表面活性劑對無鉛錫膏焊接效果的影響

謝 鵬，張宇航，韓振峰，孫福林，戴賢斌，蔡志紅，吳家前

（廣東省焊接技術(shù)研究所（廣東省中烏研究院），廣東 廣州 510651）

1 引言

錫膏是伴隨著電子產(chǎn)品表面組裝技術(shù)SMT發(fā)展而出現(xiàn)的焊接產(chǎn)品，隨著電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，既要能滿足多功能、小型化、高密度、高性能的要求，同時還需要有良好的產(chǎn)品品質(zhì)［1］，高性能錫膏的研發(fā)已成為電子產(chǎn)品表面組裝領(lǐng)域研究熱點(diǎn)［2-3］。錫膏是一個復(fù)雜的體系［4］，是由焊錫粉、助焊劑以及其它的添加物加以混合，形成的乳脂狀混合物。錫膏在常溫下具備一定的粘性，可將電子元器件初粘在既定位置［5］，在焊接溫度下，錫膏添加劑和溶劑優(yōu)先揮發(fā)，隨后焊錫粉融化，將被焊元器件與印制PCB板焊接在一起形成永久連接，冷卻后就實(shí)現(xiàn)了元器件與印制PCB板之間的互聯(lián)［6］。助焊劑是錫粉的載體，可以提高焊料與元器件的浸潤程度，改善釬焊質(zhì)量［7］，有時需要加入適量的溶劑改善印刷效果。通過助焊劑中活性劑的作用，能清除被焊材料表面以及錫粉本身的氧化物［8-9］，提高熔融焊料與基板之間的潤濕性［10］，使焊料迅速擴(kuò)散并附著在被焊金屬表面。助焊劑的成分配比影響著錫膏的潤濕性、鋪展性、塌陷性能，對錫膏焊接性能起著決定性的作用。

錫膏在印刷回流焊接工藝過程中，錫膏中的焊錫粉經(jīng)歷由固態(tài)到液態(tài)、液態(tài)再到固態(tài)的變化過程，由此完成回流焊接，在焊錫粉受熱變?yōu)橐簯B(tài)焊料時，固態(tài)的母材與液態(tài)的焊料間由于氧化皮的存在，會表現(xiàn)出很大的表面張力，若不能有效的降低固-液界面的表面張力，在回流焊接工藝后續(xù)部分，即液態(tài)的焊料轉(zhuǎn)化成焊點(diǎn)時，液態(tài)焊料潤濕性差導(dǎo)致沒有合適的潤濕角，無法在焊接母材上鋪展開或鋪展較小，無法覆蓋所要焊接的部分，焊點(diǎn)呈現(xiàn)球狀，影響線路焊接的效果［11］，這是典型的焊接效果差的表現(xiàn)，通常稱之為潤濕不良。出現(xiàn)這種焊接不良現(xiàn)象的主要原因是表面張力大，所以如何有效降低液態(tài)焊料與焊接母材之間的表面張力是影響錫膏焊接效果的關(guān)鍵因素。

表面活性劑是能活躍于其他物質(zhì)表面具有極高降低表面張力能力和效率的一類物質(zhì)［12］，在釬焊中起著舉足輕重的作用。表面活性劑的主要作用是降低錫膏熔化后的表面張力，增加錫膏對焊接母材的浸潤性，提高焊料的潤濕能力，從而降低焊料的表面張力，使焊料更好的鋪展開，減少焊點(diǎn)缺陷［13］，保證焊點(diǎn)質(zhì)量［14］。因此選用合適的表面活性劑，能夠有效的降低焊接過程中固-液界面間的表面張力，促使焊料與焊接母材達(dá)到更好的潤濕效果，進(jìn)而保證良好的焊接效果。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備：CY-F820無鉛回流焊機(jī)、FA2204C電子分析天平、超高精度恒溫槽等。

（2）實(shí)驗(yàn)材料：Sn03Ag07Cu無鉛焊錫粉、GB/T 2040規(guī)定的二號銅板、有機(jī)酸（丁二酸）、醇類溶劑（乙醇）、觸變劑（氫化蓖麻油）、松香、表面活性劑GE-511、表面活性劑EB-9、表面活性劑 AP-8。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）錫膏樣品的配制。

如表1所示比例配制助焊劑，按照助焊劑與焊錫粉（15%∶85%）的比例配制成錫膏樣品，進(jìn)行回流焊接實(shí)驗(yàn)。研究不同表面活性劑對錫膏焊接效果的影響，以鋪展率，焊點(diǎn)外觀為評價指標(biāo)，選擇最優(yōu)的表面活性劑。在此基礎(chǔ)上，選取不同含量的表面活性劑，研究不同含量的表面活性劑對錫膏焊接效果的影響。

表1 助焊劑的成分

（2）無鉛錫膏鋪展率測試。

從GB/T 2040規(guī)定的二號銅板（牌號為T2）上切取0.3mm×50mm×50mm平整試片五塊，除油后用500#細(xì)沙紙去除氧化膜，并用拋光膏拋光后用無水乙醇清洗干凈并充分干燥。將試片放在溫度為（150±2）℃的烘箱中氧化1h，所有試片應(yīng)放在烘箱的同一高度上。試片從烘箱中取出后，放在密封的干燥器中備用。將配制好的無鉛錫膏印刷在處理好的銅板上，然后進(jìn)行回流焊接，冷卻后用溶劑清洗掉殘留物后測量焊點(diǎn)高度（h）。

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9491-2002《焊錫用液態(tài)焊劑（松香型）通用規(guī)范》進(jìn)行擴(kuò)展率測試，擴(kuò)展率（SR）的計算如下：

SR=(D-h)/D×100%

式中D為假設(shè)與所用的焊料等體積的焊料球的直徑，即D=1.24V*1/3, V=m/ρ，m為焊料環(huán)的質(zhì)量，ρ為焊料的密度。

（3）銅板腐蝕試驗(yàn)。

參考IPC-TM-650中的實(shí)驗(yàn)要求，將配制好的無鉛錫膏按照實(shí)驗(yàn)要求放置在實(shí)驗(yàn)銅板上，經(jīng)過回流焊接處理，將實(shí)驗(yàn)樣品放置在溫度為40±1℃，濕度為93±2%的恒溫恒濕的環(huán)境下，就行銅板腐蝕性試驗(yàn)，觀察記錄240h后銅板腐蝕情況以及外觀顏色變化。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 表面活性劑類型對錫膏鋪展率的影響

分別選取表面活性劑GE-511、表面活性劑EB-9、表面活性劑AP-8作為錫膏表面活性劑 ，如表1所示成分，配制成助焊劑樣品，按照助焊劑與合金粉（15%∶85%）的比例，配制成無鉛錫膏，分別編號為1#、2#、3#，同時選取無添加表面活性劑的無鉛錫膏樣品作為對比實(shí)驗(yàn)，編號為0#。按照鋪展率測試標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行錫膏鋪展率測試，其測試結(jié)果如圖1、表2所示。

圖1 錫膏樣品焊點(diǎn)外貌

表2 錫膏樣品鋪展率測試結(jié)果

圖1中可以看出，2號焊點(diǎn)外貌接近圓形，鋪展效果最好，0號最不規(guī)則。從表2中可知，0號樣品鋪展率最低，2號鋪展率最高，達(dá)到84.56%，說明在沒有添加表面活性劑的情況下，液態(tài)焊料與焊接母材的固-液界面表面張力較大，導(dǎo)致潤濕性較差，液態(tài)焊料無法均勻的在銅板上鋪展開。表面活性劑能夠有效增強(qiáng)錫膏的潤濕性能，降低焊料與焊接母材的表面張力，增強(qiáng)錫膏焊接效果，其中以2號表面活性劑EB-9樣品焊接效果最佳。

3.2 表面活性劑EB-9含量對錫膏焊接效果的影響

選取2號表面活性劑EB-9為錫膏表面活性劑。保持其他組分不變，如表1所示成分，改變表面活性劑含量，其表面活性劑含量如表3所示，配制成不同含量的助焊劑樣品，按照助焊劑與焊錫粉（15%∶85%）的比例，配制成無鉛錫膏，分別編號為A、B、C、D號。通過鋪展率測試以及銅板腐蝕性實(shí)驗(yàn)，研究表面活性劑EB-9含量對錫膏焊接效果的影響。

表3 表面活性劑不同含量

3.2.1 表面活性劑EB-9含量對錫膏鋪展率的影響

表面活性劑EB-9含量對錫膏鋪展率的影響如圖2、表4所示，隨著表面活性劑EB-9含量的增加，鋪展率先增大，后保持不變，在一定含量范圍內(nèi)，表面活性劑能夠有效增強(qiáng)錫膏的潤濕能力，減小母材之間的表面張力，鋪展率效果最好，當(dāng)表面活性劑含量達(dá)到一定量時，鋪展率不隨著增大而增大，反而有所下降，表面活性劑達(dá)到一定量時，其潤濕性能達(dá)到飽和，無法再增加其潤濕能力，錫膏鋪展率不再增加。

圖2 表面活性劑含量對鋪展率的影響

表4 錫膏樣品鋪展率測試結(jié)果

3.2.2 表面活性劑EB-9含量對錫膏銅板腐蝕性實(shí)驗(yàn)

圖3、圖4為表面活性劑EB-9含量對錫膏銅板腐蝕性實(shí)驗(yàn)的影響結(jié)果，其中A號實(shí)驗(yàn)樣品焊點(diǎn)周邊未出現(xiàn)明顯的腐蝕跡象，表面腐蝕性最小，隨著表面活性劑含量的增加，B號實(shí)驗(yàn)樣品焊點(diǎn)周邊出現(xiàn)輕微的腐蝕，當(dāng)表面活性劑含量達(dá)到3%時，能夠明顯觀察到樣品周邊出現(xiàn)“銅綠”，腐蝕情況最嚴(yán)重。

圖3 銅板腐蝕性實(shí)驗(yàn)腐蝕前

圖4 銅板腐蝕性實(shí)驗(yàn)腐蝕后

4 結(jié)論

表面活性劑在改進(jìn)錫膏焊接效果上有顯著的作用，通過添加表面活性劑，能夠增強(qiáng)焊料與母材之間的潤濕性，減小液態(tài)焊料與固態(tài)母材的表面張力，增強(qiáng)錫液流動及浸潤性能，完全填塞焊縫并形成焊點(diǎn)，達(dá)到更好的焊接效果；添加1%的表面活性劑EB-9，錫膏鋪展率最大，銅板腐蝕性實(shí)驗(yàn)較好，能夠顯著改善錫膏焊接效果。