溶剂对细间距用无铅焊锡膏抗热塌性的影响

杨 楠，赵麦群，明小龙，孙 杰



溶剂对细间距用无铅焊锡膏抗热塌性的影响

杨 楠，赵麦群，明小龙，孙 杰

（西安理工大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710048）

焊接后出现桥连、短路是高密度电子组装中经常遇到的问题。通过回流焊接实验和抗热塌性实验，研究了助焊剂中溶剂的复配对焊锡膏抗热塌性的影响。结果表明：四氢糠醇与丙二醇苯醚按质量比3:2复配得到的焊锡膏焊点光亮饱满，铺展率达到84.83%，抗热塌性(150℃)优异。四氢糠醇与聚乙二醇单甲醚250(MPEG250)按质量比1:1复配得到的焊锡膏助焊性良好，焊点铺展率高达86.55%，具有优异的抗热塌性(150℃)，并在180℃下仍表现优异，且最小不桥连间距为0.06 mm，满足超细间距条件下的焊接要求。

无铅焊锡膏；细间距；溶剂；助焊性能；铺展率；抗热塌性

随着电子技术的飞速发展，封装的小型化和组装的高密度化以及各种新型封装技术的不断涌现，对电子组装质量的要求越来越高[1]，对焊锡膏各方面的性能也提出更严格的要求。由于封装基板向更小尺寸发展，引脚数量进一步增多，引脚线宽/引脚间距更微细化[2]，因此制备出细间距用无铅焊锡膏成为了表面组装领域的一项重大任务。优异的抗热塌性是细间距用无铅焊锡膏必须具备的特质，可以大大减少焊后出现桥连、短路等缺陷的几率[3]，而我国在这一方面起步较晚，主要是依靠进口来满足国内需求。因此开发出具有自主知识产权的高性能细间距用无铅焊锡膏，将使我国IC（集成电路）产业实现国际化、品牌化，也才能引领我国电子产业逐渐走向世界前列。

近几年，国内外对SnAgCu系焊锡膏的研究主要集中于焊锡膏的流变特性[4-5]以及印刷性[6-7]等方面。在焊锡膏抗热塌性方面，葛晓敏等[8]研究了聚酰胺改性氢化蓖麻油的添加量对焊锡膏抗热塌性的影响，当用量为5 g时印刷图形直径变化量最小且为0.15 mm。徐晓艳[9]研究了触变剂的种类以及添加工艺对焊锡膏抗热塌性的影响，制备的焊锡膏最小不桥连间距为0.1 mm。而影响焊锡膏抗热塌性的因素有很多：触变剂的性能及添加量、焊锡粉与助焊剂的比例、溶剂以及其他化学物质等等[10]。目前关于助焊剂中溶剂对焊锡膏抗热塌性能的影响还鲜见报道。因此，笔者通过研究溶剂复配对焊锡膏的助焊性能和抗热塌性能的影响，对焊锡膏抗热塌性进行优化研究，这对焊锡膏抗热塌性的提高以及使其满足细间距焊接都有一定意义。

1 实验

1.1 设备与材料

设备：T200N+型小型精密无铅回流焊机，BS210S精密电子天平，78-I型数显恒温磁力搅拌器，高温箱式电阻炉，标准丝网印刷模板（丝网印刷模板上面的图形分两种不同尺寸，分别为0.63 mm×2.03 mm和0.33 mm×2.03 mm。

材料：Sn0.3Ag0.7Cu焊锡微粉，20~38 µm（400~700目）；KE-604松香，Foral AX-E全氢化松香；活性剂：壬二酸、己二酸；溶剂：四氢糠醇、聚乙二醇单甲醚250（MPEG250）、丙二醇苯醚，化学纯；触变剂：氢化蓖麻油。实验用基板分别为15 mm×15 mm×1.5 mm和50 mm×50 mm×1.5 mm的单面覆铜板，铜层厚度约35 µm。基板在使用前经过打磨和除锈处理，并用无水乙醇擦洗。

1.2 实验方法

笔者对溶剂采取复配，采用低沸点的四氢糠醇分别与高沸点的MPEG250和丙二醇苯醚进行复配。将所选的溶剂按表1的成分要求配制成助焊剂，溶剂分别按质量比1:0，4:1，3:2，1:1，2:3，1:4，0:1进行复配，再将助焊剂分别以11:89的质量比与焊锡微粉配制成焊锡膏，研究溶剂复配对焊锡膏性能的影响。

表1 助焊剂的成分

Tab.1 The components of the flux

焊锡膏铺展性能测试：将焊锡膏用规格为6.5 mm×0.3 mm的不锈钢模板印刷在15 mm×15 mm×1.5 mm的单面覆铜板上，然后进行回流焊接。本试验依据GB/T9491—2002中的计算方法。焊锡膏的铺展率（%）按式（1）、式（2）计算，结果取平均值。

式中：为焊料球等效直径，mm；为焊点铺展高度，mm；pp为印刷的焊锡膏的质量，g；为配制焊膏焊料微粉的质量分数；为换算系数；对于Sn0.3Ag0.7Cu合金，值为6.396 65。

焊锡膏抗热塌性能测试：用标准的丝网印刷模板在50 mm×50 mm×1.5 mm的单面覆铜板上印刷图形，室温下放置15 min，然后置于温度为150℃的电阻炉中加热15 min，取出并观察记录其最小不桥连间距，即为焊锡膏的塌落度。最小不桥连间距越小，说明焊锡膏的抗热塌性越好。

2 结果与分析

2.1 溶剂四氢糠醇与MPEG250复配对焊锡膏抗热塌性的影响

表2为四氢糠醇与MPEG250以不同质量比(:)复配对焊锡膏的焊点形貌、焊点铺展率的影响。从表中可以看出，几种不同比例的复配溶剂对应焊锡膏的焊点形貌都很理想，外观饱满、光亮，润湿性良好。随着MPEG250含量的增加，焊点铺展率呈现先上升后下降的趋势，且当复配质量比为1:1时，焊锡膏铺展率最高，达到86.55%。由于单一溶剂MPEG250配制焊膏的焊点铺展率高于单一溶剂四氢糠醇的焊点铺展率，所以随MPEG250的含量增加时，焊点铺展率先呈现出上升的趋势，随后出现下降的趋势，这是由于溶剂MPEG250是高沸点溶剂，当高沸点物质含量过高时，在预热阶段不能完全挥发，残留部分便在焊料熔化区沸腾，阻碍焊料的铺展，从而引起焊点铺展率下降[11]。

图1为四氢糠醇与MPEG250以不同质量比复配对应焊锡膏的部分焊盘印刷后的热塌实验图，表3为四氢糠醇与MPEG250以不同质量比复配对应焊锡膏的焊盘抗热塌性实验的最小不桥连间距。由抗热塌实验结果的图1中可以看出，(a)图、(b)图、(c)图、(d)图以及(e)图中，尺寸为0.63 mm×2.03 mm的图形（左图）轮廓清晰，图形规整，图形间没有出现桥连，而尺寸为0.33 mm×2.03 mm的图形中（右图）部分出现了桥连。(f)图和(g)图中0.63 mm×2.03 mm尺寸的图形边缘模糊，但是图形间桥连不明显，而0.33 mm×2.03 mm尺寸的图形间出现了严重的桥连。根据表3中的数据显示，复配质量比为1:4和0:1时，焊锡膏的抗热塌性较差，最小不桥连间距达到0.41 mm，而复配质量比为1:0和1:1时，焊锡膏的抗热塌性最好，最小不桥连间距为0.06 mm。

表2 四氢糠醇与MPEG250复配对焊锡膏助焊性的影响

Tab.2 The effect of mixtures of tetrahydrofurfuryl alcohol and MPEG250 on solder paste soldering

表3 焊盘的抗热塌实验结果

Tab.3 The anti-hot slump results of solder pads

由于焊锡膏的抗热塌性实验是在150℃下进行的，因此150℃下焊锡膏的黏度与其抗热塌性有着密切的关系，黏度越高，焊锡膏的抗热塌性越好。反之，焊锡膏的抗热塌性越差。助焊剂中所用的两种松香其软化点分别为125℃和80℃，四氢糠醇的沸点为178℃，MPEG250的沸点为255℃。当温度为150℃时，松香达到自身的软化点，形态由固态变为液态，从而使焊锡膏的黏度变小，易于流动，而溶剂的挥发可以使焊锡膏的黏度增大，补偿因松香软化造成的黏度损失，防止焊锡膏出现塌落[12]。因此，当四氢糠醇的含量较高时，焊锡膏表现出较好的抗热塌性，因为较多的溶剂挥发，使得软化速率与挥发速率达到了一个平衡比例。而随MPEG250含量的增加，焊膏的抗热塌性越来越差。这是由于MPEG250的沸点较高，在持续升温过程中，焊料合金粉末以较快的速度将热量传到焊膏内部，溶剂升温但挥发缓慢，则会不断膨胀且不能透过焊料合金粉末的空隙挥发出去，那么无限制的膨胀最终导致焊膏坍塌[10]，并且MPEG250在150℃时挥发速率较慢，使得此时焊锡膏黏度变小，焊锡膏黏度越小越容易漫流，从而发生了桥连。

在研究焊锡膏的性能时，不能只满足单一的性能。判断焊锡膏是否具有良好的性能，需要检测焊锡膏的综合性能。而焊锡膏的助焊性是其最基本的性能，决定着焊点是否连接牢固，所以在讨论焊锡膏的抗热塌性时必须结合其焊点的铺展率即助焊性能。由以上分析可知，溶剂复配质量比为1:0和1:1时，焊锡膏的抗热塌性最好，但是比例为1:0时焊点的铺展率最小，1:1时焊点的铺展率最大，这表明四氢糠醇与MPEG250按1:1比例进行复配性能最佳。

2.2 溶剂四氢糠醇与丙二醇苯醚复配对焊锡膏抗热塌性的影响

表4为四氢糠醇与丙二醇苯醚以不同质量比（:）复配对焊锡膏焊点形貌、焊点铺展率的影响。从表中可以看出，除了质量比为1:1时焊点边缘出现了回缩，其余焊点均光亮、饱满，外观较为理想。随着丙二醇苯醚含量的增加，焊点铺展率呈现出先上升后下降的趋势，但是在质量比为1:1时出现了一个凹陷值，这是由于焊点出现了回缩，表现为润湿性不够，降低了其铺展率。当质量比为3:2时焊点铺展率达到了最大值为84.83%，助焊性最好。

图2为四氢糠醇与丙二醇苯醚以不同质量比复配对应焊锡膏的部分焊盘印刷后的热塌实验图，表5为四氢糠醇与丙二醇苯醚以不同质量比复配所对应焊锡膏的焊盘抗热塌性实验的最小不桥连间距。由图2中可以看出，(a)图、(b)图、(c)图以及(d)图中，尺寸为0.63 mm×2.03 mm的图形（左图）挺括、规整，且图形间没有出现桥连，但是(b)图和(d)图中尺寸为0.33 mm×2.03 mm的图形（右图）出现了不同程度的桥连现象，(e)图、(f)图、(g)图在尺寸为0.33 mm×2.03 mm的图形中均出现了严重的桥连现象。根据表5中的数据显示，随着丙二醇苯醚含量的增加，焊锡膏的抗热塌性越来越差。当质量比为1:0和3:2时焊锡膏的抗热塌性最好，印刷的图形间没有出现桥连，即最小不桥连间距为0.06 mm。当质量比为2:3，1:4和0:1时，图形间的最小不桥连间距较大，焊锡膏的抗热塌性较差。

表4 四氢糠醇与丙二醇苯醚复配对焊锡膏助焊性的影响

Tab.4 The effect of mixtures of tetrahydrofurfuryl alcohol and propylene glycol monophenyl ether on solder paste soldering

表5 焊盘的抗热塌实验结果

Tab.5 The anti-hot slump results of solder pads

由以上分析可知，质量比为1:0和3:2时焊锡膏的抗热塌性最好，且最小不桥连间距为0.06 mm。但是，在对焊锡膏进行助焊性能讨论时，得出质量比1:0时焊点铺展率最低，而3:2时铺展率最高，表明四氢糠醇与丙二醇苯醚按3:2质量比进行复配性能最佳。

由2.1、2.2讨论可知，高沸点溶剂的含量是焊锡膏抗热塌性的重要影响因素之一，适当的溶剂含量才能保证焊锡膏优异的抗热塌性。

焊锡膏因助焊剂的挥发容易在预热阶段和活化阶段发生坍塌，在150℃下没有发生桥连并不代表在180℃下也不发生桥连，而四氢糠醇与MPEG250以质量比1:1复配和四氢糠醇与丙二醇苯醚以质量比3:2复配所得到的焊锡膏均在150℃下具有优异的抗热塌性，所以笔者对这两组进行了180℃的热塌性测试，热塌图片如图3所示。

图3 两组复配溶剂对应焊锡膏焊盘的180 ℃抗热塌实验图片

从图3中可以看出，(a)图中没有出现桥连，而(b)图中出现了桥连，且最小不桥连间距分别为0.06 mm和0.15 mm。表明四氢糠醇与MPEG250按1:1质量比复配对应焊锡膏具有更加优异的抗热塌性，且满足超细间距条件下的焊接要求。

3 结论

（1）四氢糠醇与MPEG250最佳复配质量比为1:1，四氢糠醇与丙二醇苯醚最佳复配质量比为3:2，两者所得到的焊锡膏均具有良好的助焊性和优异的抗热塌性(150℃)，且最小不桥连间距均为0.06 mm。

（2）随着高沸点溶剂含量的增加，焊锡膏焊点铺展率先上升后下降，焊锡膏的抗热塌性越来越差。

（3）四氢糠醇与MPEG250按质量比1:1复配得到的焊锡膏180℃下的抗热塌性明显优于四氢糠醇与丙二醇苯醚按质量比3:2复配得到的焊锡膏，且最小不桥连间距仍为0.06 mm，满足超细间距条件下的焊接要求。

[1] 雷颖劼. 电子封装技术的发展现状及趋势 [J]. 科技创新与应用, 2016(7): 139.

[2] 龙乐. 电子封装技术发展现状及趋势 [J]. 电子与封装, 2012, 12(1): 39-43.

[3] 关智晓. 适用于细间距技术无铅焊膏助焊剂的研究 [D]. 北京: 北京工业大学, 2011.

[4] SON M J, KIM I, YANG S, et al. Employment of roll-offset printing for fabrication of solder bump arrays: harnessing the rheological properties of lead-free solder pastes using particle size distribution [J]. Microelectron Eng, 2016, 164: 128-134.

[5] DURAIRAJ R, MAN L W, EKERE N N, et al. The effect of wall-slip formation on the rheological behaviour of lead-free solder pastes [J]. Mater Des, 2010, 31(3): 1056-1062.

[6] AMALU E H, EKERE N N, MALLIK S. Evaluation of rheological properties of lead-free solder pastes and their relationship with transfer efficiency during stencil printing process [J]. Mater Des, 2011, 32(6): 3189-3197.

[7] DURAIRAJ R, RAMESH S, MALLIK S, et al. Rheological characterisation and printing performance of Sn/Ag/Cu solder pastes [J]. Mater Des, 2009, 30(9): 3812-3818.

[8] 葛晓敏, 熊国宣, 马鑫. 聚酰胺改性氢化蓖麻油在无铅锡膏中的应用研究 [J]. 广州化工, 2013, 41(24): 76-78.

[9] 徐晓艳. 无铅焊膏粘度及稳定性的分析 [D]. 南京:东南大学, 2015.

[10] 邓涛. 免清洗助焊剂与SnAgCu无铅焊膏的制备及其性能研究 [D]. 长沙: 中南大学, 2012.

[11] 薛静, 赵麦群, 范欢, 等. SnAgCu无铅焊膏用溶剂的优化研究 [J]. 电子元件与材料, 2011, 30(2): 36-38.

[12] 祝蕾, 雷永平, 夏志东, 等. 无铅焊膏用卤素松香型助焊剂的研制 [J]. 电子元件与材料, 2010, 29(3): 38-41.

（编辑：陈渝生）

Effect of solvent on anti-hot slump ability of lead-free solder paste with fine-pitch

YANG Nan, ZHAO Maiqun, MING Xiaolong, SUN Jie

(School of Materials Science and Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Bridging and short-circuit are the common problems in high density electronic packaging. The effects of compound solvents in flux on the anti-hot slump of solder paste were studied by reflow soldering and anti-hot slump test. The results show that mixed with tetrahydrofurfuryl alcohol and propylene glycol monophenyl ether (mass ratio=3:2) as solvent, the solder paste has good anti-hot slump ability (150℃).The spreadability is 84.83% and the appearance of spots is plump, beamy. Mixed with tetrahydrofurfuryl alcohol and MPEG250 (mass ratio=1:1) as solvent, the solder paste has good soldering and excellent anti-hot slump ability(150℃), and the spreadability is as high as 86.55%.The solder paste still has excellent anti-hot slump ability at 180℃and the minimum non bridging space is 0.06 mm.The solder paste meets the requirement of ultra-fine pitch technology.

lead-free solder paste; fine-pitch; solvent; solderability; spreadability; anti-hot slump ability

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.11.013

TN604

A

1001-2028（2017）11-0073-05

2017-08-29

赵麦群

陕西省教育厅重点实验室科研计划项目资助（No. 14JS069）

赵麦群（1960－），男，陕西户县人，教授，主要从事粉体功能材料及其产品的研发，E-mail:zhaomq@mail.xaut.edu.cn ；

杨楠（1993－），女，陕西户县人，研究生，研究方向为电子功能材料，E-mail: 1549365362@qq.com。

2017-11-02 15:47

网络出版地址： http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20171102.1547.012.html