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無鉛助焊劑技術及其對清洗的影響
2010-08-26
 高溫焊接、高合金表面張力、小型化、低成本的大氣下焊接的考慮和對環境的重視等推動電子工業的無鉛助焊劑技術向前發展。於是,對助焊劑的特性要求包括高溫下的穩定性、高的抗耗竭、高抗氧化性、高的載氧體能力、低表面張力、高助焊能力、慢速潤濕、低濕氣吸收(moisture pickup)、高熱粘性和無鹵素。上述所列的每種特性,可對其相對應的所要求的化學結構進行演繹,可對這些化學結構對助焊劑殘余物清潔度的影響進行推論。總體而言,無鉛助焊劑技術的應用使得清洗難度加大。需要配製優良能溶解殘余物的清洗劑以及可以進行高溫清洗或攪拌的清洗劑。常常還需要使用性和極性清洗劑來清洗大量助焊產品。還要求使用活性清洗劑來處理副反應產物,如像:交聯殘余物。

   

李     寧     成           

 

 

引言

 


  幾十年來小型化和低成本一直驅動電子工業。自上個世紀九十年代中期以來,人們對環境方面的關注也成為其中一個主題。歐盟的RoHS和REACH法規適時而生,其推動全球向無鉛焊接和無鹵素方向發展。對於最終產品上不容許有助焊劑殘余物的工業的要求,這些推動力引發的限制條款向焊後助焊劑殘余物的清洗提出了激烈的挑戰,本文就此進行如下探討。

 


挑戰焦點


1 溫度


  雖然,諸如共晶BiSn、共晶SnZn及其改良合金也得到了使用,但是,電子工業採用的主流合金是無鉛焊料合金,包括Sn-Ag-Cu(SAC)、 Sn-Ag(SA)、 Sn-Cu(SC)及其這些合金的改良合金,如圖1所示[1]。

 

 

圖1.主流無鉛焊料合金及其應用現狀

 


  最常用的合金有Sn95.5Ag4.0Cu0.5(SAC405)、Sn96.5Ag3.0Cu0.5(SAC305)、Sn98.5Ag1.0Cu0.5(SAC105)和Sn96.5Ag3.5, Sn99.3Cu0.7,其熔融溫度為217 - 227℃。其比Sn63Pb37(183℃)或Sn62Pb36Ag2(179℃)的熔融溫度大約高40℃。因此,用於這些合金的焊接工藝溫度也隨之上升。就再流焊接工藝而言,峰值溫度範圍為230 - 260℃。而對於波峰焊接工藝來說,峰值溫度範圍為255 - 270℃。因此,焊接溫度通常要比SnPb高出20-40℃。

 


  焊接溫度高就不可避免地導致(1)大量的助焊劑熱分解和助焊劑的副反應;(2)大量的助焊劑耗竭,特別是當溫度高於焊料的熔融溫度時;(3)助焊劑和金屬出現嚴重的氧化現象。上述現象的出現使潤濕性進一步惡化和孔洞更多。

 


  為了防止由於焊接溫度高導致的問題,要求助焊劑具有下列特性:(1)高溫穩定性,(2)較高抗耗竭性,(3)較高抗氧化性,(4)較高的氧化阻擋能力。

 


2 潤濕


  無鉛合金(0.55-0.57N/m,SAC合金)的表面張力大約比Sn63Pb37(0.51N/m)高20%,如圖2所示[2]。如圖3所示,較高的表面張力導致潤濕性差,潤濕時間長[2]。

 

 

圖2.分別在245℃和260℃下確定的Sn3Pb37和SnAgNu合金的表面張力(2)

 

 

圖3.分別在245℃和260℃下確定的Sn63Pb和SnAgCu焊料合金的濕潤時間(2)



 


  高表面張力的影響,或潤濕不良是很明顯的,這些現象可能包括:(1)焊點強度低,(2)孔洞多,(3)焊點可靠性差。高表面張力和多孔洞率之間的關係在圖4中進行了說明[2]。
 

 

圖4.使用Sn63Pb37和SnAgCu合金的微過孔的表面張力與孔洞率之間的關系(2)

 

 

 

  合金潤濕存在的這種缺陷需採用具有良好潤濕性的助焊劑來補償。因此,需要具有下列特性的助焊劑:(1)表面張力較低易於使焊料充分擴散[3],(2)較高的助焊能力和/或較高的助焊強度。

 

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