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。
電子組裝業(yè)錫膏生產(chǎn)企業(yè)如何選擇
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。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。
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%。
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)測試方法進(jìn)行評估。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、潤濕性、焊球可控性、可檢查性{探針測試}、可靠性{絕緣電阻及電遷測試}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)都不具備檢測能力。因此對技術(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%，對于點(diǎn)涂等注射方法，含量可低至80%~85%。驗(yàn)證焊膏顆粒可通過顯微鏡{帶分析設(shè)備}對所攝像范圍內(nèi)的顆粒直徑進(jìn)行測量，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)主要測試焊膏黏度、印刷過程中黏度變化率及觸變系數(shù)。黏度測試可參考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。印刷高度評估時(shí)對數(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。塌陷測試可參考IPC-TM-650。
(5)焊膏潤濕性是評估焊膏在焊盤表面潤濕能力和對焊盤表面氧化的處理能力，測試時(shí)可以對不同的焊盤鍍層進(jìn)行測試，測試方法可參考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。測試法方法可參考IPC-TM-650。
(7)焊膏工作壽命是評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)量優(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)槠鋵辖鹦阅軟]有明顯的影響，無鉛焊料在注冊專利時(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，但其對錫爐易產(chǎn)生強(qiáng)的蝕孔、對產(chǎn)品細(xì)引流產(chǎn)生銹蝕、對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。回流焊中仍然以SAC 為主，其次二元合金Sn3.5Ag為日本JEITA和美國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。
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