焊膏

均质混合物

焊膏是一种均质混合物,由合金焊粉,糊状焊剂和一些添加剂混合而成的具有一定粘性和良好触变性的膏状体。它是一种均相的、稳定的混合物。在常温下焊膏可将电子元器件初粘在既定位置,当焊膏被加热到一定温度时,随着溶剂和部分添加剂的挥发、合金粉的熔化,焊膏再流使被焊元器件与焊盘互连在一起经冷却形成永久连接的焊点。

简述
焊膏是表面安装再流焊工艺必须的材料,是由合金焊料粉末、糊状助焊剂(载体)和一些添加剂混合而成的,具有一定粘性和良好触变特性的膏状体。焊膏在表面安装组件的制作中具有多种重要用途,由于它含有有效焊接所需的焊剂,故无须像插装元器件那样单独加入焊剂和控制焊剂的活性及密度。在进行再流焊接之前,焊膏在表面安装元器件的贴放和传送期间还起着临时的固定作用。焊膏由专业厂家生产,使用者应掌握选用方法。
随着回流焊技术的应用,焊膏已成为表面组装技术中最重要的工艺材料,近年来获得飞速发展。在表面安装的再流焊接过程中,锡膏用于实现表面安装元件的引脚或端子与焊盘之间的连接。焊膏涂覆是表面安装技术的一道关键工序,它将直接影响到表面安装元器件的焊接质量和可靠性。
焊膏的组成
焊膏主要由合金焊料粉末和助焊剂组成、混合搅拌均匀而形成的一种膏状混合物。其中合金焊料粉占总重量的85%~90%,助焊剂占10%~15%。
合金焊料粉末
合金焊料粉末是在惰性气体中喷雾法制作,经分级确定粉末的粒度。锡粉的形状分为球形和不定形,球形适于印制。
常用的合金焊料粉末有铅和无铅两大类。有铅的焊料粉末有锡-铅(Sn-Pb)、锡-铅-银(Sn-Pb-Ag)、锡-铅-铋(Sn-Pb-Bi)等,其中最常用的合金成分为63%Sn/37%Pb以及62%Sn/36%Pb/2%Ag;无铅的焊料粉末有锡一银(Sn-Ag)、锡-银-铜(Sn-Ag-cu)等,其中最常用的合金成分为96.5%Sn/3.5%Ag以及93.6%Sn/4.7%Ag/1.7%Cu;随着环保要求的提高,无铅焊料粉末越来越被广泛使用。
助焊剂
在焊膏中,糊状助焊剂是合金粉末的载体。其组成与通用助焊剂基本相同。为了改善印制效果和触变性,有时还需加入触变剂和溶剂。通过助焊剂中活性剂的作用,能清除被焊材料表面以及合金粉末本身的氧化膜,使焊料迅速扩散并附着在被焊金属表面。助焊剂的组成对焊膏的扩展性、润湿性、塌陷、粘度变化、清洗性质、焊珠飞溅及储存寿命均有较大影响。
焊膏的种类
焊锡通常定义为液化温度在400℃(750℉)以下的可熔合金:裸片级的(特别是倒装芯片)锡球的基本合金耐高温、铅含量高,比如Sn5/Pb95或Sn10/Pb90。共晶或临共晶合金,如Sn60/Pb40、Sn62/Pb36/Ag2和Sn63/Pb37也已成功使用。
(1)按焊料中是否含铅分类
可分为有铅焊料和无铅焊料,随着各国对环境保护的日益重视,各国正在推广无铅焊料。
(2)按合金焊料粉的熔点分类
最常用的焊膏熔点为178~221℃,随着所用金属种类和组成的不同,焊膏的熔点可提高至250℃以上,也可降为150℃以下,可根据焊接所需温度的不同,选择不同熔点的焊膏。
(3)按焊剂的活性分类
参照通用液体焊剂活性的分类原则,可分为无活性(R),中等活性(RMA)和活性(RA)三个等级,根据PCB和元器件的情况及清洗工艺要求进行选择。
(4)按焊膏的粘度分类
粘度的变化范围很大,通常为100~600Pa·s,并可达1000Pa·s以上。依据施膏工艺手段的不同进行选择。
(5)按清洗方式分类
按清洗方式分为有机溶剂清洗、水清洗、半水清洗和免清洗等方式。从保护环境的角度考虑,水清洗、半水清洗和免清洗是发展方向。
焊膏的选择
焊剂活性选择
焊剂是焊膏载体的主要成分之一。焊膏可以利用3种不同类型的焊剂,即R焊剂(树脂焊剂),RMA焊剂(适度活化的树脂焊剂)和RA焊剂(完全活化的树脂焊剂)。适度活化的树脂焊剂和完全活化的树脂焊剂中的活化剂可去除金属表面的氧化物和其他表面的污物,促使熔化焊料浸润到表面贴装的焊盘和元器件端接头或引脚上。根据表面安装印制电路板的表面清洁度及元器件的保新度选择,一般可选中等活性,必要时可选高活性或无活性级,超活性级。
粘度选择
焊膏粘度根据涂敷法来选择,且焊膏的粘度依赖于应用工艺的特性(如丝网孔径、刮板速度等)。对于丝网印刷,通常选择的粘度是100~300Pa;对于漏板印刷,应该选择有高的粘度,其范围为200~600Pa;对使用注射式进行分配的,其粘度应为100~200Pa。
金属含量选择
焊膏中金属的含量决定焊缝的大小。焊缝随着金属百分比的增加而增大,但是随着给定粘度的金属含量的增加,焊料的金属含量稍加改变,就会对焊点质量产生很大影响。例如,对于相同的焊膏厚度,金属含量改变10%就会使焊点由过量变得不足。一般地,用于表面安装组件的焊膏应选88%~90%的金属含量。
焊料粒度选择
焊料颗粒的形状决定了粉末的含氧量及焊膏的可印制性。球状粉末优于椭圆状粉末,球面越小,氧化能力越低。
储存与使用
(1)储存
①焊膏购买到货后,应登记到达时间、保质期、型号等,并进行验收,必要时根据供应商提供的检测报告按照规范进行测试验证。
②每批焊膏应分开存放,领用时采用先进先出原则。
③焊膏应密封保存在5~10℃的环境中。温度过高,焊剂与合金焊料粉起化学反应,使黏度上升影响其印刷性;温度过低(低于0℃),焊剂中的松香会产生结晶现象,使焊膏性状恶化。
(2)取用
①一般应陔在使用的前一天从冰箱中取出焊膏,至少要提前2小时取出,待焊膏达到室温后,才能打开焊膏容器的盖子。如果在低温下打开,容易吸收水汽,再流焊时容易产生锡珠。注意不能使用热风器、空调等加速焊膏升温。
②焊膏开封后,观察锡膏,如果表面变硬或有助焊剂析出,必须进行特殊处理,否则不能使用;如果焊锡膏的表面完好,则要用搅拌机或手工缓慢搅拌均匀以后再使用。如果焊锡膏的黏度大而不能顺利通过印刷模板的网孔或定量滴涂分配器,应该适当加入稀释剂,充分搅拌稀释以后再用。
③取出焊膏后,应该盖好容器盖,避免助焊剂挥发。
(3)焊膏的涂布
涂布焊膏的方法主要有三种:注射滴涂、丝网印刷和漏版印刷。注射滴涂是采用专门的分配器或手工来进行的,采用桶状焊膏,一般适合小批量生产。丝网印刷采用尼龙或不锈钢丝状材料编成丝网,并在上面刻出图形,把焊膏漏印到PCB板上,一般适用于组装密度不高的中小批量生产。最常用的是漏版印刷,采用黄铜或不锈钢钢片,在上面刻出图形,把焊膏印刷到PCB板上。这里介绍采用漏版印刷时焊膏的使用方法。
①根据印制板的幅面及焊点的多少,决定第一次加到漏版上的焊膏量,一般第一次加200~300g的锡膏条(保证锡膏条的滚动性),印刷一段时问后再适当加入一点。
②焊膏印刷时间的温度为25±3℃,相对湿度60%为宜。温度过高,焊膏容易吸收水汽,在再流焊时产生锡珠。
③焊膏置于漏版上超过30min未使用时,应先用丝印机的搅拌功能搅拌后再使用。
④把焊膏涂敷到印制板上的关键是要保证焊膏能准确地涂敷到元器件的焊盘上。如涂敷不准确,必须擦洗掉焊膏再重新涂敷(擦洗免清洗焊膏不得使用酒精)。
(4)回收
若中间间隔时间较长,应将焊膏重新放回罐中并盖紧瓶盖,直到被再次使用。焊膏开封后,原则上应在当天内用完。从漏版上刮回的焊膏也应密封冷藏。
(5)其他
印好焊膏的电路板要及时贴装元器件,超过时间应把焊膏清洗后重新印刷。完成贴装的电路板尽量在4 h内完成再流焊。再流焊的电路板,需要清洗的应该在当天完成清洗,防止焊锡膏的残留物对电路产生腐蚀。
发展动向
由于Sn-Pb焊料使用方便,可靠性高,已被广泛应用。但是随着电子产品向轻、薄、小的方向发展,焊接技术也将更加复杂化和精密化。新品种的焊膏也不断被开发。国外有关焊膏的发展动向:
1.焊料粉的微细化早期焊膏的焊粒不定型,随着QFP器件的出现,焊粉形状为球形,后来又从球形向粉末的微粒子进化,人们正设法开发粒度在20μm以下的焊膏。
2.抗疲劳性焊膏
传统增加抗疲劳的方法是加厚焊锡量来吸收导线的疲劳应力,延长焊接的寿命。但是随着产品的高密度化和高性能化,用过去的方法己难于达到目的,因此焊膏本身也要求耐疲劳性。国外在普通的63Sn一37Pb中增加稀有元素来达到此目的,它可以和以往的焊锡一样使用,而耐疲劳陛却成倍增加。
3.无铅焊膏
随着物质生活水平的提高,人们的环保意识日益增强。在焊料中铅的毒性最突出,有人提出加以限制。尽管焊锡中的铅使用量与其他场合的铅使用量比较,毒性较小,但也是限制使用的对象。国外正加紧开发无铅焊膏,例如日本KOKI公司开发的Sn-Ag-Su焊膏的性能接近于63Sn-Pb37的焊膏。其中,Sn-Ag-Cu无铅焊膏的熔化温度为217℃,再流焊温度为240℃,其特点为无毒和耐热疲劳性好;Sn-Ag-Bi-Cu无铅焊膏的熔化温度为189~214℃,再流焊温度为230℃,其性能与63Sn-Pb37类似。
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