊接性“ 的性质,所以焊剂开发没有象今天的无铅化焊料那么重要.然而为了满足“焊接性“ 比加入铅的低共熔点焊料差的无铅焊料的品质要求,必须开发旨在改善“焊接性“ 的高功能的焊剂 .为此在无铅焊膏的开发时的传统金属学上加上与焊剂开发有关的化学,物理学,流变学和热力学的知识很有必要.在这种背景下,荒川 I 化学工业(株)重视与松香和化学相关的知识,进行高性能无
13、铅焊膏的产品开发,现在已经应用于焊接以后要求高可靠性的车载领域中或者要求超高密度焊接性的半导体封装领域中,尤其是在便携电话领域中,正在采用具有大幅度降低焊剂飞散的特性的“TASLF219.2“ 制品.图 7 焊膏所要求的各种性能构成成分/匝匾困技术基础.一一轿网 I 塑生选 iL=L=性能r,+:, 圈(“lkl 工艺适应性 II(印刷)作业性 1l 保存稳定性 ll 焊接性 ll(接合)可靠性 l.图 8 关于焊膏的技术要素2 便携电话的 PCB 用焊膏“TASLF2192“随着便携电话等便携式电子终端产品的高性能化,小型化和高密度安装化的发展,挠性印制板(FPC)上搭载的电子元器件发展为微
14、细化,越来越要求适应于高密度的焊接性能和生产合格率提高的无铅焊膏.荒川化学工业(株)为此所开发的无铅焊膏制品“TASLF2l92“具有焊接以后,由于焊剂中的气体分解而引起的焊剂飞散少的特征.例如,如果焊接时飞散的焊剂附着于 2 次电极上,则会引起连接器电极的变色或者导通不良等恶劣影响.因此,为了防止 2 次再流焊工程中电极上的焊剂附着,电极上涂覆飞散防止保护层等的工程是必要的.然而“TASLF219.2“可以比传统制品大幅度减少焊剂的飞散,因此可以省略飞散防止保护层的涂覆工程,从而:PrintedCircuitInformation 印制电路信息 2009No.9降低了工艺成本.图 9 表示了
15、焊剂飞散的机理.根据焊剂的构成成分的热状态的研究结果,阐明引起焊剂飞散的特定成分和飞散机理,把这些知识应用焊剂的材料设计中,进而开发出高性能的焊剂和无铅焊膏.焊剂飞散的髑 FluxSplashmechanium1-L没确发现焊剂飞散焊剂飞散图 9 焊剂飞散的机理3 结语焊料材料的开发中一般是反复的试验和失败直到解决技术课题的过程.在这过程中,有无焊料的经验或者能否与终端用户保持密切关系,信息收集能力的高低左右着产品开发的优劣.为了与具有悠久历史的,与电子设备制造商保持强有力渠道并处于优势地位的大户头制造商进行对等的竞争,就必须透彻理解焊料,焊剂的功能,才能提高开发的速度.为此必须深刻的研究与焊
16、剂有关的错综复杂的各种化学要素技术,这对于焊剂和焊膏的开发至关重要.在便携电话等移动电子设备领域中,更加高密度化发展的同时,还要求不含卤素成分,因此对焊料制品要求的性能更高.针对今后的各种技术课题,荒川化学工业(株) 将会致力于化学的和科学的研究开发,为移动电子设备领域中代表性产品的高性能化和无铅化焊料技术的提高作出贡献.囫参考文献1OfficalJournaloftheEuropeanUnion,Feb,13(2003),L37/19 一 L37/23,L37/24 一 L37/38.2菅沼克昭. 法南(0 法付 I,技衍.工桨调查会,2oO2.3K.Suganuma.CurrentOpinioninSolidStateandMaterialsScience,5(2001)55-64.【4K.ZengandK.N.Tu.MaterialsScienceandEngineering,R38(2002),55105.5】岛津大辅,岩村荣治.11thSymposiumon“MicrojoiningandAssemblyTechnologyinElectronics“(2008),119124.6干柴安雄, 岩村檠治.高性能铅 7u 一 u 一厶杖7 于 z0 技衍冈登 ,JETI(日 ),VOL.56,NO.13,2008.林金堵校:表面安装技术;.蠢藩
