＊周盾白

（廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院 廣東 510640）

電子制造工業(yè)近來在小型手持產(chǎn)品如手機(jī)和個人設(shè)備的制造上獲得了很多經(jīng)驗。由于晶片的微縮化和產(chǎn)品性能的提高，晶片制造商成功地生產(chǎn)出I/O密度非常高的晶片。對電子制造商來說，制造出很高密度，超低成本的可靠的焊錫聯(lián)接非常具有挑戰(zhàn)性[1]。

焊膏是SMT生產(chǎn)中重要的輔料，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到SMT品質(zhì)的好壞，因此受到人們廣泛的重視。除了SMT的刮板印刷，還有針筒式點(diǎn)涂和移針印[2]。其中以刮板印刷為主。一款好的焊膏，需要具有良好的綜合理化性能，金屬部份、助焊膏部份及焊膏整體性能都需要綜合考慮，只有這樣才能生產(chǎn)一款具有高可靠性的微電子裝備用的焊膏[3]。

1.焊膏組成

焊膏由合金焊料粉末和具有觸變性的焊劑系統(tǒng)組成。合金焊料粉末的成分、顆粒形狀和尺寸是影響焊膏特性的重要因素，需根據(jù)焊接對象的實(shí)際需要和具體焊接工藝合理選擇[4]。焊劑系統(tǒng)除了作為合金焊料份的載體，同時起到凈化焊接表面、提高潤濕性、防止焊料氧化和確保焊點(diǎn)可靠性的作用。

（1）焊粉。焊膏中的合金焊粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般是75%～90%。增加金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)有助于控制焊縫內(nèi)的空洞和焊縫體積大小，并使焊后易于清洗。其主要材質(zhì)為SnPb合金和SnAgCu合金（為了滿足歐盟要求現(xiàn)在主要采用的無鉛焊粉）。

焊膏中的焊料粉末尺寸、形狀和分布是影響焊膏性能的主要參數(shù)之一，它對焊膏的性能起關(guān)鍵作用。一般采用噴射塔制造焊料粉末，控制冷卻條件等使工藝條件處于最佳狀態(tài)，就能形成球形的和均勻的焊料顆粒。否則會發(fā)生顆粒的破裂變形彎曲，而形成非球形的焊粒顆粒。大多數(shù)焊膏都采用球形焊料粉末，因球形粉末在給定體積下總表面積最小，能減少可能發(fā)生表面氧化的面積。球形合金粉末的表面積小、氧化程度低、制成的焊膏具有良好的印刷性能。合金焊料粉末的粒度一般在200～400目。粒度愈小，黏度愈大；粒度過大，會使錫膏粘接性能變差；粒度太細(xì)，則由于表面積增大，會使表面含氧量增高，也不宜采用[5-6]。

銀具有高導(dǎo)電導(dǎo)熱、耐腐蝕、抗氧化、延展性好等特性，因此銀基焊膏在金屬焊接與電子表面裝聯(lián)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[7-8]。除了常用的SnAgCu合金無鉛焊料，研究者對其它的無鉛焊料也做了大量的研究，戎萬等[9]綜述了高溫釬料的發(fā)展，高溫釬焊正朝著高效、精細(xì)、智能的方向發(fā)展，而高溫焊膏是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑，常用的有鎳基、銅基、銀基、鈦基和金基五種高溫釬料。李偉等[10]研究了熔點(diǎn)在320℃的金錫合金焊膏；楊澤霖等[11]研究了一種熔點(diǎn)在220℃的中溫錫鋅焊膏；楊婉春等[12]研究了一種燒結(jié)溫度在160～320℃的納米銅焊膏。

（2）助焊膏。在焊膏中，糊狀助焊膏是合金粉末的載體，體積分?jǐn)?shù)在50%左右。為了改善印刷效果和觸變性，需加入觸變劑和溶劑；助焊膏中活性劑的作用，能清除被焊接材料表面以及合金粉末本身的氧化膜，使焊料迅速擴(kuò)散并附著在被焊金屬表面。劉旭東等[13]采用丁二酸、蘋果酸、硬脂酸復(fù)配，焊點(diǎn)潤濕性好，焊點(diǎn)光滑圓潤，鋪展性良好。郝娟娟等[14]采用10種有機(jī)酸作為無鹵活性劑，羧酸X、羧酸Y與己二酸比例為1:2:4時，焊膏具有良好的潤濕性和抗塌陷性。一款質(zhì)量優(yōu)良的焊膏，其助焊膏的配制是非常復(fù)雜的，融合了物理化學(xué)、高分子物理、金屬化學(xué)等多學(xué)科的知識。

對于不同的焊粉，助焊膏的配方也非常不同，王君等[15]通過甲基丁二酸、己二酸、水楊酸和丁二酸復(fù)配，焊膏潤濕性能優(yōu)異，焊點(diǎn)鋪展率達(dá)86.52%。

2.焊膏的特性和影響因素

焊膏需要具有優(yōu)良的儲存穩(wěn)定性。焊膏制備后，在印刷前冷藏（或在常溫下）保存3—6個月，其性能應(yīng)保持不變。要有合適的黏性。表面組裝常利用焊膏的黏性把SMD暫時固定在PCB表面上，為此，要求焊膏有良好的黏度，而且要求其黏度隨時間變化小，當(dāng)元器件貼裝后經(jīng)過較長時間才進(jìn)行再流焊接也不會減小其黏性。同時，有較好的印刷性、對基材潤濕性、較好的焊接強(qiáng)度等[16]。

（1）焊膏的流變特性。焊膏是高黏度的膏體，在外力作用下，其流動行為會發(fā)生改變，并對焊膏的印刷質(zhì)量有直接影響。印刷焊膏是SMT生產(chǎn)中的第一道工序，也是最關(guān)鍵的工序，統(tǒng)計表明SMT生產(chǎn)中60%～70%的焊接缺陷與焊膏的印刷有關(guān)。

焊膏中的助焊劑含有一定量的觸變劑，具有假塑性流體性質(zhì)，這種性質(zhì)在印刷錫膏時是非常有用的。即焊膏在印刷時，受到刮刀的推力作用，其黏度下降，故能順利通過窗口沉降到PCB焊盤上，印刷完成，焊膏黏度又迅速回升，這樣就保證了印刷圖形的規(guī)整性。焊膏屬于觸變流體。從印刷的角度來看，焊膏的觸變特性是一種受攪拌影響的特性，達(dá)到平衡需要一定時間，其印刷圖像邊緣比較整齊[17-19]。

焊料合金粒徑對具有相同合金成分及焊劑系統(tǒng)的焊膏黏度的影響，粉末粒徑增加，黏度減少；粉末粒徑減少，黏度增加。這是因為粉末顆粒的表面積隨粒徑的減少而增加，引起總剪切力增加，所以黏度增加。

溫度增加，黏度減少。為了控制錫膏黏度，必須把使用環(huán)境溫度控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，因為即使2℃的微小溫度變化也能使黏度發(fā)生至少幾十帕·秒的變化，從而影響焊膏的印刷質(zhì)量。

（2）焊膏的熔點(diǎn)與焊接溫度。焊膏的熔點(diǎn)主要取決于合金焊料粉的成分與配比。根據(jù)焊膏組成成分和熔點(diǎn)的不同，采用的回流焊接溫度也不同，而焊接效果和性能也各不相同。

3.工藝要求

要提高SMT工藝的制品良率，必須要理解SMT的工藝要求和工藝特點(diǎn)，這樣采用的焊膏才能和實(shí)際工藝所匹配。在SMT的不同工藝或工序中，要求焊膏具有與之相應(yīng)的性能[20]。但是，一款再好的焊膏，必須配合合適的工藝，才能得到高的良品率，焊膏和工裝的作用是相輔相成的，因此必需要處理好二者的關(guān)系，這樣才是有意義的。在SMT生產(chǎn)中，焊膏施加到印制板的焊盤上的方式，可以分為三種：手工滴涂、焊膏印刷、焊膏噴印[21]。焊膏印刷是主要的生產(chǎn)工藝。但對于航天小批量、多品種產(chǎn)品而言，絲網(wǎng)印刷顯得不太適合，采用自動噴印式更為靈活，適用性廣，無需定制鋼網(wǎng)[22]。

在使用過程中，即在印刷時和在再回焊爐加熱的時候，焊膏應(yīng)具有以下流變特性：（1）印刷時有良好的脫模性。焊料合金粉末顆粒直徑、粒度分布和形狀對脫模性影響很大，應(yīng)選擇粉末顆粒直徑小于鋼網(wǎng)開口部位尺寸的1/4，并選用粉末顆粒為球形顆粒（特別是在貼裝細(xì)間距器件時）。當(dāng)焊膏黏度較高時，其流動性差，脫模困難；但黏度太低，則印刷后可能出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。焊膏觸變性較差時，脫模較容易，但又容易發(fā)生坍塌。為此，必須按實(shí)際要求和工作條件合理選擇和確定焊膏的流變參數(shù)。（2）印刷時和印刷后焊膏不易坍塌。實(shí)際上，印刷脫模性和坍塌性有相應(yīng)關(guān)系，如在無定形焊料粉末中，粒度大和觸變性好時，不易坍塌。

QFN是一種較新的IC封裝形式，適應(yīng)性更廣、可靠性較高。焊接時，一定要調(diào)整好焊接溫度曲線，盡量降低因溫度升高產(chǎn)生的氣泡，并要合理控制焊膏的印刷工藝和貼裝焊接工藝，確保QFN的焊接可靠性[23]。

（1）回流焊要求。不論是點(diǎn)涂、噴涂還是絲印，最終都要通過回流焊來達(dá)到最終的焊接。由于不同的焊膏其助焊膏配方不同，每款焊膏金屬成份，助焊膏中溶劑揮發(fā)的溫度、速度，活性劑作用的溫度等都不相同，我們需要對回流焊的溫度曲線進(jìn)行合理的設(shè)計。不論是采用何種工藝的焊膏，其回流焊時要求焊膏具有下列特性。

①具有良好的潤濕性能。焊膏中的焊劑和波峰焊中的助焊劑不同，在回流焊加熱曲線的下，其潤濕行為更為復(fù)雜。

②減少焊料球的形成。產(chǎn)生焊料球是焊膏回流時常出現(xiàn)的不良現(xiàn)象，業(yè)界稱為錫珠。這有兩方面原因，一方面由于當(dāng)溫度急劇上升時，焊膏會出現(xiàn)近似沸騰現(xiàn)象，引起焊料顆粒飛濺。這需要在助焊膏配方設(shè)計的時候，控制不同沸點(diǎn)溶劑的比例，在升溫過程中讓一部份溶劑先揮發(fā)，這樣就不會出現(xiàn)助焊膏集中熔化沸騰的現(xiàn)象。另一方面，焊粉的氧化程度不能太高，否則助焊膏中的活性劑不能讓它完全還原為單質(zhì)金屬，使焊粉不能在回流焊溫度下熔融，從而形成錫珠；助焊膏中的活性成份也不能太低，應(yīng)能使焊粉金屬正常完成還原反應(yīng)[24]。

③回流焊接后要求的特性。A.洗凈性。焊接后若有焊劑殘渣和焊料球留在電路板上，將影響組件可靠性，所以一般需在焊接后進(jìn)行清洗。特別是對高性能電子產(chǎn)品和軍事裝備電路組件，清洗是必須的。傳統(tǒng)組裝工藝常采用松香型焊劑，其有效清洗劑是氟氯烴（CFC）等。因為焊接后在電路板組件上殘留下的焊劑剩余物是焊劑中的固體成分，所以要求焊劑中固體含量越低越好。同時，要求焊劑成分具有高絕緣性和低腐蝕性。B.焊接強(qiáng)度。焊接后能得到良好的接合狀態(tài)（焊點(diǎn)），要求焊料合金及其焊縫具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，以確保PCBA在使用過程中不會因振動等因素而出現(xiàn)元器件脫落，保證其長期可靠性[25]。

（2）SMT印刷要求。在SMT工藝中，印刷工藝對良品率的影響達(dá)到60%～70%。首先，SMT工藝通常采用模板印刷，由于焊膏印刷比其它涂料的印刷復(fù)雜和易發(fā)生質(zhì)量問題。焊膏的印刷工藝設(shè)定和控制，在整個表面組裝工藝中應(yīng)該放在首要的位置[28]。在模板印刷中，最大印刷速度取決于PCB上SMD的最小腳距，在進(jìn)行高精度印刷時（腳距≤0.5mm），印刷速度一般在20～30mm/s。使用角度小的刮刀印刷時，焊膏印刷量是其重要的控制因素；印刷用刮刀通常都采用合金、聚酯橡膠等做成。合金材料做的刮刀因其硬度高，印刷圖型較規(guī)整，但是這種刮刀，會增加鋼網(wǎng)本身的磨損；模板印刷的印刷厚度基本由模板的厚度決定，并與焊膏特性及工藝參數(shù)有關(guān)。

4.結(jié)論

本文綜述了焊膏的組成與性能的關(guān)系，只有各方面性能達(dá)到完美平衡的焊膏，才能在SMT生產(chǎn)中具有良好的表現(xiàn)。同時，結(jié)合SMT生產(chǎn)實(shí)際狀況，焊膏的性能需要和工藝工裝良好地匹配，才能使SMT生產(chǎn)獲得高的良品率和產(chǎn)品品質(zhì)。